MC-PSK在遠程水聲通信中的應用及其性能仿真

　　1 引言

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，人類(lèi)對陸地的認識和開(kāi)發(fā)越來(lái)越全面，而海洋作為尚未開(kāi)發(fā)的寶地，已成為各軍事強國的重要戰略目標，是近年來(lái)國際上激烈競爭的焦點(diǎn)之一。認識海洋、開(kāi)發(fā)海洋需要各種高技術(shù)手段，而無(wú)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(jià)位的裝置，UUV可進(jìn)入現有艦船不能直接行動(dòng)的高威脅海區，收集戰術(shù)情報，探測目標，甚至可作為武器，直接對目標進(jìn)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)，其中高數據率水下通信就是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，是實(shí)現水下平臺作戰效能的基本保障。由于海水對電磁波的強吸收作用，傳統的無(wú)線(xiàn)電只能使用長(cháng)波、極長(cháng)波以上的波段才能穿透海水，實(shí)現通信，但正是由于波長(cháng)太長(cháng)，導致數據率無(wú)法提高，所以無(wú)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測和自適應決策反饋均衡器的高速水聲通信系統在遠程水聲信道中的成功應用，大大增加了人們對在惡劣水聲信道中采用復雜通信技術(shù)實(shí)現高速、可靠的水聲通信的信心。借鑒無(wú)線(xiàn)電通信中一些成功的調制方式，筆者將一種新的調制方式，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據率。

　　2 MC-PSK調制解調技術(shù)

　　在水聲通信中，通常采用基于自適應均衡技術(shù)的相位相干檢測技術(shù)來(lái)提高系統的數據率;但此技術(shù)對接收端的輸入信噪比有較高要求，因此系統中采用大的發(fā)射和接收基陣，通過(guò)空間分集和組合，提高信噪比，確保系統性能。在遠程水聲通信的過(guò)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(wú)法采用大的發(fā)射、接收基陣，因此信號到達接收端時(shí)信噪比很低，且易受到遠程信道衰落影響。MC-PSK調制是新的組合調制方式，可在保證系統數據率的條件下，增加信號的持續時(shí)間，從而顯著(zhù)地改善系統的可靠性和抗多徑干擾性能。

　　MC-PSK調制是在頻率調制的基礎上，對每一載頻實(shí)行多相移鍵控。與正交頻分復用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)有很多相似之處。其將串行傳輸的信息分為N=Nc+Np路，其中Nc路進(jìn)行頻率調制，Np路進(jìn)行相位調制。N路信號并行傳輸，可顯著(zhù)改善系統的傳輸容量。

　　從另一方面說(shuō)，MC-PSK調制可看成是在多進(jìn)制數字頻率鍵控(Multiple Frequency-Shift Keying，MFSK)調制的基礎上，對每一頻率進(jìn)行PSK調制。一種雙頻四相MC-PSK調制示意圖如圖1所示。

　　為便于比較，圖1同時(shí)示出了二頻移鍵控(BinaryFrequency Shift Keying，BFSK)和四相移鍵控(Quadra-ture Phase Shift Keying，QPSK)調制的示意圖。由于對每一頻率實(shí)施四相調制，故MC-PSK已調信號的每一載頻上攜帶2 bit信息?？梢?jiàn)，在數據率相同的情況下，MC-PSK調制帶寬比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調制的數據率就提高了。

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

　　3 MC-PSK遠程水聲通信系統設計

　　圖2為設計用于UUV的遠程水聲通信系統框圖。整個(gè)系統考慮了水下信道的復雜特性，其核心步驟為MC-PSK調制。系統的工作過(guò)程如下：為進(jìn)行差錯控制，提高系統可靠性，發(fā)送信息首先進(jìn)入信道編碼器進(jìn)行糾錯編碼和交織。隨后對編碼信號進(jìn)行MC-PSK調制。調制后的數字信號在D/A轉換后，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(jìn)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(jìn)行多普勒頻移估計和多普勒補償。補償后的信號進(jìn)行MC-PSK解調，首先進(jìn)行多載波頻率估計，再用估計的頻率對信號進(jìn)行PSK解調。為抵消信道多徑傳輸和相位起伏對相關(guān)檢測的影響，解調信號還需要借助于自適應判決反饋均衡器(Adaptive Decision Feedback Equalizer，ADFE)及內嵌的數字鎖相環(huán)(Phase Lock Loop，PLL)進(jìn)行均衡系數和相位的聯(lián)合最佳估計。判決后的信號經(jīng)解交織、糾錯譯碼，恢復原發(fā)送信息。

　　4 MC-PSK水聲通信系統性能仿真

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

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

　　5 結束語(yǔ)

　　MC-PSK調制系統是水聲通信系統領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng )新。MC-PSK水聲通信系統不僅能大大提高數據傳輸率，增大傳輸距離，且還能實(shí)現信息的雙向傳輸。