差分編碼在水聲電子通信中的應用研究

1.引言

長(cháng)期以來(lái)，人們一直認為在海洋中實(shí)現水聲通信是一個(gè)巨大的挑戰。本文將專(zhuān)門(mén)研究一個(gè)固定信源和隨著(zhù)水波不停移動(dòng)的接收器的通信問(wèn)題。這樣會(huì )導致信號同步問(wèn)題和時(shí)變的多普勒頻移。另外，在淺水中通信，當信號沿著(zhù)不同的傳播路徑(多徑)傳播最終匯集到接收器的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生碼間串擾的問(wèn)題。

國外Gini和Giannakis最近提出了一類(lèi)差分編碼方法，它包括DBPSK調制方法。他們的研究顯示：改進(jìn)因發(fā)射器和(或)接收器的運動(dòng)而造成的非線(xiàn)性信號失真的補償，在理論上能獲得比DBPSK調制更好的效果。他們的研究借鑒了電磁波通信，例如衛星和地面站間的通信，他們的仿真證明使用某種廣義差分編/解碼體制和仿真參數會(huì )產(chǎn)生較少的符號誤碼。

Gini和Giannakis當時(shí)并未提及碼間串擾問(wèn)題，但他們將這個(gè)問(wèn)題作為未來(lái)研究的一個(gè)領(lǐng)域。

目前我們正在研究在水聲通信中是否會(huì )獲得相關(guān)性能提升。為了達到這一目的，我們設置了一個(gè)包含固定信源和一個(gè)在固定點(diǎn)附近隨著(zhù)波浪微動(dòng)的接收器的淺水信道仿真環(huán)境。

接收器的運動(dòng)幅度相當小，相當于平靜的海面條件。我們得出廣義差分編碼體制對信號性能沒(méi)有改進(jìn)作用。對比之下，在我們仿真期間得到的最佳結果出現在使用普通DBPSK調制方式時(shí)。

2.背景環(huán)境

假設模擬環(huán)境由如下條件構成：50m水深處均勻穩定的水域，聲速為1500m/s,水的密度為1000kg/m3,對15kHz信號的衰減為2.5dB/km.此聲媒介覆蓋在密度為1600kg/m3,壓縮(P)波速度為1515m/s,壓縮波衰減為0.5dB/λ ,橫波速度為100m/s,橫波衰減為1dB/λ 的均勻固體半空間上。一個(gè)基本點(diǎn)聲源固定在坐標(x,y)=(0,0)處，同時(shí)在深度z=47m處放置一個(gè)在中心位置(x,y,z)=(1500,0,2)附近隨著(zhù)水面波不停擺動(dòng)的接收器。

波浪狀運動(dòng)的接收器開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，它滿(mǎn)足平靜海洋的特征，周期為若干秒，振幅為0.5m.設想一個(gè)固定在海底的一個(gè)穩定信源，與懸掛在船邊的浮標通信。由于水波的運動(dòng)，接收器在浮標周?chē)?dòng)。浮標運動(dòng)的典型時(shí)間序列軌跡如圖1所示。

固定信源在15kHz載波條件下以固定頻率輸出，然后經(jīng)過(guò)BPSK調制，速率為3kbps.載波周期和調制周期都在零時(shí)刻零相偏作為同步的開(kāi)始。每bit包含5個(gè)載波周期。通過(guò)在運動(dòng)的接收器處用240kHz或用16倍的載波頻率進(jìn)行采樣產(chǎn)生一個(gè)合成的時(shí)間序列。運用經(jīng)典射線(xiàn)追蹤方法，只用24道射線(xiàn)模擬聲波傳導。

除了在運動(dòng)的接收器處合成的一個(gè)時(shí)間序列外，在假想接收器處合成一個(gè)無(wú)噪聲的參考時(shí)間序列，假想接收器的位置在接收器位置的均值處。這個(gè)參考時(shí)間序列生成虛擬蹤跡，用來(lái)評估常規判決反饋)均衡器(DFE)。這個(gè)參考序列由23或24道射線(xiàn)產(chǎn)生，省略直達路徑上那條射線(xiàn)。

兩個(gè)時(shí)間序列經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)延同時(shí)開(kāi)始采樣，這個(gè)時(shí)延等于連接信源和接收器均值位置的直接路徑的傳播時(shí)延。這種方法提供了一個(gè)信號同步的參考位置(固定接收器的位置)。

BPSK調制生成基帶-1和+1兩個(gè)基本符號，各自表示二進(jìn)制數字符號0和1.一個(gè)偽隨機數字發(fā)生器用基本的{-1,1}來(lái)產(chǎn)生一系列隨機二進(jìn)制“信息”符號，每個(gè)符號出現的概率相等。這一系列“信息”符號隨后使用一種Gini和Giannakis廣義差分編碼方法進(jìn)行差分編碼，就是使用所謂的ml-HIM(多滯后高階瞬時(shí)量)變換。

二階ml-HIM編碼的輸入與輸出關(guān)系如下：

wd(n)=w(n)wd(n-m1) (1)

其中{w(n)}是一組輸入符號，n是信號速率為3kbps為的離散時(shí)間指數，m1是(絕對)時(shí)延，{wd(n)}是輸出的符號序列。如果設m1=1并且用方程(1)做BPSK的輸入{w(n)},可以得到普通DBPSK輸出{wd(n)}.

三階ml-HIM編碼的輸入與輸出關(guān)系如下：

wd(n)=w(n)wd(n-m1)wd(n-m2)wd(n-m1-m2) (2)

其中m2是額外的時(shí)延，其值根據具體條件大于或等于m1.在BPSK的輸入為{w(n)}且時(shí)延m1=m2=1時(shí)，輸出序列{wd(n)}為雙重差分BPSK,或寫(xiě)作DDBPSK輸出。

往在運動(dòng)接收器處合成的時(shí)間序列中添加高斯白噪聲，無(wú)噪聲參考時(shí)間序列隨后被去掉。這樣產(chǎn)生一個(gè)粗略的判決反饋均衡器，用來(lái)評估固定接收器處的無(wú)噪聲時(shí)間序列的信道。

“均衡器”的輸出用(1)式和(2)式逆向求解。對于二階ml-MIM,(1)式逆方程為：

x3(n;m1)=x(n)x*(n-m1) (3)

其中{x(n)}是接收器處得時(shí)間序列，星號表示共軛。三階(2)式的逆方程為：

x3(n;m1,m2)=x(n)x*(n-m1)x*(n-m2)×x(nm1-m2) (4)

(3)式和(4)式的輸出在復數域被量化為BPSK符號-1或1.通過(guò)與原始信息對比，作為一種統計誤比特數的途徑。