水下艦艇擴(kuò)頻通信體制研究

摘" 要： 水下艦艇通信采用的水聲通信方式在長(zhǎng)距離傳輸中信號(hào)衰減嚴(yán)重，且因?yàn)殡[蔽性需求信號(hào)功率受限，疊加受到多徑干擾和海洋背景噪聲干擾，通信誤碼率較高。為此，提出水下艦艇擴(kuò)頻通信體制研究。設(shè)計(jì)擴(kuò)頻通信體制，利用擴(kuò)頻通信體制拓寬傳輸帶寬，提升遠(yuǎn)距離衰減下的通信信噪比；采用類(lèi)白噪聲的偽隨機(jī)碼m序列和OPS序列作為擴(kuò)頻碼組建編碼序列集，解決白噪聲干擾、多徑干擾和碼分多址的問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果表明：同等條件下，采用m序列的擴(kuò)頻通信結(jié)果更優(yōu)，可以實(shí)現(xiàn)-25 dB下誤碼率低于1%的可靠通信。經(jīng)過(guò)該方法調(diào)制后，剔除了噪聲干擾和多徑干擾，增強(qiáng)了衰減的高頻信號(hào)，解決了水下通信遠(yuǎn)距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 水下艦艇通信； 擴(kuò)頻通信； m序列； OPS序列； 誤碼率； 信噪比

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.3?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2025）01?0107?05

Research on spread spectrum communication system of underwater vessels

LI Yao， ZHAO Jiankang， LONG Haihui

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： The underwater acoustic communication method used for communication on underwater vessels is confronted with severe signal attenuation in long?distance transmission， and due to the requirement of concealment， the signal power is limited and is affected by multipath interference and ocean background noise interference in a superposition manner， resulting in high communication error rate. Therefore， this article proposes the study of underwater vessel spread spectrum communication system. A spread spectrum communication system is designed， and the spread spectrum communication system is utilized to expand transmission bandwidth， so as to improve communication signal?to?noise ratio （SNR） under long?distance attenuation. Pseudo?random code m?sequences and OPS sequences similar to white noise are used as spreading codes to construct an encoding sequence set， so as to get rid of white noise interference， multipath interference and code division multiple access （CDMA）. The test results show that under the same conditions， the spread spectrum communication using m?sequences yields better results and can achieve reliable communication with an error rate below 1% at -25 dB. After the modulation with the proposed method， noise interference and multipath interference are eliminated， and the attenuated high?frequency signal is enhanced， so the problems of long?distance attenuation， multipath interference and background noise interference in underwater communication are eliminated.

Keywords： underwater vessel communication; spread spectrum communication; m?sequences; OPS sequence; bit error rate; SNR

0" 引" 言

低頻水聲信號(hào)可以在海洋中傳播數(shù)百公里，因此常用于水下艦艇通信[1?2]。但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，水下艦艇需要限制信號(hào)發(fā)射功率，確保信號(hào)隱藏在海洋背景噪聲中，以免被敵方水聲探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)[3]。遠(yuǎn)距離的水下信號(hào)傳播中，使水聲信號(hào)具有衰減效應(yīng)[4]。同時(shí)，由于聲速分布不均勻造成水聲傳播的時(shí)間差[5?6]，這使得通信信號(hào)具有嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。為此，有必要對(duì)克服遠(yuǎn)距離衰減、多徑干擾和噪聲干擾等問(wèn)題的水下通信體制進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[7]采用自適應(yīng)調(diào)制編碼方式、實(shí)時(shí)調(diào)整編碼方式等設(shè)計(jì)通信體制參數(shù)，該方法僅補(bǔ)償多普勒信號(hào)，應(yīng)用在水下傳輸中，傳輸帶寬較低，導(dǎo)致通信信噪比較低。文獻(xiàn)[8]采用改進(jìn)的Gold碼優(yōu)化了水聲擴(kuò)頻通信的性能，該方法在擴(kuò)頻通信中無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算適宜的帶寬容量，導(dǎo)致通信信噪比較低。文獻(xiàn)[9]使用艾森斯坦整數(shù)和混沌序列構(gòu)造SCMA碼，并基于SCMA碼提供了水聲隱蔽通信方案，該方法未建立編碼序列集，無(wú)法解決水聲多徑效應(yīng)。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)擴(kuò)頻水聲通信系統(tǒng)，結(jié)合交織混合擴(kuò)頻通信方法與M進(jìn)制碼設(shè)計(jì)水下通信體制，該方法使用的M進(jìn)制碼未建立序列集，仍然受到水聲多徑干擾。文獻(xiàn)[11]提出了基于OSDM和直接序列擴(kuò)頻調(diào)制的水聲通信系統(tǒng)，該方法無(wú)法有效增強(qiáng)傳輸帶寬，信噪比不足。

為了解決上述問(wèn)題，本文進(jìn)行了水下艦艇擴(kuò)頻通信體制研究。

1" 擴(kuò)頻通信體制設(shè)計(jì)

針對(duì)水下艦艇通信面臨的遠(yuǎn)距離衰減、多徑干擾、海洋背景噪聲干擾等問(wèn)題，設(shè)計(jì)擴(kuò)頻通信體制。利用擴(kuò)頻通信拓寬傳輸帶寬，提升遠(yuǎn)距離衰減下的通信信噪比，增強(qiáng)抗噪聲干擾能力；采用類(lèi)白噪聲的偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻碼組建編碼序列集，解決多徑干擾和碼分多址的問(wèn)題。

1.1" 基于直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的信道容量增強(qiáng)體制

擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種旨在增強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃远O(shè)計(jì)的技術(shù)[12?14]，利用擴(kuò)頻通信技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)距離衰減的水聲信號(hào)帶寬進(jìn)行擴(kuò)容。

信道帶寬容量決定了水聲信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸能力與通信信噪比，基于香農(nóng)信道容量公式構(gòu)建帶寬擴(kuò)容模型[15]為：

[C=Blog21+SN] （1）

式中：[C]表示擴(kuò)容后的信道帶寬容量，其含義是通信信道中在單位時(shí)間里可以準(zhǔn)確傳輸?shù)淖畲笮畔⒘浚诺廊萘康膯挝皇莃/s；[B]代表信號(hào)頻寬，單位為Hz；[S]表示通信信號(hào)功率，單位是W；[N]是噪聲功率，單位為W；[SN]表示通信信號(hào)的功率和通信環(huán)境中噪聲功率的比值，記作信噪比（SNR）。

使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行水下聲波通信帶寬擴(kuò)容。直擴(kuò)系統(tǒng)在信號(hào)傳輸前把低速信息信號(hào)和高速擴(kuò)頻碼波形相乘，通過(guò)多次調(diào)制和混頻發(fā)射解決信號(hào)衰減問(wèn)題，通過(guò)擴(kuò)頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了待傳輸信號(hào)頻譜的帶寬擴(kuò)展。

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的工作流程圖如圖1所示。

1.2" 基于擴(kuò)頻碼的抗干擾優(yōu)化

在一個(gè)受到海洋背景高斯白噪聲干擾并且在長(zhǎng)距離傳輸中衰減的通信信道中，最有效的通信信號(hào)應(yīng)具備類(lèi)似白噪聲的統(tǒng)計(jì)屬性[16]。偽隨機(jī)序列具有接近或類(lèi)似于高斯白噪聲的特性，因而利用其作為擴(kuò)頻通信中的擴(kuò)頻碼，以抵抗海洋環(huán)境噪聲干擾和多徑干擾，實(shí)現(xiàn)水下通信優(yōu)化。

m序列是擴(kuò)頻通信中常使用的偽隨機(jī)序列之一，它可以通過(guò)線(xiàn)性移位反饋寄存器來(lái)構(gòu)造。m序列與白噪聲類(lèi)似，且具備優(yōu)秀的抗噪能力[17?18]。[n]階m序列的序列周期為[N=2n-1]。

m序列對(duì)白噪聲的抑制函數(shù)為：

[Rmτ=CN，τ=0-1，τ≠0] （2）

式中[τ]為白噪聲。

但m序列無(wú)法解決多徑干擾問(wèn)題，因此針對(duì)多徑干擾問(wèn)題，使用最佳屏蔽序列偶和Walsh序列組合構(gòu)成零相關(guān)區(qū)序列偶集，獲得最佳屏蔽零相關(guān)序列偶集（Optimized Punctured Zero Correlation Sequence?pair Set， OPS）作為編碼序列集[19]。

設(shè)OPS擴(kuò)頻碼第[j]個(gè)編碼序列[{xj}]和[{yj}]長(zhǎng)度均為[M1]，符合以下條件：

[yj=0，j∈Pxj，j?P] （3）

式中：[xj∈{-1，1}]；[P]表示屏蔽位集合；序列[{xi}，{yi}]為屏蔽二進(jìn)序列偶，利用其抑制白噪聲的函數(shù)[Rxyτ]。

[Rxyτ=E，τ≡0 mod M10，other] （4）

式中[E]為正常數(shù)。對(duì)于奇數(shù)長(zhǎng)度的偽隨機(jī)序列，將序列中的“-1”均換成為“0”，那么原偽隨機(jī)序列與新序列即為最佳屏蔽二進(jìn)序列偶。

OPS序列中編碼矩陣[U]與解碼矩陣[V]計(jì)算公式如下：

[ui，j=xji mod M1Hk，lvi，j=yjj mod M1Hk，l] （5）

式中：[ui，j]和[vi，j]分別代表矩陣[U]和[V]第[i]行第[j]列的元素；[Hk，l]為[M2]階哈達(dá)瑪矩陣[H]第[k]行第[l]列的元素。

OPS序列的多徑干擾抑制函數(shù)如下：

[Rumvnτ=Rxyττ=0L-1umi，jvni+τmod L， j] （6）

式中：[um]和[vn]分別表示[ui，j]的第[m]列和[vi，j]的第[n]列；構(gòu)造的單個(gè)編碼長(zhǎng)度[L=M1M2]。

由此通過(guò)直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的信道容量增強(qiáng)解決遠(yuǎn)距離衰減問(wèn)題，通過(guò)基于擴(kuò)頻碼的抗干擾優(yōu)化解決多徑干擾和海洋背景噪聲干擾問(wèn)題。

2" 通信體制測(cè)試分析

2.1" 測(cè)試準(zhǔn)備

以某水庫(kù)作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，6個(gè)水下聲通信組件放置深度均為5 m，發(fā)射船與接收船相距1 300 m。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖2所示。

基于以上實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。使用1 kHz低頻信號(hào)進(jìn)行BPSK直接序列擴(kuò)頻通信，通信誤碼率用BER表示，BERlt;1%視為滿(mǎn)足水聲通信的精度要求。實(shí)驗(yàn)中將海洋背景噪聲的擾動(dòng)設(shè)置為白噪聲，將信噪比設(shè)置為-20 dB以下。采用帶通數(shù)字濾波器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，頻率下限為500 Hz，上限為10 kHz。

信道參數(shù)設(shè)置如表1所示。

基于上述參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真的硬件基礎(chǔ)為Intel i7?4860k處理器、260 GB?SSD固態(tài)硬盤(pán)、32 GB內(nèi)存卡。軟件基礎(chǔ)為Microsoft Windows 8.0運(yùn)行系統(tǒng)。

2.2" 測(cè)試結(jié)果

由于擴(kuò)頻碼中的m序列和OPS序列均與白噪聲相似，因此分別測(cè)試m序列和OPS序列這兩種擴(kuò)頻碼與白噪聲的自相關(guān)性能。

選取長(zhǎng)度為63的m序列和長(zhǎng)度為62的OPS序列，兩種擴(kuò)頻碼與白噪聲的自相關(guān)性能如圖3所示。

由圖3可知：m序列的自相關(guān)特性為類(lèi)似于白噪聲的0軸沖激響應(yīng)；而OPS序列的自相關(guān)函數(shù)為與白噪聲略有不同的周期沖擊響應(yīng)函數(shù)。兩種擴(kuò)頻碼的相關(guān)特性各有優(yōu)劣。

比較不同信噪比和調(diào)制周期數(shù)對(duì)擴(kuò)頻通信誤碼率的影響，結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，使用兩種擴(kuò)頻序列時(shí)，低信噪比均會(huì)降低同周期調(diào)制數(shù)下的通信質(zhì)量。當(dāng)信噪比為-40 dB時(shí)，誤碼率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1%，通信完全失真。當(dāng)信噪比增加至-25 dB以上時(shí)，所取三個(gè)調(diào)制周期數(shù)下誤碼率結(jié)果均為0，完全滿(mǎn)足通信精度要求，即使調(diào)制周期數(shù)很小，也可以完全無(wú)損地傳輸信息。

同時(shí)，對(duì)比表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，基于m序列的擴(kuò)頻通信誤碼率略小于基于OPS序列的擴(kuò)頻通信誤碼率。因此，為了保證水下艦艇隱蔽通信的可靠性，可以選擇m序列作為擴(kuò)頻通信的擴(kuò)頻碼。

測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于m序列擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻通信機(jī)制的信號(hào)調(diào)制效果，如圖4所示。

如圖4所示，發(fā)射信號(hào)的信息和頻譜完整，混合了高低頻信號(hào)，但發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑干擾和噪聲干擾的混合信道后出現(xiàn)信號(hào)畸變衰減情況。而經(jīng)過(guò)本文方法調(diào)制后，不僅剔除了噪聲干擾和多徑干擾，還分割了低頻和高頻信號(hào)，增強(qiáng)了衰減的高頻信號(hào)，并將其劃分為多個(gè)相關(guān)峰，說(shuō)明本文方法設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻通信機(jī)制通信效果良好，能夠解決水下通信的遠(yuǎn)距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾問(wèn)題。

3" 結(jié)" 語(yǔ)

為了解決水下通信遠(yuǎn)距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾等問(wèn)題，本文研究了水下艦艇擴(kuò)頻通信體制。

文中測(cè)試對(duì)比了兩種偽隨機(jī)碼m序列和OPS碼的相關(guān)函數(shù)性能，并對(duì)比了分別基于m序列和OPS序列的擴(kuò)頻通信在不同信噪比和調(diào)制周期數(shù)下的通信質(zhì)量，結(jié)果表明基于m序列的擴(kuò)頻通信誤碼率更低，并且可以在信噪比高于-25 dB時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的水下隱蔽通信。基于m序列碼的擴(kuò)頻通信機(jī)制通信效果良好，能夠解決水下通信的遠(yuǎn)距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾問(wèn)題。

注：本文通訊作者為趙健康。

參考文獻(xiàn)

[1] 王詩(shī)韻，朱德寶，初磊.低頻遠(yuǎn)程水聲通信技術(shù)對(duì)潛艇作戰(zhàn)的影響[J].電聲技術(shù)，2019，43（6）：5?7.

[2] 童峰，周躍海，陳東升，等.異構(gòu)無(wú)人潛水器水聲通信技術(shù)發(fā)展綜述[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，44（11）：1963?1976.

[3] 郭曉明，田甜，謝旭良，等.水聲隱蔽通信在水下測(cè)控中的重要性及發(fā)展方向[J].電聲技術(shù)，2022，46（11）：28?30.

[4] 韓震，江鵬，張宇，等.實(shí)時(shí)水聲抗多普勒信道均衡技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2023，48（12）：2082?2091.

[5] 王若雯.基于深海海水速度變化的OBN數(shù)據(jù)基準(zhǔn)面校正研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2022.

[6] 解輝，趙忠臣，黨松，等.一種Mary擴(kuò)頻信號(hào)擴(kuò)頻序列集估計(jì)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（1）：51?54.

[7] 孫秋實(shí).水聲通信的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2023.

[8] 李燕，賈寧，黃建純，等.改進(jìn)的Gold碼并行組合擴(kuò)頻水聲通信[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2022，44（6）：1937?1946.

[9] 劉卓，王黎明，韓星程，等.基于SCMA的水聲隱蔽通信方案研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2022，45（13）：77?81.

[10] LI Y， JIA N， HUANG J C， et al. A novel spread spectrum underwater acoustic communication system for the inter?symbol interference reduction [J]. International journal of computer applications in technology， 2022， 69（4）： 357?364.

[11] LIU L J， REN H， ZHAO H， et al. An adaptive multi?mode underwater acoustic communication system using OSDM and direct sequence spread spectrum modulation [J]. IEEE access， 2021， 9： 56277?56291.

[12] 楊健敏，王佳惠，喬鋼，等.水聲通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2024，46（1）：1?21.

[13] 郭新毅，李凡，鐵廣朋，等.海洋環(huán)境噪聲研究發(fā)展概述及應(yīng)用前景[J].物理，2014，43（11）：723?731.

[14] 劉洋，宋汐瑾，肖鈞仁.基于m偽隨機(jī)序列的脈沖響應(yīng)分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2023，36（1）：78?79.

[15] SHANNON C E. Communication in the presence of noise [J].Proceedings of the IEEE， 1998， 86（2）： 447?457.

[16] 柳文明，韓樹(shù)平，楊剛，等.基于時(shí)間反轉(zhuǎn)擴(kuò)頻的隱蔽水聲通信方法[J].應(yīng)用聲學(xué)，2017，36（6）：505?511.

[17] 陳蘊(yùn)哲.基于OFDM水聲通信系統(tǒng)的抗多徑時(shí)間同步研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

[18] 王在昌，程劍，蘇榮輝.擴(kuò)頻信號(hào)檢測(cè)技術(shù)綜述[J].通信技術(shù)，2023，56（5）：535?543.

[19] 蔣挺.準(zhǔn)最佳二進(jìn)信號(hào)偶和屏蔽二進(jìn)信號(hào)偶理論研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2003.

基金項(xiàng)目：上海商用飛機(jī)系統(tǒng)工程聯(lián)合研究基金（CASEF?2022?MQ01）

作者簡(jiǎn)介：李" 堯（1998—），男，江蘇泰興人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ笏曂ㄐ拧?/p>

趙健康（1966—），男，湖南長(zhǎng)沙人，博士研究生，教授，研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)與控制、無(wú)人機(jī)技術(shù)、水聲通信與導(dǎo)航技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)與導(dǎo)航等。

龍海輝（1984—），男，湖南株洲人，博士研究生，助理研究員，研究方向?yàn)榻M合導(dǎo)航。