邢延超，秦正昌，丁寒雪，王言前，李澤群,2，王辛杰

(1.青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266000；2.Electrical and Electronic Engineering,University of Technology,Sydney 2007,Australia)

0 引言

水聲通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋油氣資源的勘探，海洋污染監(jiān)測(cè)，水下救援，水下潛艇定位和導(dǎo)航以及水下作業(yè)等領(lǐng)域[1]。水聲信道具有嚴(yán)重的多途干擾特性[2–4]，使得接收信號(hào)產(chǎn)生畸變，影響通信系統(tǒng)性能，當(dāng)通信載體產(chǎn)生巨大脈沖噪聲干擾時(shí)，比如收發(fā)船發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行通信，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生巨大脈沖噪聲，使得通信系統(tǒng)解碼性能迅速降低甚至解碼失效。

當(dāng)前水聲通信調(diào)制解調(diào)方式主要分為4 種：多進(jìn)制頻移鍵控（Multiple Frequency Shift Keying,MFSK）、單載波多進(jìn)制相移鍵控（Single Carrier Multiple Phase Shift Keying,SC-MPSK）、擴(kuò)頻（Spread Spectrum,SS）和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）水聲通信算法。

MFSK的特點(diǎn)是性能穩(wěn)健但是數(shù)據(jù)傳輸速率低，不能滿(mǎn)足當(dāng)下高速通信的需求[5–6]；SC-MPSK的應(yīng)用使數(shù)據(jù)傳輸速率有了顯著的提高，但是受信道影響大、帶寬利用不充分[7]；擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且可以在低信噪比的條件下保證通信質(zhì)量，但是數(shù)據(jù)傳輸速率低[8–9]。OFDM 是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前已廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信中[10–11]。由于OFDM 采用多載波調(diào)制，在碼元中加入循環(huán)前綴（Cyclic Prefix,CP）來(lái)對(duì)抗多途效應(yīng)，并且能將噪聲的能量分散到各個(gè)子載波上，減小了噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提供可靠通信，在水聲通信系統(tǒng)中被廣泛使用。因此本文提出基于雙編碼策略的水聲OFDM 通信算法（Underwater acoustic OFDM communication algorithm based on dual encoding strategy,DE-OFDM），構(gòu)建抗船舶噪聲和時(shí)變多途干擾的通信體制。

1 DE-OFDM 算法原理

DE-OFDM 算法可有效對(duì)抗多途干擾，其基本思想是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分配到正交的子載波上并行傳輸，當(dāng)子載波帶寬低于信道相干帶寬時(shí)，呈現(xiàn)頻率平坦衰落，再加以CP，從而減小多途的影響。

DE-OFDM 水聲通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在發(fā)射端，輸入比特s首先進(jìn)行信道編碼、交織后，得到交織比特s′；串并轉(zhuǎn)換得到并行交織比特s′′；DQPSK 映射和差分編碼后，得到符號(hào)d；再經(jīng)過(guò)IFFT 變換，得到時(shí)域發(fā)送序列x(m)；添加CP、并串轉(zhuǎn)換、加同步信號(hào)、D/A轉(zhuǎn)換后，得到可被換能器發(fā)出的模擬信號(hào)。在接收端，接收信號(hào)y?(t)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換、同步檢測(cè)、串并轉(zhuǎn)換、去除CP 后，得到時(shí)域接收序列y(m)；經(jīng)過(guò)FFT 變換后，得到符號(hào)；再經(jīng)過(guò)差分解碼和DQPSK 解映射、并串轉(zhuǎn)換后，得到交織比特估計(jì)值；解交織和信道解碼后，可得輸入比特估計(jì)值。

DE-OFDM 算法采用信道卷積編碼，卷積碼輸出的編碼比特不僅與本組的信息有關(guān)，還與前面若干組的信息有關(guān)，可以起到很好的抗干擾作用。（n,k,m）卷積碼在編碼時(shí)把k個(gè)信息比特編成n個(gè)信息比特（k和n通常很?。琺為編碼約束長(zhǎng)度，說(shuō)明編碼過(guò)程中有m組信息比特相互約束。卷積碼的碼率R=k/n，隨著碼率降低，抗干擾能力逐漸增強(qiáng)。本算法（3,1,9）卷積碼如圖2 所示，碼率R=1/3，3 個(gè)輸出比特與當(dāng)前輸入的1 個(gè)信息比特和前8 個(gè)信息比特有關(guān)。編碼運(yùn)算為：

圖2 （3,1,9）卷積編碼器Fig.2 (3,1,9) Convolutional coder

式中：cn為輸出編碼比特，sn為寄存器。

定義 θ為DQPSK 映射后的相位信息序列：

串并轉(zhuǎn)換將相位信息序列分為N塊，每塊長(zhǎng)度為K，滿(mǎn)足I=N×K，相位信息矩陣可寫(xiě)為：

n=0,···,N?1k=0,···,K?1,插入?yún)⒖枷辔沪萺

則此時(shí)相位信息序列為

用前后碼元之間的相位差傳輸信息，差分過(guò)程如圖3 所示。第一列相位 θ0減去參考相位 θr作為差分后的第一列相位d0，θ1減去d0作為差分后的第二列相位d1，以此類(lèi)推。定義d0=θ0?θr，dk=θk?dk?1，經(jīng)差分編碼后可得相位信息為：

圖3 差分編碼Fig.3 Differential coding

差分編碼用前后碼元之間的相位差傳輸信息，經(jīng)差分編碼后的相位信息可表示為d=差分編碼通過(guò)相鄰碼元作差，有效消除了船舶噪聲和時(shí)變多途對(duì)信號(hào)的干擾。通頻帶的前半部分放置d，后半部分放置d的共軛，然后逐列進(jìn)行M點(diǎn)的IFFT 變換如下：

得到時(shí)域矩陣

其中：m=0,···,M?1，k=0,···,K?1；加循環(huán)前綴、并串轉(zhuǎn)換、加同步信號(hào)、D/A 轉(zhuǎn)換后，可得發(fā)送的模擬信號(hào)

經(jīng)過(guò)水聲信道后，得到接收信號(hào)為：

其中，時(shí)變水聲信道多途數(shù)為P，第p條路徑的增益為Ap(t)，時(shí)延為τp(t)，環(huán)境噪聲為ne(t)，船舶噪聲為ns(t)。

在接收端，先進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、同步檢測(cè)、串并轉(zhuǎn)換、去CP 后，得到時(shí)域接收矩陣[8]為：

進(jìn)行FFT 變換，得到：

2 仿真試驗(yàn)

傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。1 幀數(shù)據(jù)由多塊數(shù)據(jù)構(gòu)成，每塊數(shù)據(jù)由循環(huán)前綴CP 和有效傳輸數(shù)據(jù)Data 構(gòu)成，同步頭、同步尾采用線性調(diào)頻信號(hào)，LFM1為幅值2 V的線性調(diào)頻信號(hào)，LFM2為幅值1.2 V的線性調(diào)頻信號(hào)，這是為了避免同步檢測(cè)時(shí)檢測(cè)錯(cuò)誤。

圖4 傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Transmitted data

南海實(shí)測(cè)水聲信道如圖5 所示，DQPSK100 組平均誤碼率如圖6 所示，橫軸表示信噪比（Signal Noise Ratio,SNR），縱軸表示100 組仿真試驗(yàn)平均誤碼率（Bit Error Rate,BER）。當(dāng)信噪比達(dá)到13 dB 時(shí)，DQPSK 100 組仿真試驗(yàn)全部正確解碼。

圖5 實(shí)測(cè)南海信道Fig.5 Measured south China sea channel

圖6 DQPSK100 組平均誤碼率Fig.6 Average BERs for DQPSK 100 groups

3 海上試驗(yàn)

2020 年7 月搭乘膠州灣船舶噪聲測(cè)量試驗(yàn)，租用一條船接收信號(hào)，船上配有220 V，3 000 W 發(fā)電機(jī)，保障設(shè)備供電，該船以4 m/s 速度運(yùn)動(dòng)。水聽(tīng)器與鋼管剛性連接，置放于水下2 m，鋼管與船體剛性連接，因此高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)使得船體震動(dòng)，帶動(dòng)水聽(tīng)器產(chǎn)生震動(dòng)，接收信號(hào)受到船舶噪聲干擾。

試驗(yàn)測(cè)量的歸一化船舶噪聲如圖7 所示。

圖7 實(shí)測(cè)船舶噪聲Fig.7 Measured ship noise

4 水箱試驗(yàn)

水箱長(zhǎng)1.16 m，寬0.76 m，高0.62 m。收發(fā)節(jié)點(diǎn)水平距離0.40 m，換能器和水聽(tīng)器布放深度0.50 m。試驗(yàn)時(shí)用水盆在水面劃水，造成水面波動(dòng)，增強(qiáng)信道時(shí)變性。傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同仿真。

水箱信道圖如圖8 所示，其中橫軸表示時(shí)域抽頭數(shù)，縱軸表示歸一化幅度，對(duì)比圖5 可知水箱信道具有強(qiáng)多途干擾。發(fā)射、接收信號(hào)如圖9 所示，船舶噪聲干擾下的接收信號(hào)如圖9（c）所示。對(duì)比圖9（b）可知船舶噪聲干擾強(qiáng)。

圖8 水箱信道Fig.8 Water tank channel

圖9 水箱試驗(yàn)Fig.9 Water tank test

由于收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離近，環(huán)境噪聲影響小，所以加入隨機(jī)高斯白噪聲，獲得信噪比1～15 dB的接收信號(hào)。采用所提算法，處理帶船舶噪聲的接收信號(hào)，平均誤碼率如圖10 所示，橫軸代表信噪比，縱軸代表DQPSK100 組水箱試驗(yàn)的平均誤碼率，隨著信噪比增大，誤碼率逐漸降低。信噪比為15 dB 時(shí)，100 組幾乎全部正確解碼。水箱試驗(yàn)證明了所提算法適用于船舶噪聲和時(shí)變多途干擾下的可靠水聲通信。

圖10 平均誤碼率Fig.10 Average BERs

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出DE-OFDM 算法，采用信道卷積編碼和差分編碼有效消除了船舶噪聲和時(shí)變強(qiáng)多途干擾，基于循環(huán)前綴技術(shù)以及OFDM 通信技術(shù)固有的抗多途特性，有效消除了時(shí)變多途干擾。南海實(shí)測(cè)信道仿真和水箱試驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法可有效解決船舶噪聲和時(shí)變多途干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可靠水聲通信，可為船舶噪聲干擾下的海洋運(yùn)動(dòng)水聲通信奠定基礎(chǔ)。