陳博恒, 王明洲, 岳 玲, 寇小明, 張文波

基于DPSK的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)性能仿真

陳博恒, 王明洲, 岳 玲, 寇小明, 張文波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

由于海水中介質(zhì)不均勻分布、海底海面邊界條件以及海水聲吸收的影響, 水聲信道極其復(fù)雜且不穩(wěn)定, 主要表現(xiàn)為強(qiáng)多途、快時(shí)變、可用通信頻帶有限以及多普勒效應(yīng)等, 現(xiàn)有水聲通信系統(tǒng)的抗干擾能力和通信速率尚不能滿足需求?；诖? 文中針對(duì)水聲信道的可用通信頻帶較為有限且具有強(qiáng)多途效應(yīng)等特點(diǎn), 提出了一種新的水聲通信體制。該方法通過(guò)結(jié)合多載波通信頻帶利用率高和跳頻通信抗多途的優(yōu)點(diǎn), 建立了采用多載波跳頻差分相移鍵控調(diào)制(MC/FH-DPSK)的水聲通信系統(tǒng), 對(duì)其原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述, 并給出了該系統(tǒng)在加性高斯白噪聲信道、瑞利衰落信道和頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道下的誤碼率性能仿真結(jié)果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有可靠的抗噪聲性能, 在跳頻間隙與碼元寬度設(shè)置參數(shù)相同的情況下, 相比頻移鍵控水聲跳頻(FH/MFSK)通信系統(tǒng)的帶寬利用率提升了近2倍, 且抗多途能力性能與其相仿。文中的工作可為水聲通信新體制的探索提供理論參考。

水聲信道; 多載波通信; 跳頻通信; 多途效應(yīng); 差分相移鍵控

0 引言

近年來(lái), 隨著水下移動(dòng)平臺(tái)對(duì)通信系統(tǒng)性能的需求不斷提升, 實(shí)現(xiàn)高速率、低誤碼率的信息傳輸已成為當(dāng)前水聲通信研究的熱點(diǎn)之一[1]。淺海聲信道具有強(qiáng)多途、快時(shí)變、高噪聲和有限帶寬的特點(diǎn), 在淺海環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠通信是當(dāng)前水聲通信研究待解決的主要難題。跳頻通信技術(shù)作為一種擴(kuò)頻通信技術(shù), 是無(wú)線電通信領(lǐng)域抗干擾和通信對(duì)抗的主要方式。首先, 跳頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)、抗多途能力強(qiáng)及保密性好等特點(diǎn), 最早應(yīng)用于陸上作戰(zhàn)使用的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái), 大大提高了通信的抗干擾及抗截獲能力[2]; 其次, 跳頻通信具有多址接入能力, 有利于水下平臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng), 在實(shí)現(xiàn)水下作戰(zhàn)武器與作戰(zhàn)平臺(tái)間, 以及水下武器間通過(guò)信息交互與共享進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)方面有著很好的發(fā)展前景[3]。近年來(lái), 國(guó)外有不少研究機(jī)構(gòu)針對(duì)水下擴(kuò)頻通信技術(shù)進(jìn)行了研究。例如,歐洲進(jìn)行的無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle,隱蔽聲通信(, UCAC)計(jì)劃、美國(guó)海軍戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)中心的研究計(jì)劃等都使用擴(kuò)頻通信體制[4-5]。在國(guó)內(nèi), 殷敬偉等[6]研究的采用差分相干解調(diào)方法的直接序列/二進(jìn)制差分相移鍵控(direct sequ- ence/binary differential phase shift keying, DS/ BDPSK)水聲通信系統(tǒng)在距離0~3 km的范圍內(nèi), 移動(dòng)平臺(tái)相對(duì)速度為≤5 m/s的條件下, 通信誤碼率小于10–3; 岳玲等[7]研究的頻移鍵控水聲跳頻(frequency-hopping/multilevel frequency shift keying, FH/MFSK)移動(dòng)水聲系統(tǒng)在使用糾錯(cuò)編碼的情況下通信誤碼率可達(dá)到10–6; 程恩[8]利用擴(kuò)頻通信中的跳頻(frequency-hopping spread spe- ctrum, FHSS)水聲通信技術(shù), 成功研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字式水聲語(yǔ)音通信樣機(jī)和水下E-mail傳輸系統(tǒng)等。

由于水下可用帶寬較為有限, 而單一跳頻通信體制相比傳統(tǒng)單載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捳加新蚀? 頻帶利用率較低, 很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率傳輸[9-10]。因此, 文中提出一種新的通信體制, 將多載波調(diào)制技術(shù)與跳頻通信技術(shù)相結(jié)合, 信息調(diào)制方式采用BDPSK, 這樣既可以提高頻帶資源的利用率, 又融合了跳頻通信抗多途的特點(diǎn)。同時(shí), 差分相位編碼方式也具有較好的抗噪聲性能。

1 水聲信道特點(diǎn)

受海水中介質(zhì)不均勻分布、海底海面邊界條件以及海水聲吸收的影響, 淺海水聲信道呈現(xiàn)復(fù)雜且不穩(wěn)定性, 主要包括多途效應(yīng)、多普勒效應(yīng)以及帶寬利用率較為有限等方面。多普勒效應(yīng)會(huì)造成傳輸信號(hào)頻率的展寬, 噪聲信號(hào)的時(shí)域選擇性衰落。多途傳播會(huì)造成碼間串?dāng)_(inter symbol interference, ISI), 同時(shí)在多途效應(yīng)的影響下沿不同時(shí)延的路徑于不同時(shí)間到達(dá)接收機(jī), 使得接收信號(hào)呈現(xiàn)頻率選擇性衰落。多途傳播環(huán)境下的接收信號(hào)為

式中: 為沿第條路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)分量的幅度; 為第條路徑的時(shí)延; 表示相位, ; , 和均為隨機(jī)變化量。由此可以建立離散時(shí)變多途水聲信道模型, 如圖1所示。

文中參照離散時(shí)變多途信道模型設(shè)置了一種頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道, 信道模型為

得信號(hào)多途比(signal multiple ratio, SMR)的定義

通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)的SMR, 分析跳頻間隔與抗多途能力的關(guān)系。

2 多載波BDPSK水聲跳頻通信系統(tǒng)原理及數(shù)學(xué)模型

基于BDPSK的多載波水聲跳頻差分相移鍵控(multicarrier/FH-BDPSK, MC/FH-BDPSK)通信系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 多載波BDPSK跳頻通信系統(tǒng)流程圖

首先將輸入的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為多個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流, 信息調(diào)制方式采用BDPSK, 參考相位設(shè)置默認(rèn)為0。采用BDPSK的主要原因是相干BDPSK的抗噪聲性能較為優(yōu)異且頻帶利用率較高[11], 適用于水聲信道的環(huán)境。數(shù)據(jù)信息經(jīng)BDPSK調(diào)制后再將這些子數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到不同頻率的子載波上, 碼元信息由載波相位攜帶, 按照頻率合成器生成的遞增跳頻序列順序進(jìn)行傳輸。為更加直觀地反映MC/FH-BDPSK系統(tǒng)的跳頻機(jī)理, 圖3給出了該系統(tǒng)的跳頻結(jié)構(gòu)示意圖, 相對(duì)文獻(xiàn)[3]中采用的FH/4FSK系統(tǒng)的跳頻結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4), 當(dāng)2種系統(tǒng)傳輸相同信息量的情況下且設(shè)置的單個(gè)碼元寬度與1個(gè)跳頻點(diǎn)所占頻帶帶寬都相同時(shí), 兩者的頻帶利用率比值可表示為

式中: 為1個(gè)跳頻序列周期內(nèi)所設(shè)置的跳頻點(diǎn)數(shù); 為跳頻序列周期數(shù)。頻帶利用率的提高意味著系統(tǒng)誤碼率的提高, 通過(guò)式(5)可得, 傳輸信息量越大, 跳頻序列周期數(shù)越大, MC/FH-BDPSK系統(tǒng)的信息傳輸速率越接近FH/4FSK系統(tǒng)的2倍, 極大地提高了通信系統(tǒng)傳輸信息的有效性。

圖4 FH/4FSK系統(tǒng)跳頻示意圖

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)水聲信道后與在多途效應(yīng)下的其他信號(hào)分量及噪聲同時(shí)進(jìn)入接收機(jī), 接收信號(hào)

由此可估計(jì)出各子載波中心頻率所對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)序列索引, 該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相位信息為相對(duì)相位信息, 將相對(duì)相位信息進(jìn)行BDPSK解調(diào)即可恢復(fù)出碼元信息。

3 仿真結(jié)果與分析

表1 跳頻參數(shù)和子載波參數(shù)表

Table 1 Parameters of frequency hopping and subcarriers

3.1 仿真基準(zhǔn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中所提方法的準(zhǔn)確性與可行性, 圖5和圖6分別給出了在加性高斯白噪聲信道環(huán)境下和瑞利衰落信道環(huán)境下MC/FH-BDPSK通信系統(tǒng)誤碼率與BDPSK信號(hào)理論誤碼率的對(duì)比?？梢钥闯? 在加性高斯白噪聲信道下, MC/FH- BDPSK 通信系統(tǒng)的誤碼率性能略差于BDPSK, 原因是信號(hào)經(jīng)多載波調(diào)制后, 各個(gè)子載波信號(hào)同相疊導(dǎo)致信號(hào)瞬時(shí)功率很大, 造成較高的峰值平均功率比(peak to average power ratio, PAPR), 且發(fā)射信號(hào)功率較為分散, 造成發(fā)射信號(hào)的平均信噪比較低, 因此誤碼增多。在瑞利衰落信道中與理論值基本吻合, 證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真方法的正確性, 同時(shí)也保證了下文中所設(shè)置的其他環(huán)境下該系統(tǒng)的性能仿真具有參考價(jià)值。

圖5 加性高斯白噪聲信道曲線圖

圖6 瑞利衰落信道曲線圖

3.2 頻率選擇性兩徑瑞利衰落水聲信道

圖7 MC/FH-BDPSK在頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道中的誤碼率性能曲線

圖8 FH/4FSK由于多途效應(yīng)引起的背景誤碼與信道時(shí)間和碼元時(shí)間比值的關(guān)系曲線

圖9 MC/FH-BDPSK由于多途引起的背景誤碼與信道時(shí)間和碼元時(shí)間比值的關(guān)系曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)水聲信道的可用通信頻帶較為有限且具有強(qiáng)多途效應(yīng)等特點(diǎn), 通過(guò)利用多載波通信對(duì)頻帶利用率高和跳頻通信具有抗多途能力的特點(diǎn), 建立了一種采用MC/FH-BDPSK通信系統(tǒng), 并對(duì)其原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。給出了該系統(tǒng)在加性高斯白噪聲信道、單徑瑞利衰落信道、頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道下的誤碼率性能仿真結(jié)果及詳細(xì)分析。分析表明, 該系統(tǒng)在跳頻間隙與碼元寬度設(shè)置參數(shù)相同的情況下, 相比FH/MFSK通信系統(tǒng)的帶寬利用率提升了近2倍。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有可靠的抗噪聲和抗多途性能, 適合水聲信道的復(fù)雜環(huán)境, 為水聲通信新體制的探索提供了一定的理論依據(jù)。后續(xù)工作將繼續(xù)研究設(shè)計(jì)合適的通信同步方案, 使MC-FH/BDPSK系統(tǒng)適用于在水下移動(dòng)平臺(tái)之間的通信。

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Performance Simulation of Multi-Carrier Frequency-Hopping Underwater Acoustic Communication System Based on DPSK

CHENBo-heng, WANG Ming-zhou, YUE Ling, KOU Xiao-ming, ZHANG Wen-bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Focusing on the problem that underwater acoustic channel has limited available communication bands and strong multi-path effects,a new underwater acoustic communication scheme is proposed. A multi-carrier underwater acoustic communication system is established by using differential phase shift keying(DPSK) and making use of the high bandwidth utilization ratio of multi-carrier(MC) communication and the anti-multipath capability of frequency hopping(FH) communication. And its principle and implementation process are described in detail. Moreover, the bit error ratio(BER) performances of the system under additive white Gaussian noise channel, Rayleigh fading channel and frequency-selective two-path Rayleigh fading channel are simulated and analyzed, and its reliable anti-noise performance is verified. Compared with FH/MFSK communication system, the proposed MC/FH-DPSK communication system achie- ves almost two times higher bandwidth utilization ratio and the similar performance of anti-multipath in the condition of same frequency hopping clearance and parameter of symbol width.

underwater acoustic channel; multi-carrier communication; frequency-hopping communication; multi-path effect; differential phase shift keying(DPSK)

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2020)02-0182-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.010

陳博恒, 王明洲, 岳玲, 等. 基于DPSK的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)性能仿真[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(2): 182-186.

2019-10-14;

2019-10-25.

陳博恒(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向水聲通信及信號(hào)處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)