Chirp扩频通信系统提高多普勒容限研究

摘 要：本文提出一种基于交叠技术的chirp扩频通信方式， 其基本原理是通过改变chirp信号的调频率来提高通信系统的抗多普勒性能，最后利用稳态分布模拟水声信道进行计算机仿真，结果证明，基于交叠技术的chirp扩频系统相较于传统chirp扩频系统有更好的抗多普勒性，更适于水声通信。

关键词：水声通信 chirp扩频 交叠技术 多普勒

由于水声信道的特殊性，如何在随机衰落、复杂多径的信道环境中实现信息的可靠传输是水声通信的第一要素[1]。相比窄带通信，扩频技术具有显著的抗干扰与抗衰落能力而被广泛应用于水声通信。目前常用的扩频技术有chirp扩频、直接序列扩频以及跳频技术，相比后两者，chirp信号因具有较大的时宽带宽积，从而拥有更强的抗 频率选择性衰落、抗多普勒以及抗环境噪声能力，已经成为研究热点。Chirp扩频技术是通过chirp脉冲调制来发送信息以达到扩频的目的，它无需加入伪随机序列，因为其可以利用chirp信号自身的线性频率特征。当前，应用较多的chirp扩频调制方式主要为二进制正交键控调制和直接调制。前者的调制原理较简单，在接收端只需检测能量即可，可以通过模拟搭建系统，然而，因为up chirp 和down chirp具有一定的相关性，导致其抗多普勒能力不高[2]；而后者调制对多径的适应力较强，但在接收端需要幅度相位信息，复杂度较高。因此，本文提出一种基于交叠技术的chirp扩频调制方法。

一、水声通信信道特征

众所周知，水声通信信道与无线电通信信道存在着许多实质性的差异。因此，要想设计出适配于实际环境水声信道传输的通信系统，就需要深入了解水声信道特异的声传播规律。首先，水声信道具有较大传输衰减，会限制通信传输距离，并且它所容许采用的带宽又比无线通信中的带宽窄很多，从而又导致通信速率较低；其次，水声信道中存在着比信号脉冲宽度大得多的随机时-空-频变多径结构，导致其多径效应十分突出；最后，水声通信是通过声波进行傳输，声波传输速率较低，导致生源和接收器相对运动速度较大，多普勒效应显著。总的来说，水声信道就是一个带宽受限严重，噪声干扰严重的时变、空变以及频变的衰落信道，导致信号传输环境特别恶劣。

二、chirp扩频调制

（1）基于交叠技术的多载波调制

在水下强多普勒情况下，传统多载波chirp扩频通信技术并不能达到理想水平。本文提出的基于交叠技术的多载波调试，其基本原理为：假设信道带宽为9k-12khz，将其分为三个子频带，与传统多载波调制不同之处在于，三个子频带不是平均分配，并且不是完全分开，而是交叠在一起的。具体方法如图3-1所示，从图中可以看出，信道所划分的三个子频带f1、f2和f3并不相等，如果多普勒频移较大时，k1会平移至k1’，但k1’与k2并没有完全重合，此时我们仍然可以对信号进行识别，这样能够增加信道的多普勒容限；此外，因为信道的子频带之间是相互交叠的，在接收端可通过利用chirp信号的正交性，完全区分出信号，这样在有限的水声频带内大大增加信道的频带利用率。

（2）仿真分析

这里通过计算机对传统chirp扩频通信与基于交叠技术的扩频通信在多普勒环境下进行仿真对比。仿真的两个系统均采用16进制，接收端采用FRFT解调方式。图3-2为多普勒条件下的仿真结果。从图3-2中可看出，在模拟水声信道环境下，当多普勒频移fd小于频带带宽400hz时，两种方法的误码率近似相等；然而当fd大于400hz时，可以看到传统的多载波调制方法的误码率迅速上升，而基于交叠技术的多载波调制方法的误码率相对较为平稳，从而验证了本方法的有效性。

总之，本文针对浅海水声信道的特点，提出了基于交叠技术的水声chirp扩频通信系统，并进行了分析与仿真。结果证明，基于交叠技术的chirp扩频通信体制的抗多普勒性能优于传统的多载波chirp扩频通信。为工程上的应用奠定了理论基础

参考文献

[1]. Chitre， M.， et al.， Recent advances in underwater acoustic communications networking， in OCEANS 2008. 2008： Quebec City， QC， Canada.

（作者单位：福建国网宁德供电公司）