基于QPSK调制水声通信系统设计与仿真*

张国龙 郑琛瑶

(91388部队93分队 湛江 524022)



基于QPSK调制水声通信系统设计与仿真*

张国龙 郑琛瑶

(91388部队93分队 湛江 524022)

论文研究了水声通信系统的组成原理及各部分功能,结合水声通信信道特性对水声通信系统的影响,研究并提出了用QPSK调制技术设计水声通信系统。确立了水声通信系统数学模型,以Matlab为工具对整个系统进行仿真分析,通过理论研究和仿真可以发现,QPSK调制技术在水声通信中的应用可以有效抑制多径扩展和海洋噪声,减少误码率,确保水声通信的可靠性,提高通信速率。

水声通信; QPSK调制; 水声信道

Class Number TN929.3

1 引言

近年来,随着人类对海洋领域重视不断加强以及军事和海洋开发的要求,人们对建立一套稳定、可靠的水声通信系统愿望越来越迫切。由于电磁波在水中传播衰减严重,而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式,声波是目前水声通信的主要载体。由于声波在水介质中吸收使得可利用的工作频率较低,信道带宽较窄,这给高可靠、高速率水声通信设置了很大障碍[1]。

早期水声通信系统采用模拟系统,由于无法消除水声信道中高混响等影响其可靠性和传输速率受到限制。伴随着数字技术发展,水声通信采用了频移键控(FSK)数字编码调制技术,作为一种能量检测而不是相位检测算法,FSK系统允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性,同时也允许对信道混响在时间和频率上进行一定的补偿。这样系统性能得到很好的改善。尽管FSK调制有很好的可靠性,但是其非相干特性使得频带利用效率不高,加上水声信道带宽有限,使得人们不得不寻找其他的调制方式。相位相干系统及正交相移键控(QPSK)调制的出现及在海洋水声通信系统中的应用,使得在长距离,复杂环境下水声通信得以实现,有效提高水声通信系统可靠性、高速率。

2 水声通信系统

水声通信系统由发射系统、水声信道和接收系统组成,如图1所示。

图1 水声通信系统原理图

发射机的主要任务是对需要传输的物理量转变成电信号后送入信源编码器,对输入信号进行A/D变换形成数字信号,通常把经过信道编码的信号称为符号。调制部分是根据水声信道的特点和要求把信道编码后的符号采用QPSK方式调制到一定频率的载波上,然后经过功放及换能器组转化为声信号[2]。

收机对信号处理过程是发射机的相反过程,主要包括对接收换能器接收的声信号进行预处理与AD变换后,通过解码及信道译码后重建原始物理信号。在整个过程中,水声信道特性对水声通信系统好坏有着很大的决定作用,也是限制水声通信技术发展的主要因素。

3 水声信道特点及其分析

由于水文条件及地形地貌使得海洋水下环境非常复杂,从而导致了水声信道的复杂性,其主要有带宽受限、严重的多径扩展、多普勒效应、高环境噪声等特性。

3.1 带宽受限特性

由于声波在水中传播过程中存在几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导等物理吸收,引起声波能量的损失。它与水声信号的频率有着紧密的联系,声吸收损失系数与声波频率的平方成正比。水声信道带宽受限与水声换能器带宽也存在着一定的影响[10]。水声信道的吸收损失与水声信号频率的大致关系为

(1)

式中,α是以分贝/千码为单位的衰减系数,f是以千赫为单位的频率。

3.2 多径扩展特性

海面和海底的声反射以及由海洋空间特性不同引起的声折射使得声波从发射机到接收机有着许多不同的传播路径。信号的多径传播产生的多径效应是水声通信最难克服的困难,多径扩展改变发送码波形,使发送码在接收端产生波形变换,从而降低了通信的可靠性,限制了通信信息的传输率3。

设发射波为Acosω0t,则经过n条路径后传播后的接收信号R(t)可用下式表示:

(2)

式中,μi(t)表示第i条路径的接收信号振幅;τi(t)表示第i条路径的传输时延;φi(t)=-ω0τi(t)。

其中,μi(t)和φi(t)随时间的变化与发射载频的周期相比,通常要缓慢的多,即μi(t)和φi(t)可以被认为是缓慢变化的随机过程,则可以得到:

设

(3)

则式(3)可变为

R(t) =XC(t)cosω0t-Xs(t)sinω0t

=V(t)cos[ω9(t)-φ(t)]

式中,V(t)表示合成波R(t)的包络;φ(t)表示合成波R(t)的相位。即有:

(4)

由于μi(t)和φi(t)是缓慢变化的,因而,Xc(t)、Xs(t)及包络V(t)、相位φ(t)也是缓慢变化的。

3.3 多普勒效应与环境噪声

由于信道的时变、空变性,以及接收机与发射机之间的相对运动均可导致多普勒频移效应,它与收发点相对运动的速度及工作频率成正比关系。信号多普勒频移导致解码时系统检测能力降低,甚至降低系统的通信速率[8]。

另外,海洋水声信道还是一个高噪声的环境,通常海洋噪声源包括自然噪声源,以及人为噪声源,并且传播的噪声通常有一个强指向性空间谱。海洋环境噪声是水声通信的主要干扰背景,影响系统接收信噪比,从而影响通信距离和可靠性。

4 QPSK调制设计原理

QPSK通过使用载波的四个各不相同的相位差来表示输入的信息,是具有四进制的相移键控。QPSK是在M=4时的数字的调相技术,它通过约定的四种载波相位,分别为45°,135°,225°,275°,输入数据为二进制的数字序列,因为载波相位是四进制的,所有需要把二进制的数据变为四进制的,即把二进制序列中每两个比特分成一组,四种排列组合,即00,01,10,11,双比特码元即为一组。每两位二进制信息比特构成每一组,它们分别表示着着四个符号中的某一个符号[9]。QPSK调制原理如图2所示。

图2 QPSK调制原理图

QPSK的调制中,QPSK信号可以看成是两个载波正交的2PSK信号调制器构成。原理分析如下:基本原理和系统结构QPSK与二进制PSK一样,传输信号包含的信息都存在于相位中。个别的载波相位取四个等间隔值之一,如π/4、3π/4、5π/4、7π/4。相应地,可将发射信号定义为

(4)

(5)

这样就得到一对二进制PSK信号。φ1(t)和φ2(t)的正交性使这两个信号可以被独立地检测。最后,将这两个二进制PSK信号相加,从而得期望的QPSK。QPSK解调原理如图3所示。

图3 QPSK解调原理框图

5 水声通信系统建模与仿真

水声通信信道具有随机时、空变化特性,它的衰减和时延都是随机变化的[11]。因此,水声通信信号经过水声信道传播后将是衰减和时延都随时间变化的各路信号的合成。针对水声通信信道的特点建立一个符合其特性的系统模型是至关重要的[4]。仿真水声信道可以通过水声传播途径特性,根据水文数据和换能器固有属性计算出接收端接收到的信号。

当输入信号为s(t)时,信道输出信号为

式中L表示多径传播路径,ak(t)表示第k条传播路径上的时变衰减因子,τk(t)是相应的时延。

图4 基带信号

图5 调制信号

根据水声通信信道统计特性,对于水声信道来说经常使用加性白高斯噪声(AWGN)的信道模型。水声信道的多径衰落信道,经常采用瑞丽衰落(Rayleigh)概率模型,信道中路径数目多且路径长度相当情况下,接收信号幅度成瑞利分布,相位服从高斯分布[5]。图4为传输基带信号,其经过调制和水声信道后信号产生了明显变化如图5所示[7]。

图6和图7分别为基带信号通过水声通信信道解码后的星座图及误码率曲线。

图6 QPSK信号星座图

图7 误码率曲线

6 结语

本文研究了基于QPSK调制水声通信系统的设计,先对水声通信系统结构进行设计,理论分析QPSK调制解调以及水声通信信道特性后利用Matlab进行系统仿真。实验结果表明经水声通信信道传输的信号受到海洋噪声、多径扩展等影响,信号发生了严重的畸变。若不在水声通信系统结构及调制解调算法上进行处理,通信系统可靠性及通信速率降低。而采用QPSK算法处理水声通信信号后,使其水声通信系统在长距离、复杂水声条件下频带利用率提高、误码率降低,最大限度保证水声通信系统可靠性和高速传输速率。

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Design and Simulation of Underwater Acoustic Communication System Based on QPSK Modulation

ZHANG Guolong ZHENG Chenyao

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

This paper studies the principle of underwater acoustic communication system components and the parts feature, and proposes to use QPSK modulation technique to design underwater acoustic communication system combining with the impact of underwater acoustic communication channel characteristics of underwater acoustic communication system. The mathematical model of underwater acoustic communication system is established, and the whole system is simulated and analyzed with Matlab. Through theoretical studies and simulation, it is found that QPSK modulation techniques can effectively inhibite multipath expansion in underwater acoustic communication applications, reduce the error rate of ocean noise, ensure the reliability of underwater acoustic communication, and improve communication rate.

underwater acoustic, QPSK modulation, acoustic channel

2014年7月9日,

2014年8月14日

张国龙,男,助理工程师,研究方向:水声信号处理。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.019