王洪民 王曉陽 郭小宇 張 瓊

（1.海司信息化部 北京 100036)（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430250)

1 引言

擴展頻譜技術以其抗干擾能力強、抗衰落、可實現(xiàn)多址通信等優(yōu)點受到人們的重視，在無線電通信領域中得到了成功的應用。而水聲信道是水下唯一可以進行遠程信息傳輸?shù)奈锢砻劫|，它較無線電信道復雜得多［1］。其中聲波在水聲信道中傳播的衰減與聲的吸收、散射、反射、幾何擴展等因素都相關。近年來，各國研究人員針對水聲信道的這些特性，從如何降低多途干擾的影響和盡可能多地獲取聲場信息等方面進行了深入的研究，眾多海軍強國都在水聲擴頻通信領域中取得新的研究成果。本文首先介紹了擴展頻譜通信技術的理論基礎，然后重點研究了應用于水聲通信的直接序列擴頻通信系統(tǒng)，并將其在硬件平臺上實現(xiàn)，最后對其功能進行電氣聯(lián)調和湖試實驗。

2 擴展頻譜技術

2.1 理論基礎

擴展頻譜技術就是將要發(fā)送的信息序列的頻譜擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端通過相應的處理恢復出原始的發(fā)送序列。其以香農定理為理論基礎［2］：在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率（信道容量)為

式（1)中，B為信號帶寬；S為信號功率；N為噪聲功率。N＝n0B，其中n0為白噪聲下的功率譜密度，所以，在B，S，n0確定的情況下，信道容量C也就確定了。

當系統(tǒng)信號的信噪比降低時，可以增加系統(tǒng)的傳輸帶寬B，從而保證信道容量C不變。于是在信號的信噪比一定的情況下，可以增加傳輸帶寬B，進而使信息傳輸?shù)恼`碼率大大降低。通過選取偽隨機序列即擴頻碼，來實現(xiàn)擴展所需傳輸?shù)臄?shù)字信號帶寬B的目的。由于擴頻通信具有很寬的帶寬，所以在相同的信噪比的條件下，擴展頻譜通信技術具有很強的抗干擾能力。

2.2 偽隨機序列

在直接序列擴頻方式中，要傳遞的信號是通過m序列這一偽隨機序列進行擴展的，它作為一種易于產(chǎn)生的偽隨機序列，具有極其良好的自相關特性。循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生的m序列，受反饋系數(shù)的影響。關于反饋系數(shù)的值，可以通過查表獲得。一個r階的循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生的m序列的一個周期長度為2r－1。

m序列具有很好的隨機性，序列中1的個數(shù)僅比0多一個；還具有周期性和均衡性等特點。在水聲信道中被m序列擴頻的信號之所以能夠互不干擾的傳輸，主要是因為m序列具有良好的自相關和互相關特性。m序列的自相關特性如式（2)所示：

下面選取反饋系數(shù)為2011和2033的10級移位寄存器，產(chǎn)生m序列的相關性圖：

圖1 m序列的相關性曲線

從圖1（a)中可以看出，m序列的自相關峰極其尖銳，同時它還擁有極低的自相關旁瓣，因此m序列具有較強的信道分辨能力。水聲信號在水聲相干多途信道傳播時的多徑干擾十分明顯，給正確解碼帶來了很大的困難，而偽隨機序列良好的相關特性可以抑制由多徑信號引起的碼間干擾，這將使得系統(tǒng)具有很好的抗多徑能力。從圖1（b)可以看出m序列和m序列的互相關值很低，這說明多用戶干擾小，可以利用其進行多址水聲通信。

3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)

3.1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)組成

直接序列擴頻系統(tǒng)框圖如圖2所示［2］：

圖2 直接序列擴頻系統(tǒng)框圖

直接序列擴頻系統(tǒng)中，傳送的信息通過偽隨機序列來攜帶。a（t)是發(fā)送的二進制碼元信號，碼元速率Ra，碼元寬度Ta，其中Ta＝1/Ra，則a（t)為

其中：an為信息碼，ga為門函數(shù)：

偽隨機序列c（t)由偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生，碼元速率為Rc，碼片寬度為Tc，其中Rc＝1/Tc，則：

式中：cn的值為＋1或－1，它是偽隨機碼碼元，gc為門函數(shù)。

擴展頻譜通信實際上就是將偽隨機序列同發(fā)送信息進行模2相加的過程，即對信號a（t)進行擴頻處理，得到的擴頻信號為

信號經(jīng)過了頻譜擴展，然后利用載波cos（2πfct)進行調制，其中fc是載波頻率，最后將信號由發(fā)射換能器發(fā)送到水聲信道中。s（t)是發(fā)射換能器輸出的擴頻信號，這里信號a（t)的傳輸過程就是對a（t)頻譜擴展的過程。

擴展頻譜的信號r（t)在接收端被接收到后，進行同步解調，并用PN碼c′（t)解擴接收到的信號，這里的偽隨機碼與發(fā)射端的偽隨機碼必須是相同的。這樣，通過相關檢測處理，將信號的帶寬壓縮到原始基帶信號的帶寬內，這是因為本地的擴展頻譜信號和有用的信號具有較好的相關性。

因為本地參考的擴頻信號同偽隨機序列不相關，所以信道中干擾的頻譜，在解擴的過程中被擴展，而不是被壓縮，這樣將信道中的干擾信號能量擴展到整個信道的傳輸頻帶當中，也就大大降低了單位頻率內的干擾信號的能量。最后通過濾波器的處理，解擴之后的信號只有基帶信號帶寬內的干擾信號以及基帶信號，改善了系統(tǒng)的信噪比。信噪比與帶寬在解擴過程前后的變化如圖3所示。

圖3 信噪比與帶寬前后的變化

3.2 直接序列擴頻通信系統(tǒng)仿真

為了更直觀地了解直接序列擴頻通信的過程，以m序列為例，在Matlab7.0仿真環(huán)境中進行直接序列擴頻通信的系統(tǒng)仿真。圖4為直接序列擴頻通信發(fā)送端的信號處理過程，依次分別表示，隨機產(chǎn)生的要發(fā)送的原始碼元、四階循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機碼、擴頻后的序列、以及調制后的信號（中心頻率fc＝6kHz，采樣頻率fs＝48kHz，擴頻碼時寬Tm＝1ms)。

圖4 直接序列擴頻通信發(fā)送端信號處理過程

圖5為直接序列擴頻通信接收端的信號處理過程，依次分別表示，接收端所接收的經(jīng)過信道的信號、接收的信號經(jīng)解擴后所得的信號、解調后的信號經(jīng)過低通濾波器后的低頻成份（信號的包絡)、以及經(jīng)過最終處理后所得到的接收碼元信號。

圖5 直接序列擴頻通信接收端信號處理過程

可以通過計算接收到的碼元信號和發(fā)送的原始碼元的誤碼率，進而驗證直接序列擴頻通信理論性能。

4 擴頻通信平臺的軟硬件設計與實現(xiàn)

擴展頻譜通信技術作為第三代移動通信的核心技術，實現(xiàn)其功能的通信硬件平臺需要快速的完成數(shù)據(jù)通信和信號處理過程，這給通信硬件平臺的處理芯片提出很高要求。本文的擴頻通信平臺的核心處理器，選用的是具有較強的數(shù)據(jù)運算處理能力和較高的運算精度的浮點型DSP芯片TMS320C6713DSP芯片（以下簡稱 C6713)［3］。

C6713的并行運算能力可以通過基于Cache的內存體系結構的設計最大限度的發(fā)揮出來，當DSP工作在225MHz的系統(tǒng)時鐘頻率時，它可以達到每秒處理1800M條浮點運算指令和每秒執(zhí)行1350M浮點操作運算的性能。

C6713不僅運算速度很高，而且還有片內存儲器和豐富的片上外圍設備，包括：EDMA，GPIO，EMIF，McBSP和McASP等。而且擁有專業(yè)的指令集，支持多種工業(yè)標準的接口協(xié)議的特點，使C6713綜合性能很高，對芯片的操作變得十分靈活。

本文基于DSP的水聲擴頻通信平臺分為最小系統(tǒng)硬件電路和外圍擴展電路兩部分。為完成擴頻通信的基本功能，最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)、程序存儲模塊、電源模塊、復位電路、時鐘電路和仿真接口電路。外部擴展底板是擴頻通信平臺的另一個重要組成部分，其主要進行信號采集、發(fā)送，并實現(xiàn)與主機間的數(shù)據(jù)通信、程序傳輸?shù)墓δ堋?/p>

本文在CCS集成開發(fā)環(huán)境當中完成DSP的軟件開發(fā)，使用匯編語言與C語言結合的方式進行程序編寫，然而在開發(fā)初期階段對于DSP芯片的初始化，采用C語言會使程序設計變得復雜，因此應用了CSL芯片支持庫，CSL函數(shù)庫可以大大地簡化復雜的寄存器配置問題。

5 電氣聯(lián)調及湖試實驗

為了對水聲擴頻通信平臺的硬件功能進行測試，利用音頻線作為傳輸信道，在音頻接口端輸入一個中心頻率為1kHz的音頻信號，通過擴頻通信硬件平臺的硬件寄存器配置，實現(xiàn)以DSP為核心的通信平臺的信號發(fā)送與采集功能［8］。

圖6 cooledit中查看音頻信號

圖7 D/A端發(fā)送信號波形N

圖6表示的是在cooledit中查看的輸入的1kHz的音頻信號波形。圖7表示的是在示波器中查看的D/A端發(fā)送地信號波形。其中，設置的音頻編解碼芯片（CODEC)的采樣頻率為48kHz。

由圖6和圖7的顯示輸出波形，可以驗證擴頻通信硬件平臺可以基本完成信號的發(fā)送與接收功能，為水池以及湖試實驗做好準備。

為進一步驗證系統(tǒng)性能，在平均水深為40m，面積為8012公頃的湖中進行測試，收、發(fā)節(jié)點分別安置在兩條船上。發(fā)射換能器吊放深度為水下2m，剛性連接在發(fā)射船上；接收水聽器吊放深度為水下7m；信源信宿相距距離為300m，發(fā)射聲源級調節(jié)在135～180dB之間。

發(fā)送端發(fā)送的碼元數(shù)據(jù)信息是頻率為1.5kHz，占空比為50%的方波信號（如圖8所示)，信號經(jīng)過直接序列擴頻通信的編碼與調制處理后，利用發(fā)射換能器將其發(fā)射到水聲信道中。信號經(jīng)過水聲信道，被接收端的水聽器接收，并對信號進行采集和擴頻解碼解調處理，最后在CCS中查看接收到的碼元信號的波形（如圖9所示)。通過驗證，通信系統(tǒng)在通信速率為30bit/s時，實現(xiàn)誤碼率為0的傳輸。

圖8 發(fā)送碼元信號波形

圖9 接收碼元信號波形

6 結語

直接序列擴頻系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，包括抗噪聲干擾和抗多途干擾。其抗噪聲性能與本身的干擾容限有關。一般情況下，對于多途時延超過偽隨機序列一個碼片寬度的信號，直接序列擴頻系統(tǒng)都是可分辨的；直接序列擴頻系統(tǒng)具有很強的隱蔽性；由于在直接序列擴頻系統(tǒng)當中起到擴頻作用的偽隨機序列具有很好的自相關特性，所以直接序列擴頻具有多址功能；此外直接序列擴頻系統(tǒng)還具有抗衰落的性能。

正是直接序列擴頻技術的這些特點，使其在多普勒和多徑效應嚴重的水聲通信中發(fā)揮了重要作用，而本文的研究對其在水聲通信中的應用起到積極的推動作用。

［1］殷敬偉.水聲通信原理及信號處理技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

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［3］任麗香，馬淑芬，李芳慧.TMS320C6000系列DSPs的原理和應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

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［5］李博.水聲通信系統(tǒng)關鍵技術研究［D］.長春：長春理工大學，2012.

［6］韓晶，黃建國，蘇蒍等.水聲通信實驗信道仿真研究［J］.應用聲學，2007（06)：375380.

［7］黃曉萍，桑恩方.一個水聲擴頻通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.海洋工程，2007（01)：127132.

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［9］唐澤建，楊曦，高強.低速水聲擴頻通信系統(tǒng)仿真研究［J］.艦船電子工程，2010（06)：7072.

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