王小陽, 鄭思遠(yuǎn), 李 斌, 童 峰

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基于AD變采樣抑制多普勒的移動水聲通信系統(tǒng)

王小陽, 鄭思遠(yuǎn), 李 斌, 童 峰

(廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室, 福建 廈門, 361005)

針對自主式水下航行器(AUV)等水下移動平臺移動水聲通信中的多普勒問題, 考慮到傳統(tǒng)的軟件變采樣多普勒校正方法需要先接受完整的一幀信號, 并在多普勒估計后對信號進行重采樣, 運算復(fù)雜度較高, 硬件實現(xiàn)較難。文中提出了基于模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)變采樣抑制多普勒的AUV移動通信方案, 在信號的前段做多普勒估計, 而后通過微控制單元(MCU)調(diào)整AD采樣率接收信號, 相當(dāng)于直接對信號做多普勒補償。根據(jù)該方案所設(shè)計的水聲通信系統(tǒng)能夠?qū)崟r通信, 并且改善了通信質(zhì)量; 同時采用直接擴展頻譜技術(shù)和信道編碼, 進一步提高了通信性能, 海試驗證了該方法的有效性。

自主式水下航行器(AUV); 移動水聲通信; 多普勒補償; AD變采樣

0 引言

當(dāng)前水聲通信面臨多徑擴展、時變衰落、多普勒時域和頻域擴展等問題[1]。隨著海洋資源的深入開發(fā), 各類水下自主移動平臺(如AUV、ROV等)被應(yīng)用于完成水下勘測、試驗、航行等多種工作。而基于移動平臺的水聲通信其最大難題就是如何克服由平臺間相對運動引起的多普勒擴展, 發(fā)射端調(diào)整發(fā)射信號幀格式、接收端進行多普勒估計等信號處理方式尤為關(guān)鍵[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對于水聲多普勒信號處理方式也在不斷嘗試中。Johnson等[3]提出一組相關(guān)器與接收信號求相關(guān)的方法, 利用相關(guān)峰值最高的相關(guān)器計算多普勒因子。Sharif等[4]提出用線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)信號對多普勒進行估計, 根據(jù)2個LFM相關(guān)峰值間隔做多普勒估計, 該方法簡單穩(wěn)健, 但估計精度依賴線性調(diào)頻插入的間隔, 若提高估計精度在一定程度上會影響通信效率。Tu等[5]針對不同傳播路徑中存在的不同多普勒因子, 在接收端設(shè)計一種可匹配特定路徑多普勒因子的重采樣方案, 但在淺海信道復(fù)雜多徑下的多普勒需花費大量時間匹配多普勒因子。何成兵等[6]提出一種可自動匹配水聲多徑信道的精確多普勒頻移估計方法, 該方案信道適應(yīng)性強且估計精度高。岳玲等[7]利用雙曲調(diào)頻的多普勒不變性, 提出一種適用于低信噪比下收發(fā)雙方高速移動的多普勒估計和補償方法。崔健等[8]提出用循環(huán)前綴, 針對水聲系統(tǒng)進行多普勒估計, 該算法有較高的精度。

上述研究多集中于如何提高多普勒因子估計精度, 而考慮到實際應(yīng)用時通信效率的研究則比較少。常規(guī)多普勒信號處理方式需要在1幀信號接收完成后得到多普勒估計值, 再對整幀信號進行重采樣或線性差值計算, 軟件重采樣需要先將信號重構(gòu), 再進行二次采樣, 運算復(fù)雜度較高。

文中針對移動平臺的水聲通信問題, 采用擴頻調(diào)制體制保證通信的可靠性, 將信號幀中的同步信號同時作為多普勒估計信號, 當(dāng)通信過程中信號同步完成時, 多普勒估計結(jié)果也會相應(yīng)計算出來。此時, 利用估計結(jié)果在解調(diào)前變換信號采樣率, 能夠大大提升系統(tǒng)在移動平臺工作時的通信性能。利用該方案設(shè)計出的系統(tǒng)具有算法復(fù)雜度低, 能夠快速、實時解調(diào)且誤碼率低等優(yōu)點, 最終通過海試試驗驗證了其可行性。

1 算法介紹

1.1 DS-DBPSK調(diào)制

擴展頻譜技術(shù)是將要發(fā)送的信息通過偽隨機序列調(diào)制到很寬的頻帶上去, 再在接收端通過解調(diào)和解擴過程恢復(fù)出發(fā)送的信息序列。擴頻技術(shù)主要包括直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum, DSSS, 簡稱DS)、跳頻、線性調(diào)頻和一些混合擴頻等, 其中, DS系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力、抗多徑能力且能夠在較低的信噪比條件下工作[9], 因此文中采用DS方式。差分相干解調(diào)是將接收到的信號延遲1個碼元間隔后再與原信號相乘, 在完成解調(diào)的同時也完成了解差分, 經(jīng)過低通濾波后進行抽樣判決。它的優(yōu)點是不需要產(chǎn)生本地相干載波, 而在水聲信道中對載波的估計和跟蹤是比較困難的。文中采用的是直接序列擴頻-差分二相相移鍵控(DS-differential binany phase shift keying, DS-DBPSK)調(diào)制方式, 具體實現(xiàn)框圖如圖1所示。

1.2 多普勒時域估計

傳統(tǒng)時域估計是在信號幀的最前和最末端利用線性調(diào)頻信號進行多普勒估計, 首先接收完整的1幀信號后計算多普勒偏移, 其次根據(jù)估計結(jié)果再對數(shù)據(jù)段做線性插值或重采樣。多普勒時域擴展相當(dāng)于信號收縮或擴展的程度[10], 可以取信號中兩側(cè)LFM的相關(guān)峰值得到信號時域長度, 并根據(jù)式(1)計算出多普勒因子。

為了減少多普勒估計和補償時間, 所設(shè)計信號幀格式如圖2所示。通常利用傳統(tǒng)時域多普勒估計, LFM信號應(yīng)在數(shù)據(jù)幀的兩端, 這樣可以保證所估計的多普勒偏移量是考慮整幀信號得到的結(jié)果, 但是需要犧牲信號處理時間。文中將LFM信號放在信號數(shù)據(jù)段之前, 多普勒處理可以在1個信號幀長度內(nèi)完成。

當(dāng)多普勒偏移在短時間內(nèi)(即1幀信號長度)沒有大幅度變化的情況下, 該方法解調(diào)性能等同于時域估計法。文中將系統(tǒng)搭載在移動平臺上主要考慮平臺移動帶來的多普勒偏移, 在海況平穩(wěn)的情況下可忽略水流的影響。在1幀信號內(nèi)移動平臺可視為勻速航行, 因此采用這樣的方式不僅可以提高系統(tǒng)通信效率, 同時也可保證通信性能。

1.3 基于AD變采樣的多普勒補償

在通信過程中, 接收端完成信號同步后, 多普勒偏移估計也同時完成。此時根據(jù)估計結(jié)果可直接調(diào)整系統(tǒng)的AD采樣率, 相當(dāng)于對數(shù)據(jù)段信號做了一次多普勒補償。利用AD變采樣率的方法比較靈活方便, 即便對于小尺度的偏移量, 只要計算出對應(yīng)的重采樣率就可以對信號進行處理, 進一步提升了系統(tǒng)的實時性能, 便于硬件實現(xiàn)。

1.4 接收機硬件實現(xiàn)

文中方案設(shè)計的接收機基于Coetex-M4內(nèi)核的STM32F4系列處理器實現(xiàn)。該處理器主頻最高可達(dá)168 MHz, 具有運算周期短和功耗低的優(yōu)點。

接收機采用硬件變采樣的方法, 首先利用接收信號幀中的LFM信號進行多普勒估計, 接著調(diào)整硬件采樣率, 及時對數(shù)據(jù)段做多普勒補償。補償后的信號數(shù)據(jù)段送入接收機, 其解調(diào)流程同經(jīng)典差分解調(diào)DS接收機, 總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。利用數(shù)據(jù)前段做多普勒估計的方法可以及時調(diào)整硬件采樣率, 大大降低單片機內(nèi)算法的復(fù)雜度, 保證通信時效, 便于在AUV等小尺寸平臺進行硬件實現(xiàn)。

2 理論分析

2.1 復(fù)雜度分析

文中1幀發(fā)射信號時長為6.8 s, 信號采樣率為75000 Hz, 數(shù)據(jù)量為510000點。傳統(tǒng)多普勒補償即在多普勒估計后對接收到的數(shù)據(jù)進行重采樣, 具體是: 原信號序列先進行整數(shù)因子倍的升采樣, 然后根據(jù)式(2)用線性插值算法求出輸出序列。

2.2 仿真分析

為了驗證文中多普勒補償方法的有效性, 取中心頻率15.5 kHz的原始信號經(jīng)多普勒信道(為驗證效果設(shè)置仿真頻偏較大, 實際行船或移動平臺造成的頻偏較小, 范圍在幾十赫茲內(nèi)); 另外將多普勒信號經(jīng)由文中補償方案處理, 3組信號頻譜圖如圖4所示。可以看出, 基于AD變采樣的多普勒補償方案可以有效改善多普勒頻率偏移。

3 海試試驗驗證

3.1 試驗設(shè)置

試驗海域為廈門港海域, 行船示意圖見圖5。船A拋錨定點, 航行器B以3 kn的速度靠近船A, 隨著兩船靠近速度逐漸變慢。收發(fā)換能器相距1.2 km, 入水深度為3 m。聲速梯度見圖6。

為了進行文中方法的性能評估, 試驗時發(fā)射信號格式如圖7所示, 前段為多普勒估計段, 包含2個長度為22.6 ms的LFM信號, 作為多普勒測量信號。后段為數(shù)據(jù)段, 調(diào)制采用的載波頻率為15.5 kHz。發(fā)射端將長度為48的字符串經(jīng)過數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、卷積編碼、差分編碼等操作轉(zhuǎn)為二進制類型的數(shù)據(jù), 共780 bit; 接著借助PN碼進行直接序列擴頻完成信號調(diào)制。研究所設(shè)計的試驗系統(tǒng)采用先差分編碼再擴頻的方法, 具有更良好的抗噪性能[11]。

3.2 結(jié)果分析

海試信道沖激響應(yīng)見圖8, 可以看出信道存在明顯的多徑。海試信道時變響應(yīng)見圖9[12], 可以看到, 由于收發(fā)平臺相對運動造成的明顯多普勒偏移, 在短時間內(nèi)多普勒偏移量較小, 符合大多數(shù)移動平臺下的通信情況。此時, 采用文中提出的基于AD變采樣的多普勒補償方法可以實時處理多普勒信號, 能夠很好地改善通信質(zhì)量。

為了評估文中研究設(shè)計的系統(tǒng)性能, 從結(jié)果中選擇10幀信號, 分別利用軟件、硬件進行估計和解調(diào), 其中軟件利用matlab估計, 硬件通過STM32單片機估計, 它們對應(yīng)的頻偏值如圖10所示, 可以看出, 信號頻偏在5~20 Hz之間不等。圖11是這些信號所對應(yīng)的誤碼率曲線, 其中實線部分為硬件解調(diào)誤碼率曲線, 虛線為軟件解調(diào)誤碼率曲線。分別比較了多普勒補償前、補償后和經(jīng)過信道編碼的誤碼率結(jié)果, 可以看出, 信號解調(diào)誤碼率和對應(yīng)的多普勒頻偏呈正相關(guān)。從整體結(jié)果看, 軟件解調(diào)性能稍優(yōu)于硬件解調(diào), 但相差不多, 分析原因可能是硬件的采樣芯片、系統(tǒng)時鐘等的精度不如軟件。另外, 經(jīng)過多普勒補償后的誤碼率低于0.06, 通信性能明顯優(yōu)于信號補償前的情況, 結(jié)合文中采用的差分編碼能進一步提升水下通信質(zhì)量, 通信誤碼率達(dá)到0.01以下。總體看來, 基于AD變采樣的多普勒補償方式能起到很好的補償效果, 并且在多普勒偏移量較小時(頻偏量6 Hz左右), 無需采用線性插值對信號重新處理, 利用AD采樣的靈活性可以任意修改采樣率以滿足大多數(shù)條件下的多普勒補償。

4 結(jié)束語

針對移動平臺上的水聲通信系統(tǒng), 提出一種基于AD變采樣的多普勒補償方法, 該方案可大大減少系統(tǒng)內(nèi)算法處理時間, 使系統(tǒng)能在平臺航行時進行實時水聲通信。海試試驗結(jié)果表明, 文中設(shè)計的系統(tǒng)可以實時處理水聲信道中的多普勒效應(yīng), 能夠提高系統(tǒng)性能, 降低實現(xiàn)復(fù)雜度, 且通信效果良好。

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Mobile Underwater Acoustic Communication System Based on AD Variable Sampling

WANG Xiao-yang, ZHENG Si-yuan, LI Bin, TONG Feng

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of the Ministry of Education, College of Ocean & Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

For the Doppler problem in mobile underwater acoustic communication of underwater mobile platforms such as autonomous undersea vehicle(AUV), the traditional software variable sampling Doppler correction method needs to accept one complete frame signal at first, and the signal is resampled after Doppler estimation, so it has high computational complexity and is difficult to implement in hardware. In this paper, an AUV mobile communication scheme based on analog-to-digital(AD) variable sampling suppression Doppler is proposed. The Doppler estimation is performed in the front part of the signal, then the AD sampling rate is adjusted by the microcontroller unit(MCU) to receive the signal, which is equivalent to Doppler compensation directly to the signal. The underwater acoustic communication system designed according to the scheme can communicate in real time and improve the communication quality. Simultaneously, adopting the direct spread spectrum technology and channel coding helps further improve communication performance of the system. Sea trial verifies the effectiveness of the proposed scheme.

autonomous undersea vehicle(AUV); mobile underwater acoustic communication; Doppler compensation; AD variable sampling

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2018)05-0465-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.014

2018-07-30;

2018-09-10.

國家自然科學(xué)基金項目資助(11574258).

王小陽(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲通信.

王小陽, 鄭思遠(yuǎn), 李斌, 等. 基于AD變采樣抑制多普勒的移動水聲通信系統(tǒng)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(5): 465-469.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)