（水声工程专业论文）基于pattern时延差编码体制水声通信系统实时信号处理算法实现.pdf

哈尔滨 二程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h em a r i n er e s o u r c e se x p l o i t a t i o n ，t h e u n d e r w a t e r a c o u s t i c ( u w a ) c o m m u n i c a t i o ni sb e c o m i n gm o r e a n dm o r e i m p o r t a n tn o to n l yi nm i l i t a r ya f f a i r sb u ta l s oi nc i v i lf i e l d s c o n s e q u e n t l y , t h e u w ac o m m u n i c a t i o nh a sb e e nt h ei n t e m a t i o n a lf o c u so fr e s e a r c h e r sa tp r e s e n t d u r i n gt h eu w ac o m m u n i c a t i o nc o u r s e ，d a t ao rc o n t r o lm e s s a g ei s t r a n s f e r e dt h r o u g ht h eu w ac h a n n e l a n dt h ei n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db yt h e m u l t i p a t hc h a n n e l i st h ep r i m a r yb a r r i e rt or e a l i z eu w a c o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o n t r a n s f e r , e f f i c i e n tt e c h n i q u e sm u s t b ea d o p t e dt or e d u c et h ei s i i nt h ed i s s e r t a t i o n ，r e a l - t i m ep r o c e s s i n gp r o g r a mb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 i sd e v e l o p e d t h ep r o g r a mi sb a s e do nt h es i n g l e e l e m e n tv i r t u a lt i m er e v e r s a l m i r r o r ( v t r m ) a n dp a t t e r nt i m ed e l a ys h i f t ( p d s ) c o d i n gs y s t e m ( v t r m - p d s ) a n di ti su s e dt op r o c e s st h er e c e i v e d s i g n a li nt h ec o m m u n i c a t i o nn o d e t h e a p p l i c a t i o np r o g r a mo ft h ev t r m p d sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa b l et of o c u s t h e m u l t i p a t hs i g n a le f f e c t i v e l y ，m i t i g a t et h ei s ia n df u r t h e rt r a n s f e rt h e i n f o r m a t i o nr e l i a b l y t om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，t h es y s t e mi si m p l e m e n t e do nt h ec h i po ft m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ( d a v i n c im o d e ) a n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a mi sd e v e l o p e di nc 6 4 x + c o r e o ft m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 t h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h e p r o c e s s i n g c a p a b i l i 够o ft h er e c e i v e ra r ei m p r o v e dt h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to ft h e o r ya n d a l g o r i t h m t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sas e r i e so fm e a n sa d a p t e dt op d ss y s t e m ， s u c ha s p r o g r a mf l o w , d a t af l o w , d a t as t o r a g es t r u c t u r e ，d e t e c t i o nm o d e ， e a l i b r a t i o nm o d ea n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e sc o m p u t e rs i m u l a t i o n ， c h a n n e lp o o lt r i a l ，l a k et r i a ld a t ap r o c e s s i n ga n ds oo n ，t ov e r i f yt h et h e o r e t i c a l b a s i sa n dp r a c t i c e c a p a b i l i t yo ft h eu w ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er e s u l t s p r o v et h ef e a s i b i l i t y , v a l i d i t ya n dr o b u s t n e s so ft h er e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n g 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 p r o g r a m ，a n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a m a c h i e v e st h ep r o s p e c t i v et a r g e t k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；p a t t e r n t i m ed e l a ys h i f t c o d i n gs y s t e m ；s i n g l e - e l e m e n tv i r t u a lt i m er e v e r s a lm i r r o r ；d s p ； t m $ 3 2 0 d m 6 4 4 6 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：彦协 日期：撕砰年岁月堋 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：步易伟 导师( 签字) ：勃委弓 日期： 妒7 年事月功日砂叩p 年多月多矿日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景和意义 自第二次世界大战以来，国际社会政治、军事、经济竞争的焦点逐渐转 向海洋，应用高新技术维护海洋权益、开发利用海洋资源、保护海洋环境、 减轻海洋灾害损失、增强海上军事实力，从总体上提高国家的海洋竞争能力， 成为国际关系和社会发展的重要内容。随着人类对海洋的关注和开发海洋步 伐的加快，各种数据信息，如水下无缆电话、水下电视图像、海底勘探遥测 数据、水下机器人和海上石油平台的遥控数据、水文站的采集数据等等，利 用水声信道和水声通信系统进行数据传送的需求大为增加。因此，发展水声 通信已经迫在眉睫。 水声通信几十年的发展过程中，美、英、日、法等发达国家的水声工作 者都相继开发了一些试验系统。从早期简单的频移键控，发展到多频、多相 的多维编码( m f s k ，m p s k ，q p k 等) 以及采用自适应均衡，频率分集、 空间分集和卷积码、纠错码等许多复杂技术的结合巧1 。研究主要集中在美、 英、法日本等国家的大学和科研机构。所发表的成果中，有些已接近实用标 准。但实际使用时，成功与否与水文条件和实际海洋环境有很大关系。国外 的许多公司也积极开展了水下声通信的研究，已开发出了一系列成型的产品。 我国水声数字通信技术的发展较晚，始于上世纪8 0 年代中期，主要对 m f s k 信号、卷积码和维特比译码技术进行了研究。进入9 0 年代，我国也研 究了相干水声通信技术，自最佳判决反馈均衡加白最佳相位跟踪技术，湖试 中取得较好的结果。我国学者还进行了自适应信道均衡技术的研究工作，并 将其用在浅海多途情况下的相干检测。此外还开发了独特的低比特率、高可 靠性的p a t t e r n 编码通信技术。目前我国对现代水声通信技术进行的研究主要 有：中科院声学研究所从事的高速水声通信技术研究，西北工业大学研究水 雷的远程遥控技术，香港城市大学研究了o f d m 调制方式的高速水声通信技 术，厦门大学利用跳频技术实现了实时的语音通信，东南大学进行水下通信 网络的仿真研究，北京长城无线电厂进行了远程通信的扩谱技术研究。哈尔 滨工程大学开展的包括：高速相干相位调制技术，自适应均衡技术，o f d m 哈尔滨工程大学硕十学位论文 技术，空间分集技术，水下通信网络层设计，基于矢量传感器的声能流检测 和频率方位联合解码技术等。同时还进行了相关的宽带匹配、高速d s p 处理 技术和低功耗水下通信节点的研究工作7 1 。但我国在水声通信领域的总体水 平目前尚落后于国际先进水平。 当今水声通信的前景为活动和静止节点共同构成的水声数据通信网络， 如建立的水下自治采样网络，可以提供多个网络节点间交换数据的功能，美 国性能最好的水下信息作战系统d a d s ，迄今完成三次定型海试，该系统可 用于全球信息化海战，也可用于信息化的海洋研究与开发。但是国内在这方 面的研究几乎是一片空白。所以建立水声数据通信系统在军、民两方面均具 有重要的应用价值。 本文所研究的水声通信节点实时处理程序建立在单阵元v t r m p d s 通 信系统之上，具有良好的通信性能，能有效抑制多途达到高可靠性传输。本 文对通信系统进行了一系列的仿真验证和试验验证，并对活动节点与静止节 点问的水声通信系统性能进行了探索性试验，旨在为发展、构建水下活动和 静止节点共同构成的水声数据通信网络提供节点信号处理模块，为建立水声 数据通信系统打下基础。 1 2 水声通信关键技术介绍 水声通信是利用水声信道进行数据或控制信息的传输。从通信的角度看， 水声信道与无线电高频、散射以及移动信道、水声通信技术与无线电通信技 术都有许多相似之处，但在信道带宽、数据率、系统的可靠性等性能指标以 及系统结构和组成等诸多方面，水声通信与无线电通信都有很大的不同，其 关键在于水声信道可能是自然界中最复杂的无线通信介质p 8 。1 0 1 。众所周知， 水声信道是一个复杂的时变空变信道，它对水声通信系统的主要影响是传播 损失、多途传播和相位起伏1 。其中多途传播是影响水声通信系统性能的重 要因素之一。多途传播会造成码间干扰。在无线电信道中，码间干扰通常为 几个码元宽度，而在水平传播的水声信道中，对中、高数据率的浅海信道的 码间干扰将有几十个和几百个码元宽度u 2 1 3 1 。例如在中距离的水平信道中，多 途时延可能超过6 0 毫秒，从而造成长的码间干扰，严重的限制了系统的传输 速率。抑制多途达到高速的可靠传输无疑是水声通信系统中一项极具挑战的 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 任务。 文中主要涉及两方面水声通信关键技术：p a t t e r n 时延差编码水声通信体 制、时间反转镜信道均衡技术。文中将这两种关键技术有机的结合起来构成 了虚拟式时间反转镜p d s ( v t r m p d s ) 水声通信系统。 1 2 1p a t t e m 时延差编码水声通信体制 p a t t e r n 时延差编码( p a t t e mt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g ，简称p d s ) 通信体 制是由哈尔滨工程大学在上世纪9 0 年代提出的，属于一种脉位编码( p u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n p p m ) 。 该编码体制是将数字信息调制在p a t t e r n 码出现在码元窗中的不同时延 位置处，不同的时延差代表不同的信息。p a t t e r n 时延差编码水声通信体制将 信息编码技术和信道编码技术相结合，具有抗多途干扰的能力u 4 j 6 1 。 p d s 通信系统利用了码元的多种不同波形( p a t t e m ) 来进行码元分割， 其优点是所占频带较窄，且能稳健地适应水声多途信道刀。另外，还可通过 频率分割划分不同的频段来实现多信道同时工作，成倍提高通信速率u 7 。明。 1 2 2 时间反转镜简介 时间反转镜( t i m er e v e r s a lm i r r o r ，t r m ) 技术是近年来水声信号处理技 术研究中的一个热点。它在静态声场的基础上，利用声场传输的收发互易性， 实现了接收的时反信号在时间上的压缩和空间上的聚焦犯蚴1 。时间压缩和空间 聚焦这两个特性使t r m 技术在固定节点间水声通信中有了应用空间。利用 t r m 技术的时间压缩性能，可克服水声信道的多途效应，可以有效减小水声 通信中的码间干扰，增加通信距离。利用其空间聚焦性能，可以减小信道衰 落的影响。 时间反转镜有多种分类方式：按照构成时间反转镜的阵元数量可分为基 阵时反镜和单阵元时反镜；按照时间反转镜各阵元是否需要收发合置可分为 主动式时反镜( a t r m ) 矛i 被动式时反镜( p t r m ) ；按照时间反转镜实现方法的 不同可分为常规时反镜和虚拟时反镜口3 。卅( v t r m ) 。 传统的主动式时间反转镜口3 剥为双向传输，信号需要往返共发送两次，时 反镜收发合置阵元将接收到的信号时间反转后重新发射回去，这其中包含了 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 接收到的噪声，并且声源p s 处还将存有混响干扰。一方面时反镜阵元的收 发合置，增加了发射功率及系统设备的复杂性。另一方面，进行反向传输时 发射的噪声增加了额外的噪声。这两点都可导致主动式时间反转镜性能下降。 被动式时反镜口5 2 6 1 不需要时反镜阵元收发合置功能，只需单向传输就可实 现时反镜。但由于被动时间反转镜需要将码元信号与接收到的探测信号的时 间反转作卷积，因此需要准确的接收探测信号，这样就会要求信噪比略高一 些。 虚拟式时间反转镜胆7 。2 9 1 阵元也不需要收发合置，且不需要二次发送信号。 虚拟式时间反转镜是通过对接收到的探测信号进行处理，估计出信道冲激响 应，将接收到的信号与估计信道的时反作卷积，虚拟地实现时间反转镜。亦 即如果能估计出信道的冲激响应函数，就能虚拟地实现时间反转。虚拟式时 间反转镜引入的噪声干扰小，设备复杂度低，而且就运算量而言，虚拟式时 间反转镜运算量最小，适合于做实时运算。 1 3 信号处理平台简介 为满足通信节点的高性能、低功耗的工作需求，选择t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 为硬件开发平台，设计开发单阵元v t r m p d s 通信系统通信节点接收信号实 时处理程序。该d s p 处理程序使用c 编语言编写，开发环境为c c s 。 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 p m 3 2 1 有着丰富的资源和强大的计算能力，具有高性能、 低功耗、拥有专用的视频图像处理器和视频处理子系统、大存储容量、众多 的外设、采用时钟控制等结构特点。 1 4 工作任务与论文结构 本文主要任务是基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台设计开发单阵元v t r m p d s 通信系统通信节点接收信号实时处理程序，以实现对接收信息的实时解算， 并对通信系统理论及信号处理程序性能进行验证。 论文主要内容安排如下： 第1 章：简单介绍了论文的选题意义和背景以及水声通信关键技术，并 对算法的实时信号处理平台t i 公司推出的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片作了简 单介绍；随后，阐述了论文的主要工作内容和论文结构； 4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第2 章：阐述了p a t t e r n 时延差编码水声通信体制和时间反转镜技术的基 本原理，并在此基础上论述了系统所采用的由上述两种理论相结合而成的单 阵元v t r m p d s 水声通信方案的原理及通信系统性能。为满足工程实践中高 处理速度和低存储空间的需求，本文在已有理论基础上对传统p a t t e r n 时延差 编码方式和虚拟式时间反转镜算法进行了一系列改进。在本章最后，进行了 水声通信系统计算机仿真实验研究。通过仿真实验从两个方面对水声通信系 统方案进行检验。首先，检验虚拟时间反转镜在不同信噪比以及多种不同信 道条件下抑制多途的性能；第二，仿真测试单阵元v t r m p d s 通信系统算法 在各种信噪比条件和多径条件下的性能和稳健性。通过计算机仿真实验为 d s p 实时处理程序的开发奠定坚实理论基础； 第3 章：进行了单阵元v t r m p d s 水声通信系统实时信号处理软件的开 发，使该通信系统得到硬件实现最终应用于工程实践。第3 章最后通过模拟 器仿真实验对通信软件进行测试，考察处理程序的实时性和正确性； 第4 章：通过展开信道水池实验及湖试数据处理等实践环节全方位考察 整机软件硬件的性能，评估该通信系统的可行性、通信效果并研究信道对通 信系统的影响。在实验中不断的完善程序、改进系统，以确保系统的实时性、 有效性、稳定性、可靠性。 本论文得到了国家自然科学基金的支持( 批准号：6 0 8 0 2 0 6 0 ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章水声通信方案及系统仿真研究 2 1p a t t e r n 时延差编码体制 p a t t e r n 时延差编码( p a t t e r nt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g ，p d s ) 水声通信体制 属于脉位编码( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 的一种，该体制将信息编码技 术和信道编码技术融于信号码元的设计中，使得每个携带信息的基本码元均 具有抗水声多途干扰的能力，能可靠地传输信息，而且码元占空 = l ( d u t yc y c l e ) 小，从而具有节省系统功耗的特性。这些特性使得p d s 体制在水声通信领域 具有应用优势”1 。 2 1 1p a t t e r n 时延差体制编码原理 p a t t e r n 时延差编码是脉位编码的一种，其携带的信息体现于p a t t e m 码出 现在码元窗的位置。设码元宽度为t o ，p a t t e r n 码脉宽为乃，则编码时间为 t c = t o 乃。若期望每个码元携带2 b i t 信息，则将编码时间t c 划分为以a 、b 、 c 、d 为端点的3 等份( 如图2 1 所示) 。 t ct 。 。：l 竺竺剑 a b cd ij 、弋 l 图2 1p a t t e r n 时延差编码原理示意图 若想表示二进制信息“00 ”时，p a t t e m 码应出现在a 位置；若想表示二进 制信息“10 ”则p a t t e r n 码应出现在c 位置。即欲使每个码元携带n b i t 信息，则 编码时间将被量化为( 2 ”- 1 ) 等份，量化间隔为a r = 乃( 2 ”一1 ) ，用f 来表 示时延差则有 f = k a r ， k = 0 ，1 ，2 ”一l( 2 1 ) 6 哈尔滨工挥大号：硕十学位论文 i l l 式中k 的不同取值代表着不同的信息。 2 1 2p d s 体制译码原理 由于信息调制在p a t t e r n 码的时延差中，所以在接收端，如果能够准确的 估计出p a t t e r n 码的时延差值，就可以准确地译码。本通信系统采用拷贝相关 时延估计法进行译码。是用发射信号的拷贝与经过信道传输后的接收信号做 相关。在性能上可以等价于匹配滤波器，输出具有最大信噪比。在接收端同 步后，并且认为在通信过程中信道是不变的或者是慢变化的，通过对拷贝相 关器输出的相关峰值在码元窗中的位置，便可以判断时延差值，进而可恢复 出调制的信息。 2 1 3p d s 体制编码方式的改进 以往资料中十进制数字k 往往代表与其值对应的二进制信息，如果信源 发出的二进制信息为“o10 ”，则对应十进制数k = - 2 ，编码器将会以f = 2 x a r 作 为时延差值进行编码。对应关系如下表所示： 表2 1 信息编码对照表 编码时延差值f对应的十进制数k 信源并行b i t 信息 0 a f 00 0 0 1 a f10 0 l 2 a r2 0 1 0 3 f 30 1 1 4 a f 41 0 0 5 a f51 0 1 6 a r 61 1 0 7 f 71 11 但这样的编码方式存在一定的问题。如当信源为“011 ”，则k = - 3 ， f = 3 x a r 。如果译码时发生错误，拷贝相关峰值由于噪声或节点存在运动速 度等影响出现偏差，导致解码时相关峰偏了一个量化层，判断f = 4 x a r ，则 解出k = 4 ，对应信源信息为“100 ”。“011 ”与“l0o ”相比3 个b i t 全部错误。 如果解码时相关峰向前偏了一个量化层，判断f = 2 x r ，则解出k = - 2 ，“01o ” 7 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 与“o11 ”相比仅有1 个b i t 出现错误。相邻量化层的误判会导致不同的误码 率，为了降低误码率，保证误码率不会受向前误判和向后误判的概率影响， 本文中对该编码方式作了简单的改进，用来解决上述问题。 新的信息编码对应关系如下表所示： 表2 2 信息编码对照表 编码时延差值f对应的十进制数k信源并行b i t 信息 0 t 00 0 0 1 t 10 0 l 2 t20 ll 3xa t3 0 1 0 4 f 41 1 0 5xa t 51 1 1 6 xa t6 1 0 l 7 xa t 71 0 0 决定编码时延差值的k 值，与信源并行b i t 信息不再保留二进制与十进制 的对应转换关系。如上表所示，当信源信息为“0lo ”对应k = 3 ，不再是k = 2 。 虽然这样在信息编码和信息解码过程中需要增加查表过程。但对于d s p 运算 来说，这个时间微不足道，所以用处理时间来换取降低误码率的效果是非常 值得的。 2 2 虚拟式时间反转镜技术 虚拟式时间反转镜( v i r t u a lt i m er e v e r s e dm i r r o r , v t r m ) 是时间反转镜技 术中的一个子类。时间反转镜具有空间聚焦和时间压缩的特性，因此接收到 的多途扩展信号在时间上被压缩而近似于原编码信号，从而有效抑制多途扩 展或消除码间干扰口8 1 。虚拟式时间反转镜相对于其它时间反转镜处理方法而 言，引入的干扰噪声小，设备复杂度低，运算量最小，适合于做实时运算， 因此具有很高的工程应用价值。 2 2 1 虚拟式时间反转镜实现过程 在虚拟时间反转镜中，发射换能器s 在发射信息信号s ( r ) 之前，先发射 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 探测信号p ( t ) 用来探测信道，对接收到的探测信号p ，( ，) 作拷贝相关，得到拷 贝相关输出p 。( r ) ，p 。( ，) 展现出一系列的相关峰，以设定的门限为标准，超 过门限的相关峰值保留，这一系列保留下来的相关峰即为估计出的信道冲激 响应h ( f ) ，将厅心) 进行时间反转得到办( 一f ) 。接收到的信息信号j ，( ，) 与乃( 一，) 作卷积，作为最终虚拟接收到的信号r ( f ) ，其波形近似于原信息波形s ( f ) 。 !v t r m 模块 i ! ，j 图2 2 虚拟式时间反转镜实现框图 v t r m 处理过程表达式如下2 7 2 9 1 ： s r ( r ) = j ( f ) o 乃( ，) + 刀( ，)( 2 2 ) ，( f ) = 8 r ( f ) h ( 一f ) = 【j ) 乃o ) 】o 向( 一f ) + 刀 ) 圆乃( o ) ( 2 - 3 ) = s o ) o 办o ) o h ( 一f ) + 刀0 ) o h ( 一f ) 记：石( ，) = h ( t ) o 办( 一f ) ，称为虚拟时间反转信道，视为系统最终经过的 有效“信道”。j j 5 ( ，) 是办( ，) 与其估计办。( ，) 的互相关函数，当办( f ) 逼近于厅( f ) 时， 乃( f ) 近似于信道办( f ) 的自相关函数，当声信道较复杂时其相关峰尖锐，其主 峰幅度明显高于旁瓣即其它“多途”信号，此时可视为“单峰的”。信号经过虚 拟时间反转镜处理后，相当于信号没有经过复杂的声信道进行传播，而是经 过办( f ) 这个单途径的虚拟信道。从而抑制了海洋信道多途扩展产生的码间干 扰。并且式( 2 - 3 ) 右边第一项为p ( f ) 圆厅( f ) 】o 办( 一，) ，可视为多途信号s ( f ) o 办( f ) 与乃。( 一f ) 卷积，是对多途信号的延迟叠加，从而使各多途信号分量同时同相 相干叠加，增加信号能量；第二项为n ( t ) oh ( 一r ) ，白噪声托( f ) 与办( 一f ) 卷积， 相当于噪声被延迟叠加，由于白噪声在时间上相关半径为0 ，即不同时刻的 白噪声是不相关的，所以白噪声延迟叠加为能量叠加。可见，v t r m 可使信 号分量相干叠加，而噪声分量非相干叠加，v t r m 处理起到了增加信噪比 的作用。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 数字虚拟式时间反转镜 虚拟式时间反转镜具有算法引入的干扰噪声小，设备复杂度低，运算量 小，适合于做实时运算的特点，因此在本文设计开发的通信系统d s p 实时处 理程序中就应用了该技术。 为将该算法应用于工程实践，使之适应于d s p 实时处理平台，我们做了 一系列的改进。若虚拟式时间反转镜进行信道估计所得的信道冲激响应为 | i i 。) ，传统的处理方法是将磊) 进行存储，经时间反转后再与接收到的信息 信号j ，( f ) 作卷积，作为最终虚拟接收到的信号，( ，) 。做d s p 处理时需要开辟 办。( f ) 相同长度的存储空间用来存储估计的信道，信道多途时延扩展一般为几 十毫秒甚至上百毫秒，如果接收端采样频率为4 8 k h z ，则存储信道需要几 k b y t e 甚至几十k b y t e ，而片内空间只有6 4 k b y t e ，还要进行其他的运算和存 储。因此受硬件存储资源所限若想使用该技术必然要对其算法进行改进。 不仅如此，从运算量方面来看，办( f ) 作为估计所得的信道冲激响应，在 时间反转运算后还要与接收到的信息信号s ，p ) 作卷积，假设办。) 长度为l l ， 码元长度为l 2 ，若想得到一个码元的时间反转镜输出，则要计算大约l 1 l 2 点的乘累加，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 中c 6 4 x + 内核最高主频为5 9 4 m h z ，在采一个 样点的时间t = l 4 8 0 0 0 ( s ) 内，最多能够处理t x 5 9 4 m h z x 2 = 2 4 7 5 0 个乘累加运 算，如果信道长度较长，算法并行度不够，极有可能导致无法达到实时要求。 因此，若想将虚拟式时间反转镜算法应用于d s p 平台，无论从存储资源 还是从计算量方面来看，都必须对算法进行改进。 为满足虚拟式时间反转镜d s p 处理程序开发的实际需求，本文设计了数 字虚拟式时间反转镜。其基本思想是将估计所得的信道冲激响应厅( ，) 用时延 和幅度两个量来描述，将办 ) 中幅度不为0 的点对应的时延值f ，和幅度值4 ， 分别存于时延数组hd e l a y 和幅度数组ha m p l i t i m d e 中，这样对于一些幅度 值为o 的点就不用存储，节省了存储空间。在进行时间反转镜运算时，采用 抽头乘累加的方式运算，其中乃。( f ) 中幅度不为0 的点的个数形象的称之为抽 头个数，这样，一些幅度值为o 的点就不需要参与乘累加运算，从而达到减 少运算量的效果。为便于理解，将数字虚拟式时间反转镜计算过程用图2 3 描述。 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图2 3 数字虚拟式时间反转镜计算过程 关于数字虚拟式时间反转镜详细理论推导以及性能对比分析将在第3 章 中给出。 2 3 单阵元v t r m p d s 通信系统 从工程实践角度来讲，实际应用的水声通信系统要求其节点简单、功耗 较低。而时间反转镜若采用阵处型2 3 彩1 的方式，其设备复杂度高，难于应用于 实际，而单阵元则不然。因此本文中我们采用了单阵元虚拟式时间反转镜技 术进行通信系统的开发。 本文采用单阵元虚拟式间反转镜技术与p a t t e m 时延差编码通信体制相 结合的方式，构成了单阵元虚拟式时间反转镜p d s ( v i r t u a lt i m er e v e r s e dp d s s y s t e m ，v t r m p d s ) 通信系纠2 引。应用单阵元虚拟式间反转镜技术，使得接 收端接收到的多途扩展信号在时间上被压缩而近似于原编码信号，即编码信 号经过的时间反转信道近似为单径而不是多径信道，从而有效抑制了码间干 扰。使得p d s 通信系统不再需要利用码元的多种不同波形( p a t t e r n ) 来进行码 元分割从而抑制码间干扰p 4 1 ，简化了系统的编解码过程。 2 3 1 单阵元时间反转镜聚焦增益 单阵元时间反转镜是指时反镜由单阵元构成而不是基阵构成。它简化了 时反镜设备的复杂性，使时间反转镜技术应用于水下通信尤其是应用于水下 信息网通信变得更加可行。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下面简单分析单阵元时间反转镜聚焦多途信号得到的聚焦增益。设各途 径噪声分量相互独立且各途径信号的信噪比相同设为s n r ，通过时间反转 处理后，各多途信号同时同相位叠加。为简化模型，只考虑单向传播形式， 则经时间反转镜处理后输出信号的信噪比s n r ，的分贝形式可表示为p 3 1 ： r ，1彦 、 s n r 2 = s n r l + 1 0 1 0 9 。0 l l + i a ，a i i 么，2 l i ( 2 4 ) lr ；i ：j u 。1j 式中，a i 表示探测信号经信道传播后接收到的不包含噪声干扰的各途径 信号的幅度。 从上述表达式中可以看到，经单阵元时间反转镜处理后，输出信号的信 噪比s n r ：s n r ( 无多途信号时，“= ”成立) 。右式第二项为聚焦增益，其 值与多途信号的数量及幅度有关，同时也可以看出信道越是复杂，单阵元时 间反转镜聚焦效果越好。 虽然单阵元时间反转镜只能利用两节点间的多途信号，与基阵处理相比， 这也牺牲了基阵的空间聚焦增益，导致旁瓣变高，但若将其应用于水声通信 中仍然可以将由声信道产生的多途信号同时同相位叠加，在时间上压缩信号， 消除码间干扰，且可提高信噪比。因此，将单阵元时间反转镜技术应用于水 声通信完全可行。 2 3 2 单阵元v t r m p d s 通信系统基本原理 单阵元v t r m p d s 通信系统仅需要一个p a t t e r n 码型，由于使用了虚拟 式时间反转镜，所以不需要通过码元分割的方式抑止码间干扰。其中p a t t e r n 码型选用具有较高相关处理增益、较高时间分辨率的l f m 信号，v t r m p d s 通信系统采用拷贝相关时延估计技术进行解码。图2 4 为单通信频道 v t r m p d s 通信系统框图。 若将系统占用总带宽进行分频带，则可实现多频道同时工作，提高通信 速率。根据文献p 4 1 对p d s 体制多频道水声通信工作做的研究，本文将系统通 过频率分割( f d m a ) 划分为两个通信频道。系统带宽被划分成两个子频带，每 一子频带对应于一个通信频道，每个频道的信源编码、信道编码以及工作方 式是一样的。两个频道同时工作，通信速率相对于单频道工作提高了两倍。 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 每个频道分别编码后，将编码信号叠加发射出去，即双频道p a t t e m 时延 差编码信号j ( ，) 可表示为如下形式： j p ) = s ， ) + s 0 ) ( 2 5 ) 式中s ，( f ) 、s ，( f ) 分别为两个频道的编码信号。双通信频道v t r m p d s 系统框图如图2 5 所示。 b i t 数据 串并 转换 滤波器 p d s 编码 v t r 嗄 处理模 块 译码 噪声 干扰 水声 信道 并串 转换 图2 4 单通信频道v t r m p d s 系统框图 水听器 b i t 数据 图2 5 双通信频道v t r m p d s 系统框图 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 单阵元v t r m p d s 通信帧结构设计 单阵元v t r m p d s 通信帧结构示意图如下： 、 一 卜一信息码组l 。 信息码组2 - 信息码组m 疋 同 死， 校 码 码码码 ) 孳 校码码码 码) ) 码 校码码码 码) ) 码 乃同 步正 一一一 ； 正 一 一 元| | 元 正 一一一 7 一g | | 元 步 码 兀兀兀 4 f t | n 兀兀 兀 儿| j l 兀 兀 兀 4f n码 1 23码码 l2 3 4 ( 【n 码 12 3 f | _ ( t o 母肋m s ，t t - t ， 、 一一 。 图2 6 单阵元v t r m p d s 通信帧结构示意图 同步码( s y n c h r o n o u s c o d e ) ：可以用于信道估计并给出译码窗的时基。接 收机的检测模块测定同步码到达时刻，并以此时刻作为译码窗同步基准。( 后 文中同步码长度统一用t s 表示) 时隙t i 。i ：同步码与后面的信息码之间需留有一定时隙，t i s i 在长度上必 须保证码元信号s ( f ) 到达时同步码的多途信号已经消失，以确保信息码信号 不会受到同步码多途的影响，并且保证这段时隙可以在不受后面码元影响的 情况下真实地反映同步码信号的主要多途途径，用以准确的估计信道。 校正码( c o r r e c t i n g c o d e s ) 穿插在信息码元之中，其值是已知确定量，或遵 循一定规律的量。它提供了译码时的时延差修正量。校正码码型与其所在频 道信息码码型一致，校正码间隔随信道情况及节点相对运动情况具体而定。 信息码( i n f o r m a t i o n c o d e s ) 即码元，每个校正码之后都会有一组信息码， 一帧之中有多少信息码取决于海洋信道相对稳定的时间。每个频道的一组信 息码为同一种码型，和该频带的校正码码型一致，它用码片出现在码元窗的 时延差调制信息。若通信系统工作于2 个通信频道，则每组信息码是由2 个 频道的信息码叠加而成的。 图2 7 分别给出了单、双通信频道发射信号及该信号经过信道后的接收 信号波形。接收信号中存在多途及噪声干扰。 1 4 l 彗垒；窒：i ：耋堡垒篁篁圣 1 ， ( a ) 单频道发射信号( b ) 单频道接收信号 ( c ) 坝频道发射信号 1 付 ( d ) 烈频道接收信号 。1 f 图27 通信信号经声信道传输 2 3 4 单阵元v t r m p d s 通信系统通信速率 系统通信速率可按如下公式计算”： ”1 0 9 2 【去“) l 帆 ( 2 6 ) 式中，v 为所求的通信速率，r 为编码时间，t o 为码元宽度( p a t t e m 脉宽 l = 瓦- i ) ，a r 为量化间隔，h 为每个码元携带的b i t 信息数。 由上式可以分析出，当码元宽度r o 一定时，通信速率与每个码元携带的 b i i 信息数有关，每个码元所携带的信息量7 越大，则通信速率越高。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i -* i ；昌；置 2 4 水声通信系统计算机仿真实验研究 水声通信系统计算机仿真实验研究环节主要从两个方面对算法进行检 验。首先，检验虚拟时间反转镜抗多途的性能，验证多种不同信道条件下此 通信方案的可行性；第二，仿真测试单阵元v t r m p d s 通信系统算法在各种 信噪比条件和多径下条件下的性能和稳健性。通过计算机仿真实验为d s p 实 时处理程序的开发奠定坚实理论基础。 本节着眼于m a t l a b 仿真实验部分，对仿真实验部分的实现和实验结果进 行必要的分析讨论。 2 4 1 系统通信流程 本通信系统将单阵元虚拟式时间反转镜技术与p a t t e r n 时延差编码体制 相融合，构建了单阵元v t r m p d s 水声通信系统。信源为二进制随机整数发 生器，信道为模拟水下多途信道，噪声为带限高斯白噪声。工作流程图如下 所示： 图2 8 通信系统工作流程图 整个通信系统可以分为发射部分和接收部分。在发射部分，首先由二进 制随机整数发生器产生二进制b i t 信息，作为信源信息。由串并转换将串行 b i t 信息进行分组，每4 b i t 为一组。并行b i t 信息经查表转换后进行p d s 编码， 每个p d s 码元都携带4 b i t 信息。一连串的码元连同同步信号构成了一个数 据帧，将该数据帧作为原始信号发送出去，信号经过海洋多途信道到达接收 端，在此通信过程中不可避免的引入了噪声，信号接收后进行滤波、时反处 理，最后完成解码。 本通信实验中，每帧信号的帧结构如图2 6 所示，采用拷贝相关时延估 计译码。系统p d s 参数设置如下： 1 6 哈尔滨工羊毛l i 大学硕士学位论文 同步信号脉宽：五= 4 0 m s ； i p a t t e m 码脉宽：t p = 8 m s ： 码元宽度：t o 驴t 。= 2 0 m s ： 帧长度：驴6 0 0 9 s ； 2 。4 2 多途信道模型 时延间隙宽度：正。i = 5 0 m s ； 编码时间：耻1 2 m s ； 占空比：r 0 4 ； 量化间隔：a r = o 8 m s ； 本实验室开发的声信道预报软件可模拟不同水文条件、不同海况以及各 种海底介质p 孓3 7 1 的海洋声信道环境，提供信道冲激响应函数( c h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e ，c m ) 。该软件根据水文条件、海洋中海面和海底的声学特性、目标 实体的位置和深度等参数，利用射线声学本征声线的方法建立海洋多途信道 模型。 在系统仿真过程中，就是利用声信道预报软件，针对实测得到的海洋声 速分布建立相应的海洋多途信道模型，提供海洋多途信道冲激响应函数。当 给定某种海洋声速分布时，改变收、发节点间相对水平和垂直位置即可得到 不同的信道冲激响应函数。 实测得到的某海域声速分布如下： 图2 9 某海域声速分布 图2 1 0 中列举几种在上述声速分布条件下的典型海洋信道及其时反信 道：( a ) 为声