李 爽 ，邱 逸 凡 ，童 峰

(1.廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，福建 廈門361005；2.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門361005；3.廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳518000)

0 引言

水聲信道是無線通信領(lǐng)域中最為復(fù)雜的信道之一。水聲信道的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性導(dǎo)致信號在傳輸過程的損耗以及多徑效應(yīng)，接收端接收到原始信號幅度衰落[1]，影響通信系統(tǒng)的解調(diào)和誤碼率。 因此，在接收端經(jīng)常采用自動增益(Auto Gain Control，AGC)的電路[2]，可以將接收到的原始信號的幅度調(diào)整到限定的輸入范圍內(nèi)，保證信號的完整性和通信的穩(wěn)定性[3]。 目前，自動增益電路在水聲通信機(jī)中應(yīng)用廣泛，當(dāng)前對于AGC 放大器的設(shè)計研究越來越多，一般分為模擬方式和數(shù)字方式。 王永龍等人[4]研究的基于自動增益控制的聲信號處理電路，依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)放大信號作用，屬于模擬方式，復(fù)雜度低；賴小強(qiáng)等[5]研究的數(shù)字閉環(huán)自動增益控制系統(tǒng)，一般依靠算法實(shí)現(xiàn)，性能好，屬于數(shù)字方式。本文依靠電路實(shí)現(xiàn)抑制幅度衰落，屬于模擬方式。

針對集群海洋觀測[6]、海洋物聯(lián)網(wǎng)(IoT)[7]、微小型水下無人航行器[8]等應(yīng)用背景下，對低成本水聲通信設(shè)備有大量的需求，并且要求水聲通信系統(tǒng)低復(fù)雜度、小尺寸、低成本、穩(wěn)健可靠，MFSK 提供了一種有效技術(shù)方案。 傳輸過程中，MFSK 屬于低速率、低復(fù)雜度、穩(wěn)健可靠的通信體制。

孫柏昶等[9]對8FSK 解調(diào)方式進(jìn)行深入研究，從抗頻偏性能和解調(diào)誤碼性能的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，F(xiàn)SK 適合用于極低速通信，適合衰落信道；岳玲等[10]將Turbo 編碼與基于MFSK 的水聲通信系統(tǒng)相結(jié)合，提出軟判決統(tǒng)計量提取算法，進(jìn)行湖上實(shí)驗，根據(jù)實(shí)驗結(jié)果表明該系統(tǒng)通信穩(wěn)定、有效。

由于水聲信道的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，信號散射、反射、損耗等現(xiàn)象很常見。在多徑嚴(yán)重的信道中，接收信號受到的影響主要表現(xiàn)在幅度上，會出現(xiàn)幅度衰落，時域上表現(xiàn)為碼間干擾，頻域上表現(xiàn)在頻率選擇性衰落。 接收端收到的信號幅度出現(xiàn)衰落，信噪比降低，解調(diào)過程受到影響，提高了誤碼率，如果兩端距離拉長，衰落現(xiàn)象更加嚴(yán)重，接收信號不夠完整，會出現(xiàn)完全解調(diào)錯誤的狀態(tài)。 MFSK 占用頻帶較寬，在水聲信道傳輸過程中頻率變化會引起幅度衰落，因此自動增益控制是抑制頻率選擇性衰落的有效手段。

吳劍明等人[11]設(shè)計了兩級放大反饋?zhàn)詣釉鲆婵刂齐娐罚染庑阅芰己?，提高了水聲通信質(zhì)量。但從硬件實(shí)現(xiàn)角度，利用運(yùn)放、濾波器搭建的自動增益控制電路集成度仍有提高的余地。

MAX9814 是一款低成本、高質(zhì)量的放大元器件，具有優(yōu)良的自動增益控制功能和較大的增益調(diào)整范圍，已廣泛應(yīng)用于助聽器[12]、聲頻檢測[13]和發(fā)射機(jī)[14]。 本文應(yīng)用芯片MAX9814 抑制水聲信道對MFSK 通信造成的頻率選擇性衰落，并在廈門五緣灣海域進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

1 MAX9814 芯片介紹

MAXIN 公司的MAX9814 芯片是一個小尺寸、低成本、高質(zhì)量的放大元器件，該芯片具有低噪聲前置放大器(Low Noise pre-Amplifier，LNA)、可變增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)、AGC(Automatic Gain Control)控制電路和輸出放大器，如圖1 所示[15]。

低噪聲前置放大器的增益固定在12 dB，而VGA 增益自動調(diào)整從20 dB 到0 dB，這取決于輸出電壓和AGC 閾值。輸出放大器提供可選擇的增益為8 dB、18 dB 和28 dB。在沒有壓縮的情況下，級聯(lián)放大器的整體增益為40 dB、50 dB 和60 dB。 調(diào)節(jié)三擋增益主要是通過控制GAIN 的引腳，當(dāng)GAIN=VDD時，增益為40 dB；當(dāng)GAIN=GND 時，增益為50 dB；當(dāng)GAIN=Unconnected 時，即GAIN 引腳懸空，增益為60 dB[15]。

圖1 MAX9814 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

MAX9814 的特點(diǎn)就在于它能夠自動增益控制，當(dāng)接收端接收到的信號增益過大，出現(xiàn)信號截止時，會自動降低增益；當(dāng)信號幅度衰落時，可以進(jìn)行抗衰落處理。這一特點(diǎn)主要取決于其內(nèi)部的AGC 模塊檢測，當(dāng)輸入信號超過閾值后，芯片會花費(fèi)時間降低增益，這個時間內(nèi)增益衰減為指數(shù)型，定義時間常數(shù)，被稱為“Attack Time”。當(dāng)輸入信號低于閾值，增益在一段時間內(nèi)保持減小狀態(tài)，一般稱這段時間為“Hold Time”，內(nèi)部設(shè)置為30 ms且不可調(diào)整。增益返回到它的正常水平需要的時間稱為“Release Time”。 其中Attack Time 為2 400×CCT(s)，CCT為外部定時電容[15]。

芯片MAX9814 的增益和頻率的關(guān)系如圖2 所示[15]。從圖中可以看出，當(dāng)信號的頻率在10 kHz～20 kHz 時，具有20 dB 的幅度調(diào)整范圍，可有效抑制此范圍內(nèi)的頻率選擇性衰落。

圖2 MAX9814 增益-頻率關(guān)系曲線

2 應(yīng)用MAX9814 的水聲通信前置處理電路

圖3 所示為應(yīng)用MAX9814 的水聲通信系統(tǒng)前置處理電路結(jié)構(gòu)，輸入信號依次經(jīng)過前置放大、帶通濾波、MAX9814，然后進(jìn)入后續(xù)電路。前置放大采用芯片AD603，構(gòu)建自動增益控制電路；帶通濾波器采用芯片MAX274，構(gòu)建八階Chebyshev 帶通濾波器[16]，旨在濾除帶外噪聲；帶通濾波后信號進(jìn)入芯片MAX9814，用于抑制水聲信道導(dǎo)致的頻率選擇性幅度衰落。 即：信號幅度被嚴(yán)重衰落時，利用MAX9814 的自動增益控制功能保證輸出信噪比；當(dāng)發(fā)射端調(diào)節(jié)增益過大時，MAX9814 自動調(diào)節(jié)增益功能可保證輸出信號不會出現(xiàn)“削峰”現(xiàn)象[17]。帶有MAX9814抗衰落處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低，尺寸小。

圖3 帶有MAX9814 前置處理電路結(jié)構(gòu)示意圖

3 海試實(shí)驗

3.1 實(shí)驗設(shè)置

為了驗證本文抗衰落電路的有效性，在廈門五緣灣海域進(jìn)行了MFSK 水聲通信海試實(shí)驗。 其中實(shí)驗海域水深10 m，通信距離800 m。 換能器的帶寬為13 kHz～18 kHz，信號調(diào)制方式為八進(jìn)制移頻鍵控調(diào)制(8FSK)，載波頻率范圍在13 kHz～18 kHz，8 個頻點(diǎn)均勻分布在13 kHz～18 kHz范圍內(nèi)，碼元長度為13.6 ms，通信數(shù)據(jù)率為219.7 b/s。每一幀信號包含同步信號和MFSK 調(diào)制信號；其中同步信號由掃頻信號組成，掃頻信號時長為27.3 ms，帶寬為13 kHz～18 kHz。

3.2 實(shí)驗數(shù)據(jù)分析與討論

圖4 所示為MAX9814 處理前后的同步信號頻譜圖。對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，在同步信號13～18 kHz帶寬范圍內(nèi)，無MAX9814 系統(tǒng)受淺海信道多徑影響呈現(xiàn)劇烈的頻率選擇性衰落；而經(jīng)MAX9814 芯片處理后，帶內(nèi)頻譜較為平坦，幅度衰落得到有效抑制。

圖4 有無MAX9814 同步信號頻譜圖

圖5 所示為截取的一段接收信號(包含5 個MFSK符號)。圖5(a)是未經(jīng)MAX9814 處理的信號，呈現(xiàn)明顯幅度起伏；圖5(b)是經(jīng)過帶有MAX9814 抗衰落處理系統(tǒng)后采集的信號，幅度起伏被有效抑制。 對比圖5(a)和圖5(b)可知，經(jīng)MAX9814 抗衰落處理后前置處理效果更好；具體地，圖5(a)中一些頻點(diǎn)對應(yīng)的幅度還是出現(xiàn)衰落，特別是在圖中第3（30 ～40 ms）和第5(55 ～67 ms)個MFSK 符號，幅度衰落影響最為嚴(yán)重。 圖5(b)所示的經(jīng)MAX9814 處理后幅度衰落得到了較大改善，嚴(yán)重幅度衰落頻點(diǎn)得到了有效補(bǔ)償。

圖5 有無MAX9814 接收8FSK 信號時域波形

圖6 有無MAX9814 接收8FSK 信號的頻譜圖

圖6 進(jìn)一步給出了圖5 中第3 個MFSK 符號的頻譜，該符號MFSK 調(diào)制頻率為15.234 kHz(如圖中實(shí)線箭頭所示)。 從圖6 中可以看出，未經(jīng)MAX9814 時調(diào)制頻率頻點(diǎn)被嚴(yán)重衰落，導(dǎo)致此時符號內(nèi)頻譜最高頻點(diǎn)為16.406 kHz(如圖中虛線箭頭所示)，造成MFSK 錯誤解碼；經(jīng)過MAX9814 處理后，有效抑制了信道對該符號對應(yīng)頻點(diǎn)的頻率選擇性衰落，符號內(nèi)頻譜最高點(diǎn)恢復(fù)至15.234 kHz 處，保證了嚴(yán)重衰落情況下MFSK 解碼的正確。

4 結(jié)論

面向海洋物聯(lián)網(wǎng)、水下移動平臺等領(lǐng)域?qū)Ω呖煽?、低?fù)雜、低成本水聲通信設(shè)備的需求，本文將MAX9814芯片應(yīng)用于抑制水聲信道對MFSK 通信造成的頻率選擇性衰落，以充分利用該芯片尺寸小、高集成、增益調(diào)整性能好的特點(diǎn)進(jìn)行水聲通信系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)。海試實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，該芯片能夠有效抑制水聲信道造成的幅度衰落，改善MFSK 水聲通信性能。