MC-PSK在遠程水聲通信中的應(yīng)用及其性能仿真

　　1 引言

　　隨著科技的發(fā)展，人類對陸地的認識和開發(fā)越來越全面，而海洋作為尚未開發(fā)的寶地，已成為各軍事強國的重要戰(zhàn)略目標，是近年來國際上激烈競爭的焦點之一。認識海洋、開發(fā)海洋需要各種高技術(shù)手段，而無人水下航行器(Unmanned Undersea Vehicles，UUV)就是探索海洋的高新技術(shù)手段之一。特別是在軍事上，作為一種具有風(fēng)險承受能力強、低價位的裝置，UUV可進入現(xiàn)有艦船不能直接行動的高威脅海區(qū)，收集戰(zhàn)術(shù)情報，探測目標，甚至可作為武器，直接對目標進行攻擊。但是，作為一種新概念武器平臺，UUV的發(fā)展綜合集成了許多高新技術(shù)，其中高數(shù)據(jù)率水下通信就是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，是實現(xiàn)水下平臺作戰(zhàn)效能的基本保障。由于海水對電磁波的強吸收作用，傳統(tǒng)的無線電只能使用長波、極長波以上的波段才能穿透海水，實現(xiàn)通信，但正是由于波長太長，導(dǎo)致數(shù)據(jù)率無法提高，所以無法在UUV中使用。由于水下聲信號在海水中的衰減要遠小于電磁波信號，其為水下通信提供了一種新的手段?；谙辔幌喔蓹z測和自適應(yīng)決策反饋均衡器的高速水聲通信系統(tǒng)在遠程水聲信道中的成功應(yīng)用，大大增加了人們對在惡劣水聲信道中采用復(fù)雜通信技術(shù)實現(xiàn)高速、可靠的水聲通信的信心。借鑒無線電通信中一些成功的調(diào)制方式，筆者將一種新的調(diào)制方式，多載波一相移鍵控(Multi-Cannier Phase Shift Keying，MC-PSK)運用于水聲通信以提高水下通信數(shù)據(jù)率。

　　2 MC-PSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)

　　在水聲通信中，通常采用基于自適應(yīng)均衡技術(shù)的相位相干檢測技術(shù)來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率;但此技術(shù)對接收端的輸入信噪比有較高要求，因此系統(tǒng)中采用大的發(fā)射和接收基陣，通過空間分集和組合，提高信噪比，確保系統(tǒng)性能。在遠程水聲通信的過程中，由于傳輸距離遠，信道衰落大，加上水下航行器自身的限制，無法采用大的發(fā)射、接收基陣，因此信號到達接收端時信噪比很低，且易受到遠程信道衰落影響。MC-PSK調(diào)制是新的組合調(diào)制方式，可在保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)率的條件下，增加信號的持續(xù)時間，從而顯著地改善系統(tǒng)的可靠性和抗多徑干擾性能。

　　MC-PSK調(diào)制是在頻率調(diào)制的基礎(chǔ)上，對每一載頻實行多相移鍵控。與正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)有很多相似之處。其將串行傳輸?shù)男畔⒎譃镹=Nc+Np路，其中Nc路進行頻率調(diào)制，Np路進行相位調(diào)制。N路信號并行傳輸，可顯著改善系統(tǒng)的傳輸容量。

　　從另一方面說，MC-PSK調(diào)制可看成是在多進制數(shù)字頻率鍵控(Multiple Frequency-Shift Keying，MFSK)調(diào)制的基礎(chǔ)上，對每一頻率進行PSK調(diào)制。一種雙頻四相MC-PSK調(diào)制示意圖如圖1所示。

　　為便于比較，圖1同時示出了二頻移鍵控(BinaryFrequency Shift Keying，BFSK)和四相移鍵控(Quadra-ture Phase Shift Keying，QPSK)調(diào)制的示意圖。由于對每一頻率實施四相調(diào)制，故MC-PSK已調(diào)信號的每一載頻上攜帶2 bit信息?？梢姡跀?shù)據(jù)率相同的情況下，MC-PSK調(diào)制帶寬比BFSK的窄，碼元寬度比BFSK和QPSK的寬。另外由于碼元加寬，信號能量增加，抗信道衰落的能力增強。由于碼元加寬和頻率交替，抗碼間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)的能力也提高。反之，若要求碼元寬度相同，則MC-PSK調(diào)制的數(shù)據(jù)率就提高了。

　　可見，MC-PSK調(diào)制就是將所用的帶寬劃分成一系列子帶寬，每一子帶寬內(nèi)的信號都采用PSK調(diào)制方式;其將MFSK和MPSK有效地結(jié)合，采用多個載波傳送PSK信號，使得被調(diào)制信號的頻率和相位都攜帶信息。

　　3 MC-PSK遠程水聲通信系統(tǒng)設(shè)計

　　圖2為設(shè)計用于UUV的遠程水聲通信系統(tǒng)框圖。整個系統(tǒng)考慮了水下信道的復(fù)雜特性，其核心步驟為MC-PSK調(diào)制。系統(tǒng)的工作過程如下：為進行差錯控制，提高系統(tǒng)可靠性，發(fā)送信息首先進入信道編碼器進行糾錯編碼和交織。隨后對編碼信號進行MC-PSK調(diào)制。調(diào)制后的數(shù)字信號在D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)發(fā)射換能器送入水聲信道。傳輸信號由接收換能器送入接收機，進行信號同步和信道檢測。為抵消多普勒頻移對信號檢測的影響，再對信號進行多普勒頻移估計和多普勒補償。補償后的信號進行MC-PSK解調(diào)，首先進行多載波頻率估計，再用估計的頻率對信號進行PSK解調(diào)。為抵消信道多徑傳輸和相位起伏對相關(guān)檢測的影響，解調(diào)信號還需要借助于自適應(yīng)判決反饋均衡器(Adaptive Decision Feedback Equalizer，ADFE)及內(nèi)嵌的數(shù)字鎖相環(huán)(Phase Lock Loop，PLL)進行均衡系數(shù)和相位的聯(lián)合最佳估計。判決后的信號經(jīng)解交織、糾錯譯碼，恢復(fù)原發(fā)送信息。

　　4 MC-PSK水聲通信系統(tǒng)性能仿真

　　MC-PSK水聲通信系統(tǒng)性能主要取決于MC-PSK調(diào)制方法的效果。利用Matlab對MC-QPSK，QPSK，MC3種調(diào)制方法的誤碼率進行仿真;水聲信道模型采用了文獻[6]中提供的信道模型，具體的信道參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果如圖3-4所示。

　　由上述仿真結(jié)果可得以下結(jié)論：(1)MC-PSK調(diào)制系統(tǒng)性能取決于頻率調(diào)制和相位調(diào)制，是兩者性能的綜合;(2)在碼元寬度相同的情況下，MC-PSK調(diào)制的性能要優(yōu)于PSK調(diào)制，特別是在高信噪比條件下;(3)而在MC-PSK調(diào)制經(jīng)頻率解調(diào)后，ISI的影響消弱。且信噪比越大，頻率解調(diào)性能越好，ISI影響越弱，均衡效果越好;(4)數(shù)據(jù)率相同時，MC-PSK調(diào)制的抗衰落能力隨之信號能量的增加，誤碼率進一步降低;(5)由于碼元加寬和頻率交替，MC-PSK調(diào)制的抗ISI能力提高，可容忍更低的信噪比，實現(xiàn)更遠距離的傳輸;(6)MC-PSK調(diào)制必須保證頻率解調(diào)的正確性，如果頻率判決出現(xiàn)誤差就會影響相位的解調(diào)，從而降低整個系統(tǒng)的性能。

　　5 結(jié)束語

　　MC-PSK調(diào)制系統(tǒng)是水聲通信系統(tǒng)領(lǐng)域的一個創(chuàng)新。MC-PSK水聲通信系統(tǒng)不僅能大大提高數(shù)據(jù)傳輸率，增大傳輸距離，且還能實現(xiàn)信息的雙向傳輸。