MCPSK在远程水声通信中的应用及其性能仿真

发布时间：2020-07-21 18:34:31 阅读：次来源：疏水阀厂家

1 引言

随着科技的发展，人类对陆地的认识和开发越来越全面，而海洋作为尚未开发的宝地，已成为各军事强国的重要战略目标，是近年来国际上激烈竞争的焦点之一。认识海洋、开发海洋需要各种高技术手段，而无人水下航行器(Unmanned Undersea Vehicles，UUV)就是探索海洋的高新技术手段之一。特别是在军事上，作为一种具有风险承受能力强、低价位的装置，UUV可进入现有舰船不能直接行动的高威胁海区，收集战术情报，探测目标，甚至可作为武器，直接对目标进行攻击。但是，作为一种新概念武器平台，UUV的发展综合集成了许多高新技术，其中高数据率水下通信就是最为关键的技术之一，是实现水下平台作战效能的基本保障。由于海水对电磁波的强吸收作用，传统的无线电只能使用长波、极长波以上的波段才能穿透海水，实现通信，但正是由于波长太长，导致数据率无法提高，所以无法在UUV中使用。由于水下声信号在海水中的衰减要远小于电磁波信号，其为水下通信提供了一种新的手段。基于相位相干检测和自适应决策反馈均衡器的高速水声通信系统在远程水声信道中的成功应用，大大增加了人们对在恶劣水声信道中采用复杂通信技术实现高速、可靠的水声通信的信心。借鉴无线电通信中一些成功的调制方式，笔者将一种新的调制方式，多载波一相移键控(Multi-Cannier Phase Shift Keying，MC-PSK)运用于水声通信以提高水下通信数据率。

2 MC-PSK调制解调技术

在水声通信中，通常采用基于自适应均衡技术的相位相干检测技术来提高系统的数据率;但此技术对接收端的输入信噪比有较高要求，因此系统中采用大的发射和接收基阵，通过空间分集和组合，提高信噪比，确保系统性能。在远程水声通信的过程中，由于传输距离远，信道衰落大，加上水下航行器自身的限制，无法采用大的发射、接收基阵，因此信号到达接收端时信噪比很低，且易受到远程信道衰落影响。MC-PSK调制是新的组合调制方式，可在保证系统数据率的条件下，增加信号的持续时间，从而显著地改善系统的可靠性和抗多径干扰性能。

MC-PSK调制是在频率调制的基础上，对每一载频实行多相移键控。与正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)有很多相似之处。其将串行传输的信息分为N=Nc+Np路，其中Nc路进行频率调制，Np路进行相位调制。N路信号并行传输，可显著改善系统的传输容量。

从另一方面说，MC-PSK调制可看成是在多进制数字频率键控(Multiple Frequency-Shift Keying，MFSK)调制的基础上，对每一频率进行PSK调制。一种双频四相MC-PSK调制示意图如图1所示。

为便于比较，图1同时示出了二频移键控(BinaryFrequency Shift Keying，BFSK)和四相移键控(Quadra-ture Phase Shift Keying，QPSK)调制的示意图。由于对每一频率实施四相调制，故MC-PSK已调信号的每一载频上携带2 bit信息。可见，在数据率相同的情况下，MC-PSK调制带宽比BFSK的窄，码元宽度比BFSK和QPSK的宽。另外由于码元加宽，信号能量增加，抗信道衰落的能力增强。由于码元加宽和频率交替，抗码间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)的能力也提高。反之，若要求码元宽度相同，则MC-PSK调制的数据率就提高了。

可见，MC-PSK调制就是将所用的带宽划分成一系列子带宽，每一子带宽内的信号都采用PSK调制方式;其将MFSK和MPSK有效地结合，采用多个载波传送PSK信号，使得被调制信号的频率和相位都携带信息。

3 MC-PSK远程水声通信系统设计

图2为设计用于UUV的远程水声通信系统框图。整个系统考虑了水下信道的复杂特性，其核心步骤为MC-PSK调制。系统的工作过程如下：为进行差错控制，提高系统可靠性，发送信息首先进入信道编码器进行纠错编码和交织。随后对编码信号进行MC-PSK调制。调制后的数字信号在D/A转换后，经发射换能器送入水声信道。传输信号由接收换能器送入接收机，进行信号同步和信道检测。为抵消多普勒频移对信号检测的影响，再对信号进行多普勒频移估计和多普勒补偿。补偿后的信号进行MC-PSK解调，首先进行多载波频率估计，再用估计的频率对信号进行PSK解调。为抵消信道多径传输和相位起伏对相关检测的影响，解调信号还需要借助于自适应判决反馈均衡器(Adaptive Decision Feedback Equalizer，ADFE)及内嵌的数字锁相环(Phase Lock Loop，PLL)进行均衡系数和相位的联合最佳估计。判决后的信号经解交织、纠错译码，恢复原发送信息。

4 MC-PSK水声通信系统性能仿真

MC-PSK水声通信系统性能主要取决于MC-PSK调制方法的效果。利用Matlab对MC-QPSK，QPSK，MC3种调制方法的误码率进行仿真;水声信道模型采用了文献[6]中提供的信道模型，具体的信道参数如表1所示。仿真结果如图3-4所示。

由上述仿真结果可得以下结论：(1)MC-PSK调制系统性能取决于频率调制和相位调制，是两者性能的综合;(2)在码元宽度相同的情况下，MC-PSK调制的性能要优于PSK调制，特别是在高信噪比条件下;(3)而在MC-PSK调制经频率解调后，ISI的影响消弱。且信噪比越大，频率解调性能越好，ISI影响越弱，均衡效果越好;(4)数据率相同时，MC-PSK调制的抗衰落能力随之信号能量的增加，误码率进一步降低;(5)由于码元加宽和频率交替，MC-PSK调制的抗ISI能力提高，可容忍更低的信噪比，实现更远距离的传输;(6)MC-PSK调制必须保证频率解调的正确性，如果频率判决出现误差就会影响相位的解调，从而降低整个系统的性能。

5 结束语

MC-PSK调制系统是水声通信系统领域的一个创新。MC-PSK水声通信系统不仅能大大提高数据传输率，增大传输距离，且还能实现信息的双向传输。

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