周 鋒 張文博 張寶勝 聶東虎 王 洋 劉 兵

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

(海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)) 哈爾濱 150001)

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

1 引言

水聲通信(Underwater Acoustic Communication, UWA)是海洋信息傳輸?shù)囊环N重要方式，在海洋信息學(xué)領(lǐng)域占有重要地位。水聲通信信道具有嚴(yán)重的相干多徑干擾和噪聲，這使得UWA通信比其他無線電通信更加困難[1,2]。擴(kuò)頻通信技術(shù)由于具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能有效抵抗多徑干擾和噪聲，保證信息傳輸?shù)母呖煽啃浴Ｒ虼?，選擇擴(kuò)頻技術(shù)來調(diào)制UWA通信中的UWA信號[3-5]。

從射線聲學(xué)的角度來看，UWA信號從聲源發(fā)射，并沿不同路徑的聲線到達(dá)接收器[6]，因此，由于UWA信道的多徑干擾，接收信號具有典型的時空特性。合理利用接收信號的這一特性可以有效利用多徑信道的結(jié)構(gòu)，提高接收機(jī)的檢測性能。

本文提出了一種基于空時簇處理的UWA擴(kuò)頻通信方案。發(fā)射信號通過擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行調(diào)制。為了利用UWA信號的時空特性，本文使用水聽器的垂直線陣列(Vertical Line Array, VLA)接收信號，設(shè)計了一個空時處理器來提取和利用接收端的這些空時簇。這種接收方案可以有效地提高通信系統(tǒng)的可靠性。仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該通信方案在干擾嚴(yán)重的海洋環(huán)境中仍然具有良好的魯棒性。

2 信道與系統(tǒng)模型

一般來說，UWA信道是時變和空變隨機(jī)信道?？偨邮招盘柺墙邮掌魈幩新暰€傳輸?shù)男盘柕南喔莎B加。由于不同聲線的影響，接收信號表現(xiàn)出明顯的時空特征[7]。通常，我們忽略介質(zhì)吸收的頻率特性，并假設(shè)沿任何路徑都沒有色散。假設(shè)存在L條路徑，且沿每個單獨(dú)傳播路徑的聲信號波形保持不變。因此，UWA信道的脈沖響應(yīng)為

通信系統(tǒng)的位置如圖1所示，接收機(jī)使用VLA來接收UWA信號。假設(shè)VLA位于遠(yuǎn)場，所以UWA信號入射到VLA的是平行平面波。

圖1 多路徑信號模型和系統(tǒng)布局圖

通信系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。在發(fā)射端，首先采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)對信號進(jìn)行調(diào)制，然后對BPSK信號進(jìn)行脈沖整形濾波，以減少符號間干擾，這里采用可用于接收機(jī)的平方根升余弦濾波器。然后，采用傳統(tǒng)的直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)、M元擴(kuò)頻、循環(huán)移位鍵控(Cyclic Shift Keying, CSK)或M元循環(huán)移位鍵控(M-ary Cyclic Shift Key, MCSK)對形成的基帶信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制[8-10]。載波調(diào)制將信號的頻譜移到高頻，然后將信號發(fā)送到UWA信道。

圖2 基于空時處理的水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖

在接收器處，由VLA接收的信號首先由帶通濾波器濾波，以便獲得載波頻帶的信號，有效地濾除其他頻段的噪聲。然后將這些信號發(fā)送到空時處理器，利用水聲信號的空時分簇特性，得到各個方向的多徑信號。根據(jù)最大比合并準(zhǔn)則，這些方向信號的合并可以有效地提高接收信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)，能更準(zhǔn)確地恢復(fù)原始信息[11]。

3 傳輸信號模型

在該系統(tǒng)中，由擴(kuò)頻信號傳輸?shù)亩M(jìn)制原始信息。系統(tǒng)傳輸信息的信號表示為

4 空時處理器

接收機(jī)的空時處理器框圖如圖3所示。當(dāng)接收到的信號被發(fā)送到空時處理器時，先估計所有多徑的DOA，通過在這些DOA方向形成波束以獲得各個方向上的多徑信號。使用匹配追蹤算法估計各個DOA方向上的多徑信號時延，得到多個以DOA方向分組的具有信息的時空簇。

圖3 空時處理器的框圖

4.1 DOA估計

在該系統(tǒng)中，檢測信號為線性調(diào)頻信號，信息信號為擴(kuò)頻信號，都是典型的寬帶信號。VLA接收的信號是多徑信號的相干疊加。在空時處理器中應(yīng)選擇適合相干寬帶信號的DOA估計算法。

4.2 波束形成

波束形成技術(shù)是指對每個陣元的輸出進(jìn)行加權(quán)求和，讓陣列的輸出信號可以使同一方向入射的信號通向疊加[17]。然后，陣列將在該方向產(chǎn)生主波束，并在其他方向產(chǎn)生較小的響應(yīng)。對于線性陣列，選取第1個陣元的相位作為參考相位，將各陣元的相位調(diào)整到參考相位。

在VLA接收信號下，m陣元的時延為

采樣分?jǐn)?shù)時延濾波器能獲得采樣間隔的分?jǐn)?shù)時延，從而精確地實(shí)現(xiàn)陣列每個陣元接收到的期望方向信號的同相疊加。令

5 系統(tǒng)性能分析

通過仿真驗(yàn)證了本文所提出的通信系統(tǒng)的性能，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

當(dāng)信噪比為-15 dB時，通過DOA估計獲得的空間譜如圖4所示?？梢钥闯觯?節(jié)提出的方法能夠在負(fù)信噪比條件下準(zhǔn)確估計多徑信號的DOA。

圖4 DOA估計出的仿真信道對應(yīng)的空間譜圖

在空時處理器之后，估計的空時分布圖如圖5所示，顯示了接收到的UWA信號的空時簇特性。如果信道在信號傳輸過程中是線性時不變的，則可以得到多徑信號的時空簇。圖5表明，在每個DOA中有兩個多徑，因此我們可以在每個DOA中使用Rake接收機(jī)。即采用空時2維Rake接收機(jī)對UWA信號進(jìn)行處理，可以有效提高通信系統(tǒng)的正確傳輸概率。

圖5 多徑信號的時空分布

首先，利用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制信息信號，并假設(shè)信噪比為-12 dB。如果發(fā)送的信息量是300 bit，則在圖6展示了不同接收模式下的星座圖。從星座圖的對比分析可以看出，當(dāng)信號由單個陣元接收時，星座圖是模糊的，當(dāng)信噪比為-12 dB時，星座圖是無法直接解碼的。Rake接收機(jī)接收到信號后，星座圖得到改善。在接收到VLA信號后，能很容易地識別星座。如果采用空時2維Rake接收機(jī)對接收到的信號進(jìn)行處理，可以清晰地識別星座，有利于接收機(jī)的正確判決。對接收信號進(jìn)行空時2維聯(lián)合處理可以同時獲得時間增益和空間增益。

圖6 不同接收模式下的星座圖

表2 仿真模擬的多徑信道參數(shù)

為了模擬真實(shí)的UWA多徑信號，本文利用Bellhop射線追蹤程序模擬海洋環(huán)境。假設(shè)海洋深度為2000 m，海洋中的聲速是均勻的，即1500 m/s，距離海面最近的VLA的發(fā)射器和陣列元件均位于500 m深度處。VLA中的陣元數(shù)為12，相鄰陣元之間的距離為0.25 m。接收器和發(fā)射器之間的水平距離為3.5 km。到達(dá)每個陣列陣元的信號路徑可以視為相同。在每個陣元處測得的信道沖激響應(yīng)只有微小的差異，這導(dǎo)致每個陣元接收到的信號有很小的延時和振幅衰減差異。以離海面最近的陣元為例，bellhop產(chǎn)生的多徑信道參數(shù)信息如表3所示。

當(dāng)信噪比為-15 dB時，通過DOA估計獲得的空間譜如圖7所示。可以看出，在估計的空間譜中有兩個明顯的譜峰，對應(yīng)表3的多徑角度；當(dāng)SNR低至-15 dB時，仍然可以估計多徑信號的方向。

圖7 通過DOA估計獲得的空間譜

表3 多徑信道參數(shù)

當(dāng)信噪比范圍為-15～-10 dB時，DSSS通信系統(tǒng)在3種接收模式下的誤碼率曲線如圖8所示。當(dāng)信噪比為-15 dB時，對接收信號進(jìn)行空時處理仍能使誤碼率保持在較低水平，則直擴(kuò)通信系統(tǒng)工作正常。

圖8 誤碼率曲線的比較

但當(dāng)信號由單個陣列單元接收時，在相同信噪比下誤碼率約為0.5，不能正確解碼，是3種接收模式中性能最差的。這表明，對接收信號進(jìn)行空時處理可以降低對通信系統(tǒng)信噪比的要求，使其在高噪聲條件下保持魯棒性。

我們對基于空時處理的UWA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻調(diào)制方式進(jìn)行了改進(jìn)，比較了擴(kuò)頻通信在DSSS、M元、CSK和M-CSK下的性能，獲得的BER曲線如圖9所示?？梢钥闯?，DSSS調(diào)制下的系統(tǒng)具有最好的抗誤碼性能。因?yàn)橹苯有蛄袛U(kuò)頻系統(tǒng)只使用1個擴(kuò)頻序列，并且擴(kuò)頻序列在接收機(jī)處不受互相關(guān)干擾。雖然在其他3種調(diào)制方式下通信系統(tǒng)的誤碼率都有所升高，但系統(tǒng)的通信速率高于直接序列擴(kuò)頻調(diào)制。事實(shí)上，UWA通信對信噪比和通信速率的要求可以通過選擇合適的擴(kuò)頻調(diào)制來調(diào)制發(fā)射信號。

圖9 利用多徑信號時空分布的通信方法誤碼率性能比較

為了驗(yàn)證所提出的UWA通信算法的有效性，于2020年12月在哈爾濱工程大學(xué)水聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選擇的信道池存在一定的多徑干擾。那天晚上沒有其他人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以環(huán)境相對安靜。一臺個人計算機(jī)與功率放大器和發(fā)射換能器相連，傳輸信息信號。使用VLA來接收信號。線陣的陣元數(shù)為8，相鄰陣元之間的距離均勻?yàn)?.18 m。取離水面最近的有效陣元作為參考陣元，序號設(shè)為1。發(fā)射傳感器放置在2 m的深度，VLA的中心位于相同的深度。發(fā)射傳感器和VLA之間的水平距離為5 m。

發(fā)送的信號如圖10所示。攜帶信息信號前的第1個LFM信號用于時間同步，第2個LFM信號用于信道估計或接收信號的DOA估計，后續(xù)說明信息信號時將省略對前端LFM信號的提及。

圖10 信號幀結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)中的采樣頻率設(shè)置為50 kHz。發(fā)射信號均為寬帶信號，頻帶為3～5 kHz。可以計算出VLA位于發(fā)射換能器的遠(yuǎn)場，接收到的UWA信號可以看作平行平面波。實(shí)驗(yàn)中傳輸了MCSK調(diào)制的信號，信息量為900 bit，擴(kuò)頻碼周期為15。

以第8個陣元為例，通過匹配追蹤算法計算的UWA信道單位脈沖響應(yīng)如圖11所示?？梢钥闯?，信道中存在一定的多徑干擾，多徑的存在會引起接收信號波形的一定失真和延遲。

圖11 UWA信道的脈沖響應(yīng)

為了比較水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在不同接收模式下的性能，我們在發(fā)送信號中加入一定量的噪聲，信噪比為-10 dB。在數(shù)據(jù)處理過程中，提出的DOA估計方法用于估計接收信號的空間譜。獲得的空間頻譜如圖12所示?？梢钥闯?，在空間譜中存在兩個明顯的譜峰，這表明只能估計多徑信號的兩個入射角。在波束形成后，兩個峰值角的相對時間時延約為0 ms和0.64 ms。

圖12 估計的空間譜

在傳輸M元CSK調(diào)制的信息信號時，我們分析了3種情況下的通信系統(tǒng)：單水聽器接收信號、VLA接收信號的同相疊加和VLA接收信號后的空時處理。以單個信號為例，當(dāng)采用不同的接收方法時，接收機(jī)處第1個碼元MCSK的歸一化相關(guān)結(jié)果如圖13所示。對單個水聽器接收到的信號進(jìn)行處理，歸一化相關(guān)結(jié)果沒有明顯的峰值，容易出現(xiàn)誤判。當(dāng)VLA接收到信號并進(jìn)行同相疊加時，歸一化相關(guān)結(jié)果顯示出明顯的峰值。對接收信號進(jìn)行空時處理后，相關(guān)結(jié)果的峰值最為突出，錯誤判決的概率最低。為了量化相關(guān)判決的效果，計算了3種接收模式下判決矩陣中的最大值與其他判決值的平均絕對值之比，并把所有碼元的比值進(jìn)行統(tǒng)計平均，列入表4中。當(dāng)處理信號水聽器接收到的信號時，第1個碼元判決矩陣峰均比為2.6962，最大值的位置為誤差。當(dāng)將VLA接收到的信號同相疊加時，第1個碼元判決矩陣峰均比為4.8152，解碼正確。當(dāng)使用空時處理器時，第1個碼元判決矩陣峰均比5.0616，解碼是正確的。

圖13 不同接收模式下M元CSK判決歸一化相關(guān)輸出結(jié)果

不同接收模式下通信系統(tǒng)的平均誤碼率如表4所示?？梢钥闯觯琕LA接收到的信號的相干疊加可以有效地提高接收機(jī)信息的正確判決概率。當(dāng)VLA接收到有用信號時，其能量增加，從而獲得了空間增益。當(dāng)使用空時處理器時，系統(tǒng)的抗誤碼性能會略有提高。由于空時2維聯(lián)合處理可以同時獲得空間增益和時間增益，接收信噪比得到顯著提高。

表4 不同接收模式下MCSK調(diào)制的平均判決矩陣峰均比與誤碼率

6 總結(jié)

本文介紹了一種基于空時處理的水聲擴(kuò)頻通信技術(shù)。該技術(shù)利用UWA信號的時空分簇特性對接收信號進(jìn)行處理，先用陣列接收信號估計多徑的入射角，再對這些入射方向形成波束，對每個波束輸出的多徑信號進(jìn)行Rake接收判決，最后對各波束輸出信息進(jìn)行合并，相同信噪比下，誤碼率比單水聽器接收或單波束接收都更低，可有效提高可靠性。本文詳細(xì)介紹了空時處理器的工作原理，并通過仿真和水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。