李碩 劉曉英

摘? 要：近年來，海洋研究領(lǐng)域中的水聲通信網(wǎng)絡(luò)成了熱點。然而，水聲通信中偶爾會有丟幀、誤碼等情況出現(xiàn)，為找出對應(yīng)影響因素并制定合理的解決措施，有必要進(jìn)行水聲信號采集與處理的研究。基于此，本文簡單介紹了水聲通信系統(tǒng)，分析了水聲通信噪聲來源及水聲通信信號采集與處理，同時結(jié)合相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，對該技術(shù)在消除水聲信道中接收端信號受噪聲干擾的實質(zhì)作用展開了研究，以供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：水聲通信? 信號采集? 噪聲來源? 信號處理

中圖分類號：TB56 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0070-03

Analysis of Underwater Acoustic Communication Signal Acquisition and Processing

LI Shuo1? LIU Xiaoying2

（1.National Defense University of PLA China， Beijing， 100856 China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan， Hubei Province， 430064 China）

Abstract： In recent years， underwater acoustic communication network in the field of marine research has become a hot spot. However， there are occasional frame loss and bit error in underwater acoustic communication. In order to find out the corresponding influencing factors and formulate reasonable solutions， it is necessary to study underwater acoustic signal acquisition and processing. Based on this， this paper briefly introduces the underwater acoustic communication system， analyzes the noise source of underwater acoustic communication and the acquisition and processing of underwater acoustic communication signals， and studies the substantive role of this technology in eliminating the noise interference of receiver signals in underwater acoustic channel， for reference.

Key Words： Underwater acoustic communication; Signal acquisition; Noise source; Signal processing

近年來，水聲通信質(zhì)量要求持續(xù)提高，用于處理水下通信的聲信號已成為水下通信領(lǐng)域的重要技術(shù)手段之一。而作為水下信號處理應(yīng)用關(guān)鍵形式之一的水聲通信系統(tǒng)，在處理水聲通信傳輸?shù)乃曅盘栔?，必然會?jīng)歷采集水聲數(shù)據(jù)這一環(huán)節(jié)。研究水聲通信系統(tǒng)時，測試設(shè)備性能和多樣化發(fā)揮著決定性的作用，同時測試設(shè)備能否在復(fù)雜的水下環(huán)境中正常運(yùn)行，也會影響設(shè)備間通信。

1? 水聲通信噪聲來源

由于水下環(huán)境非常復(fù)雜，因此噪聲已成為嚴(yán)重干擾水聲信道中信號的主要因素，具體包含以下幾類。（1）動態(tài)噪聲，指水下洋流、地震、波浪、潮汐、湍流和風(fēng)引起的噪聲。其中高頻噪聲主要是由海上波浪和涌流引起的，低頻主要是由地震、潮汐和湍流引起的[1]。（2）生物噪聲，主要是由海洋中的生物活動引起的噪聲，其是由魚類和蝦群、鯨魚、鯊魚和海豚等水下生物的活動引起的。生物噪聲通常在黃昏之前開始，隨著時間的流逝，噪音變得越來越強(qiáng)烈，直到日落之后達(dá)到最高。（3）熱噪聲，主要由海水介質(zhì)的熱運(yùn)動引起，這也與收集水聲信號的水聽器介質(zhì)有關(guān)。熱噪聲的頻譜級別比其他類型的噪聲要小得多，因此在大多數(shù)情況下可以忽略不計。（4）人為噪聲，主要是由海洋中的人類活動引起的，尤其是船舶的機(jī)械操作，在海洋中航行的船舶以及港口的人類活動等[2]。此類噪聲在近海水域具有很大的噪聲值，有時甚至達(dá)到峰值。

2? 水聲通信信號采集

2.1 水聲數(shù)據(jù)采集

本文在海深大于30m、海底平坦的海域處部署了水聽器，分別觀測采集1km、2km位置處接收系統(tǒng)信號，并做好系統(tǒng)接收情況的記錄。一定深度處部署的水聽器，包含手動按鍵和上位機(jī)采集兩種聲信號采集方式，本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，選擇手動按鍵采集展開分析。該采集方式應(yīng)用中，涉及的步驟如下。（1）開后蓋，用螺絲刀旋起6個后蓋螺絲。旋進(jìn)2個頂蓋螺絲，后蓋脫落。（2）取電子倉，后蓋螺絲旋入電子倉后端2個螺孔，抽出電子倉。注意保證設(shè)備垂直，水聽器朝下。（3）取TF卡，TF卡裝入讀卡器，讀卡器連接上位機(jī)。（4）清空TF卡，打開“TF卡提取數(shù)據(jù)”軟件。確認(rèn)寫入正確磁盤號后，點擊“清除”。（5）安裝TF卡，斷開讀卡器，撤下TF卡。將TF卡安裝至采集卡。（6）采集卡上，連接電源接插件。（7）對時，打開“HBAQ04控制端”軟件（模擬控制），選擇正確串口號，點擊運(yùn)行按鈕。連接設(shè)定接插件電纜，點擊查詢狀態(tài)及授時按鈕。（8）按鍵開始采集，長按采集卡按鍵，直到白色LED閃爍后松開按鍵，采集卡進(jìn)入手動采集狀態(tài)，觀察紅色TF卡讀寫指示燈是否閃爍，判斷是否進(jìn)入手動采集狀態(tài)。（9）裝入電子倉，放入后蓋前端O型圈，該O型圈可防止電子倉與耐壓殼體碰撞產(chǎn)生噪聲，影響采集效果。（10）裝后蓋，清理后蓋密封O型圈，均勻涂抹硅脂，安裝后蓋，對稱旋緊6枚后蓋螺絲。（11）采集設(shè)備安裝好后，可下水使用。（12）采集完成后，收回采集設(shè)備。（13）開后蓋，取電子倉。（14）觀察紅色TF卡讀寫指示燈是否閃爍。（15）按鍵停止采集，單擊按鍵，紅色TF卡讀寫指示燈熄滅，必須在非采集狀態(tài)下方可撤下電源。（16）系統(tǒng)掉電，撤出電源接插件。（17）取TF卡，數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)回放。

采集開始的時間應(yīng)比設(shè)備下水時間更早，通過記錄下水時間，有利于后續(xù)提取處理數(shù)據(jù)效率的提高。設(shè)備下水時為高頻信號發(fā)送，發(fā)射功率為全功率，接收正常（間隔約1km處）;下調(diào)功率為1/4時，依然能夠成功接收;下調(diào)功率為1/8時，有誤碼及程度不一的丟幀情況產(chǎn)生。

采集數(shù)據(jù)參數(shù)有3個設(shè)置選項，分別為采樣和截止頻率、程控濾波器增益。采集參數(shù)可使用上位機(jī)完成設(shè)置，但重新上電后設(shè)置自動改為默認(rèn)值（100ksps/30kHz/8倍）。

設(shè)置任務(wù)時，開始、停止時間一同將采集參數(shù)寫入任務(wù)。待讀取完每項任務(wù)后，會以任務(wù)設(shè)置為根據(jù)自行改變采集參數(shù)。如果后續(xù)為手動采集狀態(tài)，采集參數(shù)會根據(jù)任務(wù)中的參數(shù)設(shè)置繼續(xù)采集。參數(shù)采集中，有關(guān)模擬電路整體增益的計算公式為：

其中，A表示放大模擬電路的總增益（dB）;20.5表示放大前置放大器的倍數(shù);F表示放大濾波器設(shè)置的倍數(shù);2表示放大單端轉(zhuǎn)差分信號的倍數(shù)。取濾波器放大8倍，約有50.3dB的總增益、328倍的放大倍數(shù);取濾波器放大16倍，約有56.3dB的總收益、656倍的放大倍數(shù)。

2.2 水聲信號預(yù)處理

基于信號采集的水聲信號處理中，由于水下環(huán)境復(fù)雜性較高，預(yù)處理階段需要合理選擇接收與發(fā)送端的換能器[3]。發(fā)送端發(fā)射換能器一般以體積小、輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高的為主，接收端通常會同時運(yùn)行多個接收換能器，因此應(yīng)以頻帶寬、分辨率高、靈敏度高、無相位差且頻率一致的為主。

接收信號通過水聲信道傳輸后，其大小取決于信號頻率、接收距離等參數(shù)，且關(guān)聯(lián)著水聲信道多徑干擾構(gòu)成的幅度衰弱，此時會降低信號檢測性能，通過自動增益控制能維持一致的衰落信號幅度。自動增益控制電路包含1個乘法器和1個除法器，如圖1所示。

擬定輸入信號為，輸出經(jīng)線性檢波后為，此時除法器輸出為，其中表示電壓參考值，通過乘法器后輸出為，此時能確定最終輸入信號幅度沒有超過電壓參考值，呈現(xiàn)出恒定的輸出。

發(fā)射換能器端波形輸出最佳的條件下為最佳波形設(shè)計，此時在功率相同的基礎(chǔ)上能實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸。

2.3 后置處理與同步捕獲

細(xì)化的快速傅里葉算法（zoom-FFT）是以離散傅里葉變換的頻移原理為基礎(chǔ)的方法，在多普勒頻移修正中能夠抑制計算量大幅增加的情況[4]。以1/8功率發(fā)射信號為對象進(jìn)行zoom-FFT，能使信號頻率局部改善和放大。根據(jù)相關(guān)資料顯示，假設(shè)為其需要細(xì)化的頻帶中心頻率時，信號與相乘進(jìn)行數(shù)字化平移后，處譜線會移至頻率軸0的位置，結(jié)合低通濾波器將細(xì)化頻段外頻率成分濾除，同時采取細(xì)化倍數(shù)作為間隔并再次采樣，最后采取FFT變換的方式處理再次采樣的數(shù)據(jù)，并重新排序變換結(jié)果。

目標(biāo)識別中，開始于接收信號中判斷出碼元的時刻，將作為同步信號的線性調(diào)頻信號（LFM）加入幀頭部，捕獲同步信號并識別目標(biāo)。圖2呈現(xiàn)了幀結(jié)構(gòu)。

圖2中，線性調(diào)頻信號（LFM）同步頭與信號碼元共同組成了每一幀，每幀攜帶byte有20個，線性調(diào)頻信號同步頭呈現(xiàn)20～30kHz的高頻率，LFM信號持續(xù)50ms后間隔50ms。碼元信號中，每幀包含的碼元有32個，持續(xù)20ms后間隔20ms。接收端處，選擇Tdata寬度對每個監(jiān)測窗口掃描，在MATLAB中對相應(yīng)信息碼元的采樣信號展開FFT運(yùn)算，同時以對應(yīng)的頻率點為根據(jù)展開解碼[5]。

3? 水聲通信信號處理

選擇1/8發(fā)射功率時，發(fā)現(xiàn)有丟幀情況發(fā)生在接收端，可判定噪聲干擾會引起丟幀情況。借助HBAQ顯示平臺及控制終端處理上文采集的數(shù)據(jù)，提取到MATLAB中實施LFM同步捕捉、FFT變換、濾波。在傳輸距離維持相等的情況下，對比全功率發(fā)射信號得知，丟幀的原因主要是受高頻噪聲影響。

鑒于信道中噪聲影響的緣故，本文擬結(jié)合語音增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，使接收信號受接收端高頻噪聲的影響能夠減少，具體步驟為：通過靜音檢測方法的應(yīng)用，獲取水下聲通道中噪聲時域信號，結(jié)合傅里葉變換完成噪聲頻域信號的獲取，于接收端處通過傅里葉逆變換恢復(fù)頻域信號為時域信號，如此一來即可將信道中噪聲干擾消除[6]。低頻噪聲中，通過主動消除技術(shù)的應(yīng)用，人為地在信號接收端處進(jìn)行“第二噪聲源”的創(chuàng)建，此時外部音頻噪聲產(chǎn)生的聲場會抵消第二噪聲源產(chǎn)生的聲場，最終即可減少外部噪聲的影響。

通過語音增強(qiáng)和主動消除技術(shù)的應(yīng)用，1/8發(fā)射功率的條件下，能夠顯著減小高頻和低頻帶給接收端信號的影響，這也表明了水聲通信系統(tǒng)中通過應(yīng)用語音增強(qiáng)和主動消除技術(shù)，有利于通信性能的提升。

4? 結(jié)語

綜上所述，近年來海洋勘探與開發(fā)步伐不斷加速，低效的水下數(shù)據(jù)傳輸已無法將實際需求滿足，因此人們對可靠且高速的水下聲通信技術(shù)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。本文結(jié)合前人研究成果，研究了水聲信號采集與處理，旨在實現(xiàn)接收端同步接收和通信異常的問題解決，促進(jìn)通信性能的提高。在丟幀問題解決方面，結(jié)合已有相關(guān)文獻(xiàn)，獲取了低功率發(fā)射情況下海洋環(huán)境噪聲為主要影響因素的結(jié)果，并結(jié)合對應(yīng)的方法弱化了影響，能獲取更可靠且質(zhì)量更高的水聲信號。

參考文獻(xiàn)

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[3] 姜楠，王彬.基于稀疏自動編碼網(wǎng)絡(luò)的水聲通信信號調(diào)制識別[J].信號處理，2019，35（1）：103-114.

[4] 陳潤德.水聲通信信號采集與處理分析[D].西寧：青海師范大學(xué)，2020.

[5] 王詩雨.水聲通信自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)與MAC協(xié)議研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

[6] 楊少凡，郭中源，肖東，等.偽裝水聲通信信號波形設(shè)計及其應(yīng)用[J].聲學(xué)學(xué)報，2019，44（1）：88-97.