郭鐵梁， 趙旦峰

（1.梧州學(xué)院a.電子與信息工程學(xué)院；b.廣西機(jī)器視覺與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西梧 州 543002；2.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引 言

深海水聲通信存在的最大困難就是各種干擾，深海水聲信道的多徑時(shí)延可達(dá)到數(shù)秒量級(jí)，還有復(fù)雜的環(huán)境干擾，這些干擾極易引起聲信號(hào)的傳播失真，對(duì)深海水聲通信產(chǎn)生不利影響［1］。為在教學(xué)中使學(xué)生深入了解如何對(duì)抗深海水聲通信最大的干擾—多徑時(shí)延擴(kuò)展，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用了Pattern時(shí)延差編碼（Pattern Time Delay Shift Coding，PDS）通信技術(shù)［2］，把被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（Passive Time Reversal Mirror，PTRM）技術(shù)應(yīng)用于PDS系統(tǒng)中［3］，上述技術(shù)的結(jié)合在對(duì)抗深海信道多徑干擾上具有一定的優(yōu)勢(shì)，把矢量信號(hào)處理技術(shù)［4］應(yīng)用到上述系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的輸入信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)深海通信，將PTRM-PDS通信系統(tǒng)［5］與矢量信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)水聲通信PTRM-PDS系統(tǒng)的全過程進(jìn)行仿真，這有利學(xué)生對(duì)PTRM-PDS通信系統(tǒng)的理解。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在低SNR和較強(qiáng)多徑情況下進(jìn)行高速率通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 PDS通信原理與矢量信號(hào)處理

PDS基本原理如圖1所示，在發(fā)送信息碼元中，由不同起始位置的Pattern碼元，攜帶有用信息［6］。

圖1中：Δτ＝（T0-Tp）/（2n-1）為編碼量化單位；序號(hào)k＝0，1，…2n-1；Tp為Pattern碼元長度；T0為所發(fā)送的總信息碼元長度；n為一個(gè)信息碼元所攜帶的bit數(shù)。Pattern時(shí)延差編碼屬于脈位調(diào)制，每個(gè)碼元攜帶不同的信息，通過kΔτ的不同大小，即Pattern碼的不同起始位置來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐粋€(gè)長為T0的碼元含有的信息為n bit，所以Pattern時(shí)延差編碼的通信速率Rb＝n/T0bit/s。

對(duì)聲源方位進(jìn)行估計(jì)以及綜合應(yīng)用聲壓、振速矢量信號(hào)對(duì)抗深海信道干擾的理論基礎(chǔ)是與矢量水聽器偶極子指向性相關(guān)的電子旋轉(zhuǎn)技術(shù)。對(duì)深海水聲通信，遠(yuǎn)場聲信號(hào)近似為平面波，矢量水聽器接收機(jī)的輸出振速和聲壓具有一致相關(guān)性，p為矢量水聽器輸出的聲壓，vx、vy分別為x、y方向上的振速分量，設(shè)vx和vy的線性組合信號(hào)為vc［7-8］，圖2給出了矢量信號(hào)應(yīng)用原理圖。

1.2 加權(quán)直方圖方位估計(jì)與PTRM技術(shù)

加權(quán)直方圖方位估計(jì)是一種統(tǒng)計(jì)算法［9］，圖3所示為加權(quán)直方圖方位估計(jì)的原理，首先解析處理矢量水聽器的輸出聲壓、振速矢量信號(hào)，將聲壓與振速的兩個(gè)分量分別做互譜計(jì)算，進(jìn)行加權(quán)直方圖統(tǒng)計(jì)得到所有頻點(diǎn)上的方位估計(jì)曲線，曲線的最大值即為方位估計(jì)結(jié)果。

被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（PTRM）技術(shù)，不同于時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（TRM），PTRM陣元只帶接收功能［10］，PTRM技術(shù)能有效抑制碼間干擾，用簡單的算法在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，PTRM的應(yīng)用原理如圖4所示。

圖4中，發(fā)射器首先發(fā)射探測信號(hào)d（t），然后發(fā)射s（t），接收器將探測接收信號(hào)dr（t）與d（t）的時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)d（-t）作卷積運(yùn)算得到d′（t），d′（t）再經(jīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)得到d′（-t），最后將d′（-t）與隨后的接收信號(hào)sr（t）進(jìn)行卷積運(yùn)算得到最終接收信號(hào)r（t），至此接收器就完成了PTRM的運(yùn)算處理過程。

1.3 深海PTRM-PDS系統(tǒng)

將矢量信號(hào)處理、加權(quán)直方圖方位估計(jì)和PTRM技術(shù)與Pattern時(shí)延差編碼相結(jié)合，設(shè)計(jì)成PTRM-PDS通信系統(tǒng)，一般情況下將系統(tǒng)的總帶寬分成若干個(gè)子帶，構(gòu)成較高通信速率的深海多信道PTRM-PDS通信系統(tǒng)［11］。深海PTRM-PDS通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

將編碼后的3個(gè)子信道信號(hào)疊加得到s（t），中間經(jīng)歷矢量運(yùn)算及方位估計(jì)過程，經(jīng)PTRM處理后得到r（t），將r（t）通過信道解碼器進(jìn)行解碼。

2 系統(tǒng)仿真與分析

2.1 深海信道模型及參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)使用《206拖曳線列陣聲吶作用距離預(yù)報(bào)系統(tǒng)》中深海信道模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真［12］，利用射線聲學(xué)理論建立深海多徑信道模型［13］。兩種典型的信道沖激響應(yīng)如圖6所示，圖6（a）為水平距離50 km，收、發(fā)節(jié)點(diǎn)均位于1 km水深的情況，這個(gè)位置恰好是深海聲道軸；圖6（b）則為水平距離30 km，收、發(fā)節(jié)點(diǎn)分別位于150 m、1 km水深，位于非聲道軸處。

表1所示為深海PTRM-PDS通信系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置。

表1 深海PTRM-PDS系統(tǒng)仿真參數(shù)

如圖7所示為深海PTRM-PDS通信系統(tǒng)的仿真流程圖，系統(tǒng)仿真中的編解碼均為3信道，系統(tǒng)噪聲為高斯白噪聲。

2.2 仿真分析

在設(shè)定信道沖激響應(yīng)模型及通信系統(tǒng)仿真參數(shù)之后，利用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，圖8所示為3個(gè)信道編碼器編碼后的疊加碼形。

如圖9所示為信號(hào)通過信道前、后的波形比對(duì)。圖9（a）為附加了同步碼的發(fā)射信號(hào)，加上一段時(shí)隙，目的為減緩深海多徑信道對(duì)其后面信號(hào)的影響［14］。圖9（b）為發(fā)射信號(hào)經(jīng)過深海信道之后的波形，對(duì)比圖9（a）、（b），可見，多徑時(shí)延擴(kuò)展增加了發(fā)射信號(hào)的長度，說明增加時(shí)隙非常重要，否則會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。

如圖10所示為矢量處理信號(hào)波形，圖10（a）為矢量水聽器接收到的聲壓信號(hào)，圖10（b）為x軸方向上的振速分量。從圖中可知，聲壓與振速波形相似。圖10（c）為vx和vy的合成信號(hào)vc。

如圖11所示為方位估計(jì)結(jié)果，仿真設(shè)定目標(biāo)方位角θ＝50°，而圖中在方位48°位置上波形出現(xiàn)最大值，可知方位估計(jì)的誤差約為2°，由此可見，對(duì)于實(shí)際的PTRM-PDS通信系統(tǒng)來說，該估計(jì)方法具有較高的準(zhǔn)確性。

如圖12（a）所示為深海信道沖激響應(yīng)估計(jì)［15］，由于PTRM技術(shù)的應(yīng)用，使得信道的估計(jì)波形與原波形相近，將圖12（a）與圖6對(duì)比可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。圖12（b）為幅度已經(jīng)歸一化的時(shí)反信道，可見，此時(shí)反信道具有近似為單位沖激響應(yīng)的主峰。將矢量處理后的信號(hào)經(jīng)過時(shí)反信道，得到PTRM輸出信號(hào)r（t），如圖12（c）所示。

被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)過程的輸出信號(hào)r（t）經(jīng)濾波之后，再將r（t）進(jìn)行解碼，接下來進(jìn)行重置相干解碼［16］，如圖13所示。

如圖13所示為重置相干解碼的一個(gè)波形，根據(jù)圖13中的最大幅值對(duì)應(yīng)的時(shí)間可推測對(duì)應(yīng)信息碼的時(shí)延差，為作為對(duì)比分析，將拷貝相關(guān)碼作為參考信號(hào)，由圖14可知，拷貝相關(guān)碼信號(hào)的高幅值較多且相近，在這種情況下就很難對(duì)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，因此相干重置對(duì)于解碼具有非常重要的作用。

2.3 誤碼率分析

誤碼率（BER）分析，可以利用圖6（a）、（b）兩種較為典型的深海信道，圖6（a）為深海聲道軸（1 km水深）的沖激響應(yīng)，對(duì)于中遠(yuǎn)距離水下通信的應(yīng)用有重要參考價(jià)值［17］，圖6（b）為信道多徑時(shí)延干擾較大。如圖15所示為上述2種信道沖激響應(yīng)下3個(gè)子信道的部分誤碼率，圖15（a）為深海聲道軸信道BER，圖15（b）為深海非聲道軸信道BER。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置見表1，通過在輸入SNR小于12 dB情況下BER的部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來分析系統(tǒng)的性能。

由圖15可見，如果輸入的SNR相同，圖6中信道（a）深海聲道軸的BER要比信道（b）低將近50%，為獲得較低的BER，在通信時(shí)可以把發(fā)射器和接收器放在聲道軸上。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合矢量信號(hào)處理、方位估計(jì)等技術(shù)，綜合構(gòu)建設(shè)計(jì)深海PTRM-PDS通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，利用Matlab仿真完成上述通信系統(tǒng)及模型的驗(yàn)證。仿真結(jié)果可以使學(xué)生了解該系統(tǒng)在深海水聲通信中的性能，利用深海聲道軸聲傳播的特性，可以實(shí)現(xiàn)距離較遠(yuǎn)的深海水聲通信。另從研究性教學(xué)的角度，還可啟發(fā)學(xué)生，通過更多子信道可大幅提高通信速率，增加Pattern碼元數(shù)量可有效提高系統(tǒng)的抗多徑能力。深海PTRM-PDS通信系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生全面了解如何建立高效可靠的深海水聲通信系統(tǒng)，通過這種教學(xué)方式有利于激發(fā)學(xué)生的科研意識(shí)，提高學(xué)生的科研能力，這是科學(xué)研究促進(jìn)教學(xué)的一個(gè)典型范例。