浅海抗多途水声通信.doc

浅海抗多途水声跳频通信技术研究
许肖梅﹡，牛富强， 陶毅
（厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门，361005）

摘要：水声信道是一种极其复杂的随机时空频变、强多途和大起伏信道，在进行水声通信中。抗干扰能力强、隐蔽性好的跳频通信技术应用于水声通信领域，具有独特的优势，是近年来高稳健性水声通信技术研究中的一个热点。本文构建了一种基于DSP硬件平台的实时水声跳频通信系统，给出了系统编解码技术的实现方法。发射的帧信号由粗同步信号、细同步信号、时延信号和m序列生成的跳频信号组成，采用了补零FFT的方法进行解码，提高了鉴频分辨率。通过实验室水池实验及厦门港浅海域海上实验，验证了所设计系统在低信噪比、强多途干扰条件下的可行性和稳定性。由于可在较低的信噪比下工作以及m序列生成的跳频图案的隐蔽性，系统具有耗电省和通信隐秘、易于实现码分多址（CDMA）等性能，适用于构建水声网络通信。
关键词：水声信道；抗多途；跳频通信；DSP；

前沿

7

浅海声信道随机起伏、时-空-频变以及严重的多途干扰特征使得水声通信技术成为当代最为复杂的通信技术之一。无线电通信中许多已经成熟技术都难以适用于海洋声信道，必须重新改造，更多的则是要创新和开拓。浅海域由于其特殊的经济和军事战略地位，涉及到国家的利益与发展，使得浅海中水声通信技术成为当今研究的热点。特别是近十年来发展相当迅速，得到了人们高度的重视和广泛深入的研究。随着海洋开发与军事应用的不断需求，对水声通信设备的技术性能提出了越来越高的要求。
跳频通信是扩展频谱通信的一种重要方式，具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点，正是基于这两大特点，使扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力，抗噪声，抗多径；功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率（LPI---Low Probability of Intercept），具有保密性和多址能力，易于实现码分多址（CDMA）技术等。基于这些性能特点，水声跳频通信技术成为一种正在迅速发展，并引起广泛重视的水声抗强干扰通信技术[1]、[2]、[3]。
高速数字信号处理DSP技术以其嵌入式应用（系统成本、体积和功耗等高性价比特点）和实时的数字信号处理能力等特点在高速水声通信中得到广泛应用。本文构建了一种基于DSP硬件平台的水声跳频通信系统，该系统具有硬件简单、频率分辨率高、基金项目：国家863计划专项经费（2006AA09Z108）资助
*通讯作者：xmxu@
可编程等优点。系统以m序列作为跳频序列，利用补零FFT鉴频进行解码，通过水池和海上现场实验，验证了系统的可行性和稳定性。
1 水声跳频通信
跳频通信是扩频通信中的一种重要方式。扩频通信是将待传输的信息数据用伪随机码编码调制，将其频谱扩展后再发送到信道进行传输，在接收端采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原信号信息。构建的水声跳频通信系统原理框图如图1。在发射端先将信息数字化，变成两位的数字信息流，经过信源编码、信道编码后，然后经过FSK调制，得到的FSK信号送入混频器，在混频器中与m序列发生器输出的m序列（即跳频图案）控制DDS合成的频率进行混频，即可产生跳频信号（FSK-FH信号）。FSK-FH信号通过功率放大后，经由发射换能器发送到水声信道中。在接收端，接收到的信号经过前置滤波放大后，送入混频器，混频器中有一个同样的“跳频图案”，并保持它与所接收的信号同步。用此“跳频图案”的输出和所接收信号混频，就可以把发射端引入的“跳频图案”去掉（解跳），得到FSK信号，再调用信号处理相关算法做解调、解码，恢复原始发送信息。
编码

FSK
调制器
混频器
频率合成DDS
M序列发生器
功率
放大
信息
发射换能器
水声信道

（a）发射系统原理框图

接收换能器
前置
放大
混频
器
频率合成DDS
m序列发生器
FSK解调
信号
解
码

信息
时钟
同步

（b）接收系统框图
图 1 水声跳频通信系统原理框图
Fig.1 The principle diagram of UWA Frequency-hopping system

2 m序列生成跳频图案
跳频序列的设计主要涉及4个参数：频隙数目q、序列长度L、序列数目N以及汉明相关R。其中汉明相关是描述多个用户传输的参数。本文中考虑的是单用户传输，所以暂不考虑R。跳频序列中应用最广的、理论研究最深入是m序列，又称最大长度序列。M序列具有以下三个基本特征[4]：
1）平衡性：在M 序列的每个周期都存在个1和个0；
2）每个连续非零的二进制s元组（）都发生次，而连续全零的s 元组发次；
3）二值性：自相关函数只取两个值，即：
。
M序列优异的相关特性、随机性、易于产生等优点，确立了至今仍然把它作为跳频序列最简单、最容易的方法使用，m序列可通过线性移位寄存器来产生。
一个n 级线性移位寄存器通过不同的反馈组合，可以产生长度为的不同m序列个[2]，用这个m序列发生器的输出状态来控制频率合成器，即可生成频隙数目为的跳频序列。因为水声信道可用频点数较少，因此本文采用4级线性移位寄存器，产生长度为15 个的m序列。根据文献[5]，此m序列的本征多项式为，以生成的m序列：111101011001000，给定寄存器的初始值“1111”，按照时钟脉冲从左向右一次一次地移位，可得到一个跳频序列：，可以看出跳频序列的一个周期中，最大频率跳变距离仅发生一次，为8，其余为1～7，且各发生2次。我们还可以看出，这样的跳频序列中任意非零状态一个周期内只有一次，而m序列的周期为。因此，在个频隙中，每个频隙在跳频序列中也仅出现一次，跳频增益达到最大。在接收端相应地使用此序列进行解跳。

3 系统的实现
3.1 系统实现原理
本文设计了一种基于DSP的嵌入式水声图像传输系统。由于使用了DSP技术，对信号采集、变换及处理部分不再使用以往硬件的方法，而是采用灵活性好，易于修改的软件实现。系统框架如图2所示。
信源（计算机）

发射换能器
DSP（信号产生/调制）

接收换能器

前置放大器
滤波器
DSP（信号采集/解码）

显示(计算机)
水声信道

图 2 基于DSP技术的水声传输系统框图
Fig.2 UWA image communication system diagram
系统核心部分，选用两片TMS320VC5416 DSK作为硬件平台，完成包括发射端信号产生、跳频图案产生、调制和接收端解跳、解调以及计算机与DSP之间的通信等。TMS320VC5416 是TI 54x 系列DSP 中功能较强的一种定点DSP 芯片，适用于做通信系统的数据处理。信源和显示部分，采用VC++编写的主机客户程序。前置滤波放大，用MAX274制作的八阶连续时间Chebyshev带通滤波器，通带带宽为6kHz~12kHz，放大倍数50~1000可调。
系统的通信流程为：打开主机客户程序，将要发送的图象转化为信息比特流，传输到DSP中，DSP对接收到的比特流进行编码和调制，产生FSK-FH信号，然后送DSK板上自带的PCM3002Codec转换成模拟信号，最后由发射换能器将信号发射出去。在接收端，来自接收换能器的信号先通过前置滤波放大器后，送入DSK板上的PCM3002Codec转换成数字信号进入DSP。在DSP内进行信号检测及解码，解码后的信息比特流传输给主机客户程序显示。接收端始终处于接收状态，以抓取同步信号，获得同步后，立即接收信息比特流，当信息接收完毕后，便传送给主机客户程序显示。本系统同步抓取、信息检测都是使用软件对DSP芯片编程完成的，在编程中使用了TI针对自身的DSP产品提供的实时多任务优先级抢占操作系统DSP/BIOS以完成进程调度及外设初始化等工作[5]。系统使用并行操作，模块化设计，可保证实时工作，程序可扩展性强。
同步信号的捕获是水声跳频通信中的关键技术。在本套系统中，我们设计了一种粗细同步头的结构，并基于滑动互相关检测的方法进行同步信号的捕获。根据同步信号的相关性强而海洋环境噪声相关性差的特点，进行补同步和滤除假同步。粗同步采用单频正弦信号，通过频谱估计法，利用FFT实现快速捕获，细同步则采用线性调频（LFM）信号，在DSP中通过相关运算进行监测。图3、4给出了部分程序流程图。
开始
数据转移
去跳频图案
FFT运算
判断信息数据
修改相关指针
结束
开始
数据转移
互相关运算
判断相关峰
大于门限？
判断同步信号起点
修改程序指针入口
结束
大于
小于

图 3 同步抓取子程序 图 4 信息检测子程序
Fig.3 Flow chart of Synchronization program Fig.4 Flow chart of signal detection program

3.2 解调算法
对于水声信道，可用带宽非常窄，相应地可用的频点比较少，因此在设计跳频信号源时，需尽量减少相邻频点间的频率间隔，以便获得更多的可用频点。这样给鉴频带来了更大的挑战。如何获得足够的频率分辨率，成为目前跳频通信解调的难点。补零FFT[7]和线性调频Z变换（CZT）[8]是两种常用的方法，后者具有更优越的性能。研究表明，在两个以上不同频率叠加信号输入的情况下，CZT的分辨能力比FFT高了2/5。我们的研究表明，当两个信号的频率分别为10kHz、10.22kHz， 为333Hz时，从图5中可以看出，FFT已经无法分辨两个信号，但CZT仍可以清晰地分辨出来。但由于CZT要调用两次FFT和一次IFFT，所用时间较FFT长，因此本文采用补零FFT来提高频率分辨率。
本系统采用TI公司C54x系列数字信号处理器（DSP）芯片中的TMS320VC5416实现FFT。系统解调的整个工作流程中，FFT运算所占比重较大，为满足实时性传输，必须提高FFT的运算速度，因此实际设计中，通过调用TI公司自带的库函数，来达到算法的最优化。
4.24 9.88 10 10.22 21.2 kHZ
15e+5
10e+5

0
4.24 9.88 15.5 21.2 kHZ
2e+6
15e+5
10e+5
0

（a） (b)
图 5 包含频率为10kHz、10.22kHz信号的FFT(a)、CZT鉴频图(b)
Fig.5 FFT and CZT demodulation chart including 10 kHz and 10.22 kHz signal

4 实验结果及讨论
本系统在实验室水池和海上现场分别进行了测试。由于实验室水池尺寸小（4*3*2m3），换能器离四壁（水泥壁）较近，声线经水泥壁面的多次反射，造成声场复杂，多途的幅度起伏也非常严重，有明显的频率干涉衰落现象。水池中所测不同频率多途和同频率不同位置上的多途结构。

图6 水池中不同频率多途结构（a）和不同位置多途结构（b）
Fig.6 Multipath structures in water pool (a) different frequencies (b) different positions

海上实验地点在厦门外港海区（大担、二担、青屿线与鼓浪屿开阔海域），发射部分安装在厦门大学海洋楼前的浅海区域，水声通信的实验路线布置如图7中的标线所示，水池及厦门海域海上现场实验所得结果如图8、图9所示。

图7 海上实验布设
Fig. 7 The experimental test set up in Xiamen harbor

(a) (b) (c)
图8 水池中水声图像传输结果
（a）原始图象 (b) 信噪比为3db，误码率=0；（b）信噪比为0db，误码率=0.8%
Fig.8 Test results of image transmission in water pool

(a) 原始图象 (b) 接收图象
图9 厦门港海上3km处图象传输结果 (信噪比0dB，误码率为1.15%)
Fig. 9 Test results of image transmission in Xiamen harbor

跳频技术为浅海抗多途水声通信技术提供了一种简单而有效的手段。由于系统可在极低的信噪比下工作以及m序列生成的跳频图案的隐蔽性，系统具有耗电省和通信隐秘、易于实现码分多址（CDMA）等性能，可用于构建水声网络通信。为了提高跳频签频中的频率分辨率，我们在改进系统中的解调算法中拟采用CZT方法以满足实时性需求。

参考文献：
[1] Fruitage L, Stojanovic M. Analysis of channel effects on direct-sequence and frequency-hopped spread-spectrum acoustic communication [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering (S0364-9059), 2001, 26(4): 586-593.
[2] M.Stojanovic, J.G.Proarkis, J.A.Rice, M.D.Green, “Spread spectrum underwater acoustic telemetry,” Oceans’98 Conference Proceedings, Volume: 2:650~654, 1998.
[3] Freitag L, Grund M. The WHOI Micro-Modem: An Acoustic Communications and Navigation System for Multiple Platforms [C]// OCEANS, 2005. Proceedings of MTS/IEEE (S0-933957-34-3), USA, 2005, 2: 1086-1092.
[4] 曾一凡,李晖.扩频通信原理[M].北京:机械工业出版社,2005.
[5] 彭启琮,管庆.DSP集成开发环境[M].北京:电子工业出版社,2004.

Anti-multipath Frequency-Hopping Communication Technique in Shallow-water Acoustic Channels
XU Xiao-mei, NIU Fu-qiang, Tao Yi

(Key laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,
School of Oceanography and environment, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Abstract： Underwater acoustic (UWA) channel is expressed as complex channel which is randomly variable in time-space-frequency. Combating the strong underwater multipath and large fluctuation is the most challenging task of an UWA communication system. Frequency-hopping (FH) communication system features its low probability of intercept and anti-interference which is widely application in underwater acoustic communication recently. A real –time FH communication system based on high-speed digital signal processor (DSP) is introduces in this paper. The frame of transition signal is composed of coarse and subtle synchronization, time delay signal and FH signal created by M-sequence. Fill zero FFT algorithm is used to demodulate received signal and to improve the ability of frequency discrimination. The laboratory pool experimental results verified the good performances of the system in robustness and feasibility.
Key words：shallow-water acoustic channel，anti-multipath, frequency-hopping; DSP