馬世雄 蔣佳佳 段發(fā)階 王憲全 鄧 澈

（1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072；2.天津大學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072）

引 言

海洋覆蓋著地球三分之二的表面積，蘊(yùn)藏著豐富的資源，近年來各國(guó)逐漸加大了對(duì)海洋的研究力度。隨著開發(fā)海洋的步伐逐漸加快，人類對(duì)水下通信的可靠性與穩(wěn)定性要求越來越高：在軍事方面，潛艇通信[1]、水下機(jī)器人通信[2]等需要通過可靠的水下通信實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位和安全保障；在民用方面，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)與海上平臺(tái)通信[3]、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]等需要可靠的水下通信實(shí)現(xiàn)信息交換、通信聯(lián)絡(luò)。因此，作為實(shí)現(xiàn)水下綜合信息感知、信息交互的主要手段[5]和當(dāng)前實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離通信的重要途徑，水聲通信在海洋領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。

現(xiàn)階段水聲通信主要通過頻移鍵控(Frequency shift keying,FSK)、幅移鍵控(Amplitude shift keying,ASK)、相移鍵控(Phase shift keying,PSK)及正交頻分復(fù)用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，但這些通信方式由于受到多途信道和多普勒頻移的影響，導(dǎo)致信息傳輸過程中傳輸信息的丟失；而差分時(shí)延差編碼是通過碼元攜帶的時(shí)延信息進(jìn)行時(shí)延編碼，能有效抑制多途信道的干擾，對(duì)隨機(jī)不均勻水聲信道有較強(qiáng)的抗干擾能力，能實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳輸，因此在水聲通信中被廣泛應(yīng)用。水聲發(fā)射系統(tǒng)作為水聲通信的重要組成部分，在水聲通信中扮演著重要的角色。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于差分時(shí)延差編碼的水聲發(fā)射系統(tǒng)。差分時(shí)延差編碼通過碼元攜帶的時(shí)延信息和碼元的種類實(shí)現(xiàn)信息編碼，若碼元種類不足，將會(huì)在較大程度上限制通信的速率。因此，基于差分時(shí)延差編碼的水聲發(fā)射系統(tǒng)必須產(chǎn)生足夠種類的碼元，以提高通信速率。傳統(tǒng)的信號(hào)波形產(chǎn)生主要通過直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct digital synthesizer,DDS)[6]來實(shí)現(xiàn)。利用DDS集成芯片通過硬件電路產(chǎn)生所需要的信號(hào)波形，該方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)種類和頻帶受采樣頻率的限制，且由相位誤差、幅度量化誤差及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的非線性特性引起的雜散波形難以控制，碼元越復(fù)雜，DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度越大，難以滿足差分時(shí)延差編碼對(duì)碼元種類的要求。因此，針對(duì)差分時(shí)延差編碼的特點(diǎn)和要求，本文設(shè)計(jì)的水聲發(fā)射系統(tǒng)通過波形存儲(chǔ)直讀方式產(chǎn)生信號(hào)波形作為碼元，再傳輸?shù)较挛粰C(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)及編碼發(fā)送，原理簡(jiǎn)單，對(duì)器件依賴性較小，且信號(hào)波形的復(fù)雜程度不影響該方式產(chǎn)生信號(hào)波形的難度，能夠根據(jù)應(yīng)用需要產(chǎn)生碼元，滿足差分時(shí)延差編碼對(duì)碼元的要求。同時(shí)該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)差分時(shí)延差編碼通信，而且能夠根據(jù)應(yīng)用需要，實(shí)現(xiàn)任意波形的發(fā)射，因此具有很高的靈活性。最后通過湖試通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在不同工作模式和編碼量化間隔條件下編碼信息的準(zhǔn)確性以及傳輸信息的可靠性。

1 發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該水聲發(fā)射系統(tǒng)由6部分組成，如圖1所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生碼元并通過以太網(wǎng)逐次將碼元信號(hào)、控制信號(hào)和通信信息傳輸至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field programmable gate array,FPGA)；FPGA及存儲(chǔ)器模塊是該系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)差分時(shí)延差編碼的關(guān)鍵模塊，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)碼元存儲(chǔ)的地址分配，通信參數(shù)配置及信息編碼，存儲(chǔ)器主要實(shí)現(xiàn)碼元存儲(chǔ)；波形輸出模塊負(fù)責(zé)將數(shù)字編碼信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并通過濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波；功率放大器負(fù)責(zé)將發(fā)射信號(hào)進(jìn)行功率放大并對(duì)換能器進(jìn)行阻抗匹配；換能器實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將編碼信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)并通過水聲信道傳播出去。其中，碼元信號(hào)是差分時(shí)延差編碼攜帶信息的基本信號(hào)單元；控制信號(hào)包括模式碼和量化間隔碼，分別控制系統(tǒng)的模式配置及編碼量化間隔選擇；通信信息表示系統(tǒng)發(fā)射出去的信息。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of launch system

2 基于差分時(shí)延差編碼的發(fā)射系統(tǒng)

2.1 差分時(shí)延差編碼原理

時(shí)延差編碼通信屬于脈位調(diào)制，信息并非調(diào)制在碼元波形內(nèi)，而是利用固定寬度碼元攜帶的時(shí)延差值實(shí)現(xiàn)信息的編碼[7]。差分時(shí)延差編碼是對(duì)時(shí)延差編碼通信方式的改進(jìn)，通過相鄰碼元的時(shí)間差值及碼元種類編碼信息，碼元長(zhǎng)度是非固定的，具有較好的抗碼間干擾能力。差分時(shí)延差編碼的原理如圖2所示，其中tp為碼元脈寬，Ti_end為第i個(gè)碼元結(jié)束時(shí)刻；ti為第i個(gè)碼元攜帶的時(shí)延信息。

圖2 差分時(shí)延差編碼的原理圖Fig.2 Principle diagram of differential time delay shift coding

差分時(shí)延差編碼包括時(shí)延差值編碼和碼元種類編碼兩種編碼方式。其中，時(shí)延差值編碼是利用第i個(gè)碼元的結(jié)束時(shí)刻Ti_end與第i-1個(gè)碼元的結(jié)束時(shí)刻Ti-1_end的差值，再減去碼元脈寬tp得到第i個(gè)碼元的時(shí)延信息ti，即

式中：Δt表示編碼量化間隔，不同的ki代表不同的信息；碼元種類編碼是指系統(tǒng)存儲(chǔ)2n種碼元，則碼元種類可編碼nbit信息，不同的碼元代表不同的信息。

基于以上兩種信息編碼方式，系統(tǒng)利用兩種方式實(shí)現(xiàn)差分時(shí)延差編碼，通過上位機(jī)對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使系統(tǒng)在不同模式工作，對(duì)應(yīng)兩種編碼方式各自攜帶的信息如表1所示，其中每個(gè)碼元攜帶8 bit信息，編碼量化間隔個(gè)數(shù)表示式(1)中ki的取值范圍。

表1 不同工作模式下兩種編碼方式攜帶信息Tab.1 Information carried by two encoding ways under different working modes

圖3 數(shù)據(jù)幀格式結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of data frame format

差分時(shí)延差編碼以數(shù)據(jù)幀為基本單位，參照傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示，其中頻移探測(cè)碼用于測(cè)量多普勒系數(shù)。實(shí)際通信過程中，收發(fā)節(jié)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，導(dǎo)致碼元壓縮或擴(kuò)展，造成與本地參考碼的相關(guān)性減弱，因此需對(duì)多普勒頻移進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。系統(tǒng)利用塊估計(jì)法[8]測(cè)量多普勒系數(shù)，利用多普勒容限高的碼元作為頻移探測(cè)碼，估計(jì)多普勒因子并通過重采樣進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，消除多普勒頻移對(duì)信息傳輸?shù)挠绊?；時(shí)反探測(cè)碼用于抑制多途信道的干擾，預(yù)先發(fā)送時(shí)反探測(cè)碼，利用被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)，聚焦能量，抑制碼間干擾[9]；同步碼用于確定譯碼窗的時(shí)間基準(zhǔn)，為接收機(jī)拷貝相關(guān)解碼提供零基準(zhǔn)時(shí)刻；模式碼與量化間隔碼作為系統(tǒng)控制碼，用于通信編碼參數(shù)配置；信息碼攜帶通信信息，每幀數(shù)據(jù)信息碼的個(gè)數(shù)取決于水聲信道的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間，信息碼個(gè)數(shù)過多會(huì)增大碼間干擾，信息碼個(gè)數(shù)過少會(huì)導(dǎo)致信息傳輸速率過低。同時(shí)，為抑制碼間干擾，在相鄰碼元之間添加保護(hù)時(shí)隙。

2.2 碼元信號(hào)的產(chǎn)生

系統(tǒng)基于差分時(shí)延差編碼設(shè)計(jì)而成，通過時(shí)延差值編碼和碼元種類編碼兩種編碼方式實(shí)現(xiàn)信息的傳輸并決定信息的傳輸速率。在其他條件不變的情況下，碼元種類越多，系統(tǒng)傳輸速率越快(如表1所示)，因此，為提高傳輸速率，需要有盡可能多的碼元種類被產(chǎn)生和提供，例如，不同斜率的線性調(diào)頻(Linear frequency modulation,LFM)脈沖碼元、不同頻段的LFM脈沖碼元等。

傳統(tǒng)的信號(hào)波形主要通過DDS來產(chǎn)生，但它是通過硬件電路產(chǎn)生所需的信號(hào)波形，信號(hào)波形越復(fù)雜、波形種類越多，實(shí)現(xiàn)難度越大。針對(duì)以上問題并結(jié)合差分時(shí)延差編碼的特點(diǎn)和要求，本文設(shè)計(jì)了一種利用波形存儲(chǔ)直讀方式產(chǎn)生碼元的方法。該方法首先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，確定碼元的工作頻率、脈沖長(zhǎng)度及重復(fù)周期等參數(shù)，然后利用Matlab產(chǎn)生相應(yīng)的碼元，并給碼元添加幀頭和幀尾，再將碼元傳輸?shù)较挛粰C(jī)并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器，然后配置通信編碼參數(shù)，最后利用差分時(shí)延差編碼對(duì)通信信息進(jìn)行編碼。系統(tǒng)采用的波形存儲(chǔ)直讀方式對(duì)硬件電路要求低，原理簡(jiǎn)單，且信號(hào)波形的復(fù)雜程度不影響該方式產(chǎn)生信號(hào)波形的難度，不僅能夠產(chǎn)生滿足差分時(shí)延差編碼的各種碼元，還能產(chǎn)生滿足其他應(yīng)用要求的連續(xù)或脈沖碼元，如連續(xù)LFM信號(hào)、連續(xù)雙曲調(diào)頻(Hyperbola frequency modulation,HFM)信號(hào)、連續(xù)正弦調(diào)頻(Sine frequency modulation,SFM)信號(hào)、脈沖LFM、脈沖HFM和脈沖SFM信號(hào)波形等，即該方法能夠根據(jù)應(yīng)用需要，實(shí)現(xiàn)任意波形的產(chǎn)生，因此具有非常高的靈活性。這說明基于這種信號(hào)波形產(chǎn)生方式的水聲發(fā)射系統(tǒng)不僅能用于差分時(shí)延差編碼的各種碼元產(chǎn)生，還能運(yùn)用到其他水聲發(fā)射系統(tǒng)中。

2.3 差分時(shí)延差編碼的實(shí)現(xiàn)

差分時(shí)延差編碼是系統(tǒng)傳輸信息的關(guān)鍵。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)差分時(shí)延差編碼，主要經(jīng)過3個(gè)步驟：首先實(shí)現(xiàn)碼元的產(chǎn)生與存儲(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要，利用Matlab產(chǎn)生碼元，如不同斜率的LFM信號(hào)、CW信號(hào)等，將碼元由上位機(jī)傳輸至FPGA可編程片上系統(tǒng)(System on a programmable chip,SoPC)，并對(duì)碼元分配地址，然后存儲(chǔ)到靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Static random access memory,SRAM)；其次進(jìn)行通信參數(shù)配置，在上位機(jī)將影響差分時(shí)延差編碼的參數(shù)——模式碼和量化間隔碼設(shè)定后，將參數(shù)信息傳輸?shù)紽PGA，確定發(fā)射系統(tǒng)的差分時(shí)延差編碼方式；最后實(shí)現(xiàn)信息編碼，從上位機(jī)將通信信息傳輸?shù)较挛粰C(jī)，通過碼元延遲模塊和尋址模塊完成時(shí)延差值編碼和碼元種類編碼。

碼元產(chǎn)生與存儲(chǔ)是差分時(shí)延差編碼的基礎(chǔ)，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的碼元包從上位機(jī)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器?；谝蕴W(wǎng)TCP協(xié)議傳輸速率更快且具有重傳機(jī)制，能夠保證碼元包快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)紽PGA，因此本系統(tǒng)選取以太網(wǎng)傳輸控制協(xié)議（Transmission control protocol,TCP）作為系統(tǒng)的信息傳輸方式。以太網(wǎng)最大傳輸單元（Maximum transmission unit,MTU）為1 500字節(jié)，碼元包的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于MTU，為保證碼元包傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)對(duì)碼元包采用分包發(fā)送，將其分為若干數(shù)據(jù)包，并依次傳輸?shù)较挛粰C(jī)；同時(shí)上位機(jī)與FPGA通過以太網(wǎng)控制器連接，系統(tǒng)利用FPGA內(nèi)部SPI軟核構(gòu)建SoPC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)FPGA與上位機(jī)通信，SoPC系統(tǒng)如圖4所示。

系統(tǒng)進(jìn)行碼元產(chǎn)生與存儲(chǔ)時(shí)，首先通過Matlab產(chǎn)生碼元，然后在碼元前后添加巴克碼作為幀頭及幀尾并存儲(chǔ)在txt格式的文本中，構(gòu)成碼元包，再將碼元包從上位機(jī)傳輸?shù)絊oPC系統(tǒng)中；然后由于以太網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)為char型，碼元為int型，SoPC系統(tǒng)通過8 bit/16 bit轉(zhuǎn)換完成碼元重組，并通過SRAM控制模塊將碼元存儲(chǔ)到SRAM中，如圖5所示。由于碼元包的數(shù)據(jù)量很大，為便于信息編碼時(shí)的碼元尋址，系統(tǒng)采用頁式存儲(chǔ)的方式對(duì)碼元包分配地址。

圖4 SoPC系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of SoPC system

圖5 發(fā)射系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flowchart of launch system

通信參數(shù)配置是指在通信信息發(fā)出之前，將工作模式、編碼量化間隔等通信編碼參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。參照表1即可確定差分時(shí)延差編碼所需的碼元種類個(gè)數(shù)及編碼量化間隔個(gè)數(shù)以及差分時(shí)延差編碼的最大編碼時(shí)間[10]和最小編碼時(shí)間。上位機(jī)根據(jù)實(shí)際碼元個(gè)數(shù)及應(yīng)用需要，設(shè)定系統(tǒng)的通信編碼參數(shù)并傳輸?shù)较挛粰C(jī)，完成工作模式的選擇及編碼量化間隔的設(shè)定，如圖5所示。

信息編碼是差分時(shí)延差編碼的核心，發(fā)射系統(tǒng)將通信信息傳輸?shù)较挛粰C(jī)，并根據(jù)通信參數(shù)配置對(duì)通信信息進(jìn)行分割，將通信信息通過尋址模塊和SRAM控制模塊進(jìn)行碼元種類編碼，從存儲(chǔ)器中讀取相應(yīng)碼元，再利用通信信息所對(duì)應(yīng)的時(shí)延信息對(duì)已讀取的碼元添加時(shí)延信息，進(jìn)行時(shí)延差值編碼，如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中的效果，課題組進(jìn)行了湖試通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示。首先利用上位機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的碼元信號(hào)，通過以太網(wǎng)將碼元傳輸?shù)较挛粰C(jī)；然后設(shè)定系統(tǒng)的工作模式和編碼量化間隔，并將通信信息經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)由換能器發(fā)出；再將水聽器接收的微弱信號(hào)經(jīng)前置放大器放大濾波后，通過采集卡將采集信號(hào)傳送到上位機(jī)，最后對(duì)收發(fā)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理[11]，從而檢測(cè)系統(tǒng)在不同參數(shù)條件下編碼信息的準(zhǔn)確性和傳輸信息的可靠性。

圖6 湖試通信實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.6 Diagram of lake communication experiment

湖試通信實(shí)驗(yàn)利用水聽器實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，但由于水聽器的輸出信號(hào)為微弱電壓信號(hào)，不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，需要利用前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并通過采集卡提取采樣信號(hào)，從而進(jìn)行信息的解碼。本實(shí)驗(yàn)發(fā)射系統(tǒng)的采樣率為44.1 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理[12]設(shè)定采集卡的采樣率為88.2 kHz，前置放大器的增益、濾波網(wǎng)絡(luò)的截止頻率設(shè)計(jì)均為多檔可調(diào)式，具體參數(shù)如表2所示。

表2 前置放大器與采集卡的參數(shù)表Tab.2 Parameter table of preamplifier and acquisition card

湖試通信實(shí)驗(yàn)各組成模塊及實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。青年湖長(zhǎng)290 m，寬210 m，換能器與水聽器間距15 m，換能器與水聽器放置于距水面為2 m處，結(jié)合換能器的聲壓曲線和水聽器的靈敏度曲線，選取 1～5.2 kHz的LFM脈沖作為碼元，每個(gè)LFM脈沖的帶寬為600 Hz，設(shè)定數(shù)據(jù)幀中信息碼的個(gè)數(shù)n為3，碼元脈寬為25 ms，編碼量化間隔為10 ms，保護(hù)時(shí)隙為20 ms，通信信息為“0x0C,0x1E,0x1F”，設(shè)置系統(tǒng)的工作模式為模式3，發(fā)送、接收調(diào)制信號(hào)及相關(guān)曲線如圖8所示。

系統(tǒng)工作在模式3條件時(shí)，碼元包共有13個(gè)碼元，其中碼元P1～P8為編碼信號(hào)，其余碼元依次為頻移探測(cè)碼P9、時(shí)反探測(cè)碼P10、同步碼P11、模式碼P12和量化間隔碼P13，則圖8中發(fā)送調(diào)制信號(hào)與碼元包中碼元的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。再將接收調(diào)制信號(hào)依次與碼元信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可確定二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如圖8的相關(guān)曲線中藍(lán)色為碼元P9與接收調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的結(jié)果，除與第1個(gè)碼元和第6個(gè)碼元的相關(guān)峰值尖銳之外，與其余碼元的相關(guān)性都很弱，表明接收調(diào)制信號(hào)中第1個(gè)碼元和第6個(gè)碼元對(duì)應(yīng)碼元包中的碼元P9。結(jié)合表3和圖8的相關(guān)曲線可知，發(fā)送、接收調(diào)制信號(hào)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式保持一致。

圖7 湖試通信實(shí)驗(yàn)組成各模塊及實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.7 Each module and the environment of lake communication

同時(shí)，由圖8可知發(fā)送調(diào)制信號(hào)中各碼元的中心時(shí)刻，利用相鄰碼元的中心時(shí)刻減去碼元脈寬即可得到各碼元攜帶的時(shí)延信息；同時(shí)利用相鄰相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻減去碼元脈寬即可得到接收調(diào)制信號(hào)的各碼元的時(shí)延信息，則收發(fā)調(diào)制信號(hào)中各碼元攜帶的時(shí)延信息如表4所示。同時(shí)參照系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式可知，表4中第7,8,9個(gè)碼元為信息碼，系統(tǒng)設(shè)定編碼量化間隔為10 ms，即接收調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)碼元的時(shí)延為10 ms的整數(shù)倍，則收發(fā)調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)碼元的時(shí)延信息相同。

圖8 模式3條件下發(fā)送、接收調(diào)制信號(hào)及相關(guān)曲線Fig.8 Transmitted and received modulation signal and related curve under mode 3 condition

表3 發(fā)送調(diào)制信號(hào)與碼元信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Correspondence between the transmitted modulation signal and the symbol signal

表4 收發(fā)調(diào)制信號(hào)中各碼元攜帶的時(shí)延信息Tab.4 Delay information carried by each symbol in transmitted and received modulated signals

綜上可知，收發(fā)調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的碼元種類及時(shí)延信息均相同。因此系統(tǒng)發(fā)出的發(fā)送調(diào)制信號(hào)經(jīng)信道衰減、多途干擾等影響后，雖產(chǎn)生明顯形變，但通過拷貝相關(guān)技術(shù)仍能分辨接收調(diào)制信號(hào)的碼元，即可準(zhǔn)確解調(diào)通信信息，證明了系統(tǒng)能準(zhǔn)確編碼信息并實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳輸與解碼。

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將編碼量化間隔改為20 ms，其余參數(shù)保持不變，利用采集卡獲取接收調(diào)制信號(hào)；然后設(shè)定編碼量化間隔為10 ms，工作模式為模式2，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，所接收的調(diào)制信號(hào)及相關(guān)曲線如圖9所示。

圖9 不同參數(shù)條件下接收調(diào)制信號(hào)及相關(guān)曲線Fig.9 Received modulation signal and correlation curve under different parameter conditions

由系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式可知，當(dāng)工作模式相同而編碼量化間隔不同時(shí)，接收調(diào)制信號(hào)中除量化間隔碼（第5個(gè)碼元）和信息碼（第7,8,9個(gè)碼元）外，其余碼元的時(shí)延信息相同，編碼量化間隔為10 ms，量化間隔碼的時(shí)延信息為25 ms，各信息碼的時(shí)延分別為30,50和50 ms；編碼量化間隔為20 ms，量化間隔碼的時(shí)延信息為30 ms，發(fā)送相同通信信息，各信息碼的時(shí)延依次為40,80和80 ms。當(dāng)編碼量化間隔相同而工作模式不同時(shí)，接收調(diào)制信號(hào)中僅有模式碼（第4個(gè)碼元）和信息碼（第7,8,9個(gè)碼元）的時(shí)延不同，系統(tǒng)在模式2條件時(shí)，模式碼的時(shí)延信息為20 ms，對(duì)應(yīng)相同通信信息，各信息碼的時(shí)延分別為50,90和90 ms。由圖9各相關(guān)峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻可知，不同參數(shù)條件下，接收調(diào)制信號(hào)中各碼元攜帶的時(shí)延如表5所示，接收調(diào)制信號(hào)中各碼元攜帶的時(shí)延信息與理論值保持一致。

表5 接收調(diào)制信號(hào)中各碼元攜帶的時(shí)延信息Tab.5 Delay information carried by each symbol in received modulated signal

綜上可知，通過對(duì)比發(fā)送及接收調(diào)制信號(hào)中各碼元攜帶的時(shí)延信息以及對(duì)收發(fā)調(diào)制信號(hào)的相關(guān)性分析，證明該系統(tǒng)在不同工作模式和編碼量化間隔條件下均能準(zhǔn)確編碼信息并實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳輸。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于差分時(shí)延差編碼的水聲發(fā)射系統(tǒng)，利用波形存儲(chǔ)直讀的信號(hào)波形產(chǎn)生方式，不僅能產(chǎn)生各種波形作為碼元用于差分時(shí)延差編碼，有效抑制多徑干擾和多普勒頻移等因素的影響；還能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)任意波形的發(fā)射，充分體現(xiàn)了本系統(tǒng)的靈活性。最后通過湖試通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了水聲發(fā)射系統(tǒng)在不同工作模式和不同編碼量化間隔條件下，均能實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確、可靠傳輸，表明該水聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，性能可靠，可應(yīng)用于水下通信、主動(dòng)聲吶等水聲通信中。