周躍海,曾 堃,童 峰*

(廈門(mén)大學(xué)海洋與地球?qū)W院,水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén)361102)

由于多徑信道條件下一般滿(mǎn)足Nw＜T c,因此與式(6)相比,采用RAKE接收機(jī)時(shí)系統(tǒng)判決變量中噪聲干擾項(xiàng)小于經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻方案的噪聲干擾項(xiàng).

混合采用被動(dòng)時(shí)反及RAKE接收的擴(kuò)頻水聲通信方案

周躍海,曾 堃,童 峰*

(廈門(mén)大學(xué)海洋與地球?qū)W院,水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén)361102)

在多徑水聲信道條件下,時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接收機(jī)技術(shù)是直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)利用多徑能量提高通信性能的2種常用方法,但在實(shí)際環(huán)境中信道多徑結(jié)構(gòu)、信噪比等因素影響著時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和RAKE接收機(jī)技術(shù)的性能.針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,分析了時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和RAKE接收機(jī)抑制多徑干擾的不同機(jī)制,并提出一種通過(guò)混合使用被動(dòng)時(shí)反與RAKE接收來(lái)結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的擴(kuò)頻水聲通信新方案.該方案在不同信道結(jié)構(gòu)及信噪比條件下可優(yōu)化選擇合適的多徑抑制手段從而提高系統(tǒng)穩(wěn)健性.湖試實(shí)驗(yàn)表明:在高信噪比下,時(shí)間反轉(zhuǎn)可利用高質(zhì)量的探針信息對(duì)多徑進(jìn)行聚焦,在低信噪比下則通過(guò)RAKE接收機(jī)重組多徑能量,從而更好地抑制多徑,克服碼間干擾,提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)健性.

水聲通信;直接序列擴(kuò)頻;時(shí)間反轉(zhuǎn);RAKE接收機(jī)

水聲通信廣泛用于水下信息傳遞、水下目標(biāo)探測(cè)、水下資源勘探、水下作業(yè)等海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域并日益引起相關(guān)海洋技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注.水聲信道很復(fù)雜[1],具有嚴(yán)重的時(shí)-空-頻變特性、多徑效應(yīng),強(qiáng)衰落及強(qiáng)噪聲,且可用帶寬極窄,嚴(yán)重影響水聲通信性能.

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是一種基于香農(nóng)信息論發(fā)展起來(lái)的信息傳輸技術(shù),它通過(guò)偽隨機(jī)碼擴(kuò)展信號(hào)頻譜,具有優(yōu)良的抗多徑和抗干擾能力.但在水聲信道這類(lèi)多徑特別嚴(yán)重、可用帶寬極窄的使用環(huán)境下,由于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)本身的抗多徑能力有限,往往需要在直接序列擴(kuò)頻基礎(chǔ)上應(yīng)用其他抗多徑方法來(lái)進(jìn)一步克服多徑帶來(lái)的影響,如信道均衡技術(shù)、多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)、時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)、RAKE接收機(jī)技術(shù)等.其中時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和RAKE接收機(jī)因其運(yùn)算復(fù)雜度較低、穩(wěn)健性較好、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便而在水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛研究.

近年來(lái),為了抑制多徑、克服碼間干擾,人們把時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和RAKE接收機(jī)應(yīng)用于水聲通信中并取得了一定的效果.Song等[2]把被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)應(yīng)用在淺海信道,在-6.5 d B的信噪比下實(shí)現(xiàn)了20 km的傳輸;Vilaipornsawai等[3]在Pianosa Island應(yīng)用時(shí)間反轉(zhuǎn)和判決反饋均衡實(shí)現(xiàn)了2 400 bit/s的水下通信,克服了信道變化給通信帶來(lái)的困難;Song等[4]把時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和信道均衡技術(shù)相結(jié)合,利用時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)聚焦多徑,利用信道均衡技術(shù)彌補(bǔ)時(shí)間反轉(zhuǎn)空間增益的不足,湖試表明了該方案在抑制多徑的有效性;周躍海等[5]利用多通道時(shí)間反轉(zhuǎn)聯(lián)合卷積編碼設(shè)計(jì)了低信噪比下可克服多徑干擾的水下通信方法;Song等[6]利用MIMO時(shí)間反轉(zhuǎn)接收機(jī)進(jìn)行高速率通信;王伶等[7]提出一種盲自適應(yīng)RAKE接收機(jī),研究結(jié)果表明該接收機(jī)具有較強(qiáng)的抑制多址干擾和克服“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)的能力;Tsimenidis等[8]利用擴(kuò)頻技術(shù)和自適應(yīng)RAKE接收機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套工作于淺海信道中的通信系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案不但可以減少接收單元的個(gè)數(shù)而且能夠有效地抑制多徑.關(guān)于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)、被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和RAKE接收機(jī)技術(shù)在水聲通信中的應(yīng)用已見(jiàn)于許多文獻(xiàn),但是對(duì)于這幾種抗多徑手段在不同信道、不同信噪比的比較分析和組合利用還不多見(jiàn).

本文從實(shí)際水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā),在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出一種通過(guò)混合使用時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接收機(jī)來(lái)結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的擴(kuò)頻水聲通信新方案,湖試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文方案的有效性.

1 原理介紹

1.1 DS-DPSK直接序列擴(kuò)頻基本原理

DS-DPSK直接序列擴(kuò)頻基本原理在DS-DBPSK系統(tǒng)中[9],設(shè)碼元寬度為T(mén)c,比特信息經(jīng)過(guò)差分后某時(shí)刻第m個(gè)碼元設(shè)為a1(m),經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻碼pn(t)擴(kuò)頻調(diào)制和載波調(diào)制后為:

下個(gè)碼元時(shí)刻差分后的基帶信號(hào)為a2(m-1)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制和載波調(diào)制后為

經(jīng)過(guò)信道傳輸后,在接收端進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理可得:

式(3)中,M表示擴(kuò)頻碼的碼長(zhǎng).假定信道在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)保持不變:hm(t)=hm-1(t)=h(t),則對(duì)前后碼元的解擴(kuò)輸出corpre,cornow進(jìn)行解差分可得:

其中nm-1(t),nm(t)為前后碼元內(nèi)的噪聲.將式(4)在碼元寬度內(nèi)進(jìn)行積分可得判決變量,對(duì)該變量進(jìn)行符號(hào)判決可恢復(fù)原始信息碼元:

可得判決變量:

1.2 被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)

對(duì)被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)處理,水聲信道接收的信息信號(hào)sr(t)可表示為:

式中ns(t)為疊加在信息信號(hào)上的干擾噪聲.設(shè)p(t)為發(fā)射的探針信號(hào),則接收到的探針信號(hào)pr(t)表示為:

其中np(t)為接收到探針信號(hào)中混有的噪聲.將接收到的探針信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)得到

式中np(t)、ns(t)項(xiàng)分別為探針、信號(hào)中的噪聲干擾.定義add(t)表示時(shí)反處理導(dǎo)致的組合噪聲:

則有:

從式(12)可看出,時(shí)間反轉(zhuǎn)處理可實(shí)現(xiàn)多徑的能量聚焦,即將分布在整個(gè)碼元寬度范圍內(nèi)的多徑能量集中聚焦到每個(gè)碼元寬度的起始時(shí)刻,從而可抑制噪聲干擾的影響.即:

其中n″(t)為組合噪聲add(t)在判決變量中產(chǎn)生的干擾項(xiàng).與式(6)相比發(fā)現(xiàn),由于時(shí)間反轉(zhuǎn)判決變量式(13)中背景噪聲的貢獻(xiàn)項(xiàng)是來(lái)自探針、信息中噪聲及兩者中噪聲的共同作用,因此,背景噪聲的增強(qiáng)對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的性能影響將比對(duì)經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)要復(fù)雜.當(dāng)信噪比逐漸降低時(shí),判決變量中來(lái)自探針、信息信號(hào)及兩者共同作用產(chǎn)生的噪聲項(xiàng)n″(t)將迅速增強(qiáng),導(dǎo)致檢測(cè)性能下降.

1.3 DS-DBPSK解調(diào)采用的RAKE接收機(jī)

RAKE接收機(jī)[11-12]利用偽隨機(jī)碼很好相關(guān)性進(jìn)行分離和合并,由于偽隨機(jī)碼在低信噪比下仍可獲得較好的相關(guān)性能,RAKE已在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.對(duì)于采用先解擴(kuò)、后解差分的DS-DBPSK系統(tǒng),多徑信道的各徑能量在經(jīng)過(guò)解擴(kuò)、解差分處理后已經(jīng)在各徑時(shí)延處聚焦,因此,本文DS-DBPSK調(diào)制解調(diào)方法中RAKE接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典RAKE接收機(jī)有所不同.

圖1所示為DS-DBPSK系統(tǒng)中RAKE接收機(jī)的原理框圖,在獲得出信道各多徑分量的時(shí)延τi后,DSDBPSK系統(tǒng)RAKE接收機(jī)可直接在每個(gè)時(shí)延τi處對(duì)信號(hào)解擴(kuò)、解差分輸出進(jìn)行時(shí)間寬度為w的多徑能量積分,然后等增益合并各多徑積分器輸出以利用多徑能量.假設(shè)n′(t)噪聲項(xiàng)具有時(shí)間平穩(wěn)特性,則在多徑能量可檢出的前提下,采用RAKE接收機(jī)后系統(tǒng)的判決分量式(5)可近似寫(xiě)成

由于多徑信道條件下一般滿(mǎn)足Nw＜Tc,因此與式(6)相比,采用RAKE接收機(jī)時(shí)系統(tǒng)判決變量中噪聲干擾項(xiàng)小于經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻方案的噪聲干擾項(xiàng).

2 混合采用時(shí)間反轉(zhuǎn)與RAKE接收機(jī)的多徑抑制方法

根據(jù)上述分析,RAKE接收機(jī)的性能優(yōu)于經(jīng)典的直接序列擴(kuò)頻,而時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)和RAKE接收機(jī)在不同的信噪比下其性能不同.即,不同信噪比條件下,采用不同抗多徑方案進(jìn)行DS-DBPSK解調(diào)時(shí)判決變量中噪聲項(xiàng)的影響程度不同.

對(duì)于經(jīng)典DS-DBPSK解調(diào)以及RAKE接收解調(diào)方案,判決積分項(xiàng)在通過(guò)積分利用多徑能量的同時(shí),如式(6)所示,經(jīng)典DS-DBPSK方案中整個(gè)碼元寬度Tc范圍內(nèi)的噪聲項(xiàng)均被包含在判決變量中;而如式(14)所示,RAKE接收DS-DBPSK方案中則僅N個(gè)多徑寬度w范圍內(nèi)的噪聲影響被包含在判決變量中.因此,在這2種情況下,信噪比變化對(duì)檢測(cè)性能的影響呈類(lèi)似的模式,且RAKE接收方案由于噪聲影響小其性能將優(yōu)于經(jīng)典方案.

對(duì)于時(shí)間反轉(zhuǎn)DS-DBPSK方案,一方面由于多徑聚焦效應(yīng)可將多徑能量集中在判決時(shí)刻從而在較高信噪比下可更好地抑制噪聲影響,另一方面判決變量中的噪聲項(xiàng)n″(t)由來(lái)自探針中噪聲、信息幀中噪聲和兩者的共同影響3部分組成,考慮到噪聲的累加效應(yīng),信噪比下降時(shí)噪聲項(xiàng)的影響將呈現(xiàn)劇烈的增加趨勢(shì).

因此,傳統(tǒng)的單一采用時(shí)間反轉(zhuǎn)或RAKE接收機(jī)處理并不能保證系統(tǒng)在較大的信噪比范圍內(nèi)取得較好的抗多徑效果.

基于上述分析,本文提出一種結(jié)合時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接收機(jī)的擴(kuò)頻水聲通信新方法,該方法在DSDBPSK解調(diào)時(shí)采用的判決變量為:

其中的SNRth是被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接收機(jī)方法判決變量中噪聲干擾項(xiàng)強(qiáng)弱關(guān)系的臨界信噪比.通過(guò)設(shè)定的SNRth來(lái)切換使用被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接收進(jìn)行多徑干擾抑制,該方法不但可利用直接序列擴(kuò)頻的處理增益提高檢測(cè)性能,而且可混合利用RAKE接收機(jī)的多徑重組能力及時(shí)反多徑聚焦特性來(lái)提高對(duì)不同信道多徑結(jié)構(gòu)、不同信噪比的適應(yīng)性.

圖1 DS-DPBSK解調(diào)中RAKE接收機(jī)原理框圖Fig.1 The diagram of RAKE receiver in DS-DBPSK system

在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到不同的信道多徑結(jié)構(gòu)下2種方案切換的信噪比標(biāo)準(zhǔn)SNRth的確定比較困難,本文在信號(hào)幀中設(shè)置一段測(cè)試序列,分別采用時(shí)間反轉(zhuǎn)及RAKE接收機(jī)方法對(duì)測(cè)試序列進(jìn)行解調(diào),通過(guò)2種方法對(duì)測(cè)試序列解調(diào)的誤比特率比較來(lái)確定后續(xù)的信息序列解調(diào)采用的多徑抑制方法,即:如果RAKE接收機(jī)的誤碼率比較低則用RAKE接收機(jī)技術(shù)解調(diào)信息序列,反之用時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)解調(diào)信息序列.

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了DS-DBPSK調(diào)制解調(diào)方式,采樣率為96 k Hz,載波頻率為15 k Hz,采用m序列擴(kuò)頻, m序列的長(zhǎng)度為63位,切普速率為4 000 chip/s,探針信號(hào)為通過(guò)m序列擴(kuò)頻得到長(zhǎng)度為23.8 ms的探針序列.通信信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示:首先是同步序列,用于同步探針信號(hào)和信息序列,緊接著是保護(hù)間隔,然后是探針信號(hào),探針信號(hào)以后又是一段保護(hù)間隔,保護(hù)間隔后為測(cè)試序列,由64 bit組成的測(cè)試序列用于比較時(shí)間反轉(zhuǎn)與RAKE接收2種方案的性能并確定多徑抑制方案,信號(hào)幀最后為308 bit的信息序列.

圖2 信號(hào)幀設(shè)計(jì)Fig.2 The design of signal frame

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)于廈門(mén)大學(xué)思源湖進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)水域平均水深約為8 m,泥質(zhì)底.2個(gè)接收換能器垂直布放于不同的深度以獲得不同的信道響應(yīng),第1個(gè)換能器RS1距離水面2 m,第2個(gè)換能器RS2距離水面3.5 m,發(fā)射換能器TS距離水面2 m,與接收換能器的水平距離為215 m,假設(shè)RS1所在的信道為通道1,RS2所在的信道為通道2.

圖3(a)為實(shí)驗(yàn)水域的聲速梯度曲線.從圖中可以看出,從湖面至水深7 m左右,聲速變化很小,呈微弱負(fù)梯度;在水深7～10 m接近湖底處出現(xiàn)較明顯的負(fù)梯度.由于2個(gè)換能器位于不同的深度,因此所對(duì)應(yīng)的傳輸信道也不同.

圖3(b)～(e)為通道1、通道2時(shí)間反轉(zhuǎn)前后的信道沖激響應(yīng)歸一化圖,其中圖3(b)為通道1的信道沖激響應(yīng)歸一化圖,圖3(c)為通道2的沖激響應(yīng)歸一化圖.從圖3(b)、(c)中可以看出,由于信道中存在的聲速梯度,2個(gè)信道都存在明顯的多徑但分布模式不同:通道1的各多徑分量混疊在一起無(wú)法分離,而通道2存在2個(gè)較明顯可分離的多徑.圖3(d)為通道1時(shí)間反轉(zhuǎn)后的信道沖激響應(yīng)圖,圖3(e)為通道2時(shí)間反轉(zhuǎn)后的沖激響應(yīng)圖,從圖3(d)、(e)中可以看出,經(jīng)過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)后的信道多徑得到了聚焦,克服了多徑的影響,時(shí)間反轉(zhuǎn)后的信道接近于理想信道.從圖3(d)、(e)中還可以看出,通道2經(jīng)過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)后比通道1經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)后的信道沖激響應(yīng)能量更集中,更接近理想信道δ(t).

圖3 湖試信道特性Fig.3 The characteristics of lake channel

為了測(cè)試經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻技術(shù)、時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)、RAKE接收機(jī)及本文提出的兩者混合方法在不同信道、不同信噪比下的抗多徑性能,本實(shí)驗(yàn)在如圖4所示2種信道條件下進(jìn)行不同信噪比條件下的數(shù)據(jù)解調(diào)測(cè)試.圖4為經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)、時(shí)間反轉(zhuǎn)、RAKE接收機(jī)及本文混合方法在不同信道、不同信噪比下的誤碼率(BER)曲線圖.

圖4 不同信道的信噪比-BER曲線Fig.4 The SNR-BER figure under different channels

從圖4(a)、(b)中可以看出,在單獨(dú)采用一種技術(shù)方案的條件下,在較高SNR下(SNR＞-4 dB),采用時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的BER比經(jīng)典的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)及RAKE接收機(jī)的BER低,其原因在于:探針信號(hào)SNR較高,攜帶信道信息畸變小,經(jīng)過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)以后可較有效地聚焦多徑,從式(13)中也可以看出,在較高的SNR下,噪聲干擾項(xiàng)n″(t)很小;隨著SNR逐漸降低, n″(t)的影響損失加大,時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)的BER顯著提高,先是劣于RAKE接收機(jī),SNR進(jìn)一步降低后性能甚至劣于經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻方法.

此趨勢(shì)表明,在低SNR下,時(shí)間反轉(zhuǎn)采用的探針信號(hào)攜帶的信道信息嚴(yán)重畸變,噪聲疊加效果導(dǎo)致利用探針信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)不但無(wú)法發(fā)揮理想的聚焦作用,反而導(dǎo)致了更加嚴(yán)重的噪聲干擾,從式(11)中可以看出,在ns(t)和np(t)及其組合的多重作用下使得噪聲干擾項(xiàng)n″(t)很?chē)?yán)重,造成時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的性能急劇下降.因此,考慮到時(shí)間反轉(zhuǎn)處理過(guò)程中噪聲干擾項(xiàng)來(lái)自探針、信息信號(hào)中的噪聲及2種噪聲的組合作用,在利用信道多徑聚焦提高檢測(cè)性能方面,時(shí)間反轉(zhuǎn)處理對(duì)信噪比變化的敏感程度要高于RAKE接收機(jī).

從圖4(a)、(b)還可發(fā)現(xiàn),SNR下降到一定程度后,RAKE接收機(jī)的性能優(yōu)于時(shí)間反轉(zhuǎn)處理及經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻方案,說(shuō)明采用RAKE接收機(jī)進(jìn)行多徑能量利用時(shí)其性能受噪聲的影響較小;相對(duì)應(yīng)的是,在SNR較高條件下時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的信道多徑聚焦性能較好.同時(shí),圖4(a)、(b)均顯示,在DS-DBPSK體制下RAKE接收機(jī)的性能優(yōu)于經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻方法,與上文理論分析結(jié)論吻合.

因此,比較圖4(a)、(b)可看出,本文提出的混合采用時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接技術(shù)方案可有效利用2種方法的各自?xún)?yōu)點(diǎn):在高SNR下,時(shí)間反轉(zhuǎn)可利用高質(zhì)量的探針信息對(duì)多徑進(jìn)行聚焦,在低SNR下則通過(guò)RAKE接收機(jī)重組多徑能量,從而更好地抑制多徑,克服碼間干擾.同時(shí),該方案可解決在低SNR下探針質(zhì)量下降造成的時(shí)間反轉(zhuǎn)處理性能急劇下降的問(wèn)題.

另一方面,考慮信道不同類(lèi)型多徑的影響,從圖4 (a)、(b)中可以看出,在較高SNR范圍內(nèi),多徑可明顯分離的信道2采用RAKE接收機(jī)比信道1可獲得比經(jīng)典直擴(kuò)接收機(jī)更多的性能改善,其原因在于后者的信道多徑混疊不可分離,無(wú)法充分利用RAKE進(jìn)行各多徑能量的合并.同時(shí),由于信道2具有比信道1更為接近δ(t)的時(shí)間反轉(zhuǎn)信道響應(yīng),在較高SNR范圍內(nèi),相對(duì)于RAKE及經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻接收機(jī),信道2中采用時(shí)間反轉(zhuǎn)接收機(jī)可獲得明顯優(yōu)于信道1的性能提升.因此,不同的信道多徑分布模式對(duì)于RAKE接收機(jī)、時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的多徑聚焦性能也將造成影響.從圖4中可以看出,采用本文提出的混合方案,其性能比RAKE接收機(jī)和時(shí)間反轉(zhuǎn)方案單獨(dú)使用更好,能夠提高通信系統(tǒng)的魯棒性.

同時(shí),考慮到RAKE接收機(jī)的性能與信道估計(jì)結(jié)果有關(guān),在SNR較低條件下信道估計(jì)準(zhǔn)確性下降將影響RAKE接收性能.雖然本文方案中RAKE接收機(jī)的信道估計(jì)和時(shí)間反轉(zhuǎn)用的探針信號(hào)采用自相關(guān)性好的偽隨機(jī)碼可改善在低SNR下的性能,但對(duì)于極低SNR的情況,仍然要考慮這一因素的影響.

4 結(jié) 論

本文分析了RAKE接收機(jī)技術(shù)、單通道被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)的多徑抑制機(jī)制,在不同信道結(jié)構(gòu)、不同SNR條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析比較了3種技術(shù)的抗多徑性能,并在此基礎(chǔ)上提出了一種混合采用時(shí)間反轉(zhuǎn)和RAKE接收機(jī)的擴(kuò)頻水聲通信新方案.湖試實(shí)驗(yàn)表明:在高SNR下,時(shí)間反轉(zhuǎn)可利用高質(zhì)量的探針信息對(duì)多徑進(jìn)行聚焦,在低SNR下則通過(guò)RAKE接收機(jī)重組多徑能量,從而更好地抑制多徑,克服碼間干擾,提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)健性.湖試實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文方案在提高多徑抑制性能及信道適應(yīng)性上的有效性.需要指出,本文方案實(shí)驗(yàn)結(jié)論是根據(jù)本批次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果獲得,后續(xù)還將進(jìn)一步進(jìn)行更多不同信道條件下的實(shí)驗(yàn)分析以更加全面對(duì)本文方案進(jìn)行評(píng)估.

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Underwater Acoustic Spread Communication Scheme by Hybridly Adopting Passive Time Reversal and RAKE Receiving

ZHOU Xue-hai,ZENG Kun,TONG Feng*
(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education, College of Ocean&Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Direct sequence spread spectrum(DSSS)offers an effective way for underwater acoustic(UWA)communication due to its spread spectrum processing gain and its capability to discriminate multipath components.For DSSS underwater acoustic communication systems,the time reversal strategy as well as the RAKE receiver technique is recognized as potential candidates for mitigating the multipath interference.However,performances of time reversal and RAKE receiver is subject to factors such as multipath patterns and SNRs(signal noise ratios).In this paper,based on the theoretical analysis of different multipath mitigation mechanisms of time reversal and RAKE receiver,a novel hybrid multipath mitigation scheme is proposed,switching between the time reversal and the RAKE mode according to the SNR.Finally,experimental results show that time reversal focuses the multipath by using high quality probe under high SNR,and under low SNR,RAKE receiver restructures the multipath.In these ways,the proposed scheme suppresses the multipath better and eliminates the code interference.Experimental results are provided to validate the effectiveness of the proposed method.

underwater acoustic communication;direct sequence spread spectrum;time reversal;RAKE receiver

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.02.020

TN 929.3

A

0438-0479(2015)02-0270-06

2014-03-18 錄用日期:2014-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(11274259);教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20120121110030)

*通信作者:ftong@xmu.edu.cn

周躍海,曾塹,童峰.混合采用被動(dòng)時(shí)反及RAKE接收的擴(kuò)頻水聲通信方案[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,54 (2):270-275.

:Zhou Xuehai,Zeng Kun,Tong Feng.Underwater acoustic spread communication scheme by hybridly adopting passive time reversal and RAKE receiving[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(2):270-275.(in Chinese)