2016, Vol. 38
由于信息技术的不断发展，促进了水下声通信技术的蓬勃发展，进而由模拟通信系统逐渐转变为数字通信系统。近年来，水声通信调制技术的主流为调幅键控（ASK）、调频键控（FSK）和调相键控（PSK）调制等。从20世纪90年代末期，开始出现扩频技术在水声通信中的应用研究，往往可在远距离、低信噪比下实现低误码率的稳健通信[1, 2, 3]。
1 扩频技术香农定理[4]如下式所示：
| $ C=Blb\left({1+\frac{S}{N}} \right)\,\,{\rm{bit}}/{\rm{s}} \text{。} $ | (1) |
在理想的带通系统中（能够实现极限速率传输且能达到任意小的差错概率的通信系统称为理想带通系统），随着频带宽度的比值，输出信号功率与噪声的功率比按着指数增加的规律而增长，所以能够看出在增加频带宽度的同时，可有效提升通信信通的输出信号的功率与噪声的功率的比值，通过这种处理，就可以增强整个通信系统的性能指标。使频带宽度得到提高最好的手段就是利用编码或调制的方法增加信号的冗余度。扩频通信正是利用了编码和调制的方法来提高信号的频带宽度。
扩频在通信系统中主要包括跳时通信技术、跳频通信技术、线性跳频通信技术以及直接序列扩展频谱通信[5]。上述几种方法皆为传统的扩频方式，在通信事业迅猛发展的今天，有很多新的扩频方式诞生，例如循环移位扩频方式，就是一种新的扩频通信方式。
扩频通信之所以能得到人们的重视与其自身的特点密不可分：1）扩频通信具有较强的抗干扰能力，可以保证信息在低信噪比下稳定地传输；2）利用扩频通信中伪随机序列的特点可以实现多址通信；3）扩频通信具有较好的安全性、抗衰落和抗多途能力。
2 直接序列扩频系统基本的扩展频谱通信系统有线性调频（Chirp）扩频系统，Time Hopping跳时扩展频谱通信系统，Frequency Hopping跳频扩展频谱通信系统，Direct Sequence直接序列扩展频谱通信系统。在雷达系统当中，应用线性调频扩频系统较多。在通信系统中主要采用直扩、跳频、跳时方式，这里主要介绍直接序列扩频通信系统，以下简称直扩系统。
直扩系统是把发射端的数据信息通过伪随机序列调制到较宽的频带上，接收端再经过相应的解扩过程，解调出接收信息。而噪声在接收端经过解扩过程之后被扩展到较宽的频率带上，从而提高了系统的输出信噪比，它是现在使用最广的扩频系统。
2.1 直接序列扩频系统的组成利用PN码产生器生成的伪随机序列c（t）将在信源发射端生成的发射数据信息a（t）进行扩频，这样就可以产生一个扩展频谱序列，它的速率和伪随机序列的速率相同。然后通过调制信号进行调制，产生发射端将要发送的信号数据信息，即已经经过扩展频谱调制后的信号。
让接收信号通过混频以及高功率放大器的操作，然后通过一个PN码产生器生成的伪随机序列，对它进行解扩，这里的伪随机序列和发射端的伪随机序列式同步的，最后将数据信息进行解调，将发送端的数据信息还原出来从而完成信息的传输。而干扰信号，只进行一次扩频，具有极小的功率谱密度，通过这种方法，实现增大传输信号的抗干扰能力的作用。直扩系统框图如图 1所示。
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图 1 直扩系统框图 Fig. 1 Direct sequence spread spectrum system |
在直扩系统中，伪随机序列用来携带要传送的数据。信号a（t）是信号发送端生成的码元序列，速度是Ra，宽度是Ta，Ta=1/Ra，则a（t）为[6]：
| $ a\,(t)=\sum\limits_{n=0}^\infty {{a_n}{g_a}(t - n{T_a})} \text{。} $ | (2) |
| ${g_a} = \left\{ \begin{array}{l} 1,0 \le t \le {T_a}{\rm{,}}\\ 0{\rm{,其他}}{\rm{.}} \end{array} \right.$ | (3) |
伪随机序列c（t），速率为Rc，码片宽度为Tc，Rc=1/Tc，则
| $ c\,(t)=\sum {{c_n}{g_c}}(t - n{T_c})\text{。} $ | (4) |
发送的序列为
| $ d(t)=a(t)c(t)\text{。} $ | (5) |
采用BPSK方式进行调制，得到调制后的信号为：
| $ s(t)=d(t)\sin(2π {f_c}t)\text{。} $ | (6) |
在接收端只考虑信道噪声对信号的影响：
| $ {s{'}}\,(t)=a(t)\sin(2π {f_c}t)+n(t)c(t) $ | (7) |
扩频系统传输信息的过程，就是利用PN码产生器生成的伪随机序列c（t）将在信源发射端生成的发射数据信息a（t）进行扩频，这样就可以产生一个扩展频谱序列，它的速率和伪随机序列的速率相同。然后通过调制信号进行调制，产生发射端将要发送的信号数据信息[7]。
增加带宽的有效途径是通过编码或调制的方法，增加信号的冗余度，从而使带宽增加。扩频通信正是利用了编码和调制的方法来增加信号的带宽。
二进制数字调制方式主要有振幅键控、移频键控、移相键控和差分相位键控。每种方法的优缺点各有不同，经过比较决定选用BPSK调制方式：1）在相同的输入信噪比下，它具有较低的误码率；2）系统的复杂程度不是很高；3）BPSK对信道的敏感度小；4）对频带的利用率高。
BPSK的调制和解调方式如图 2所示。
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图 2 BPSK调制解调图 Fig. 2 BPSK modulation and demodulation |
使用BPSK方式进行调制，需要注意的是在信号解码时应尽量避免出现“倒π现象”。
2.3 直接序列扩频系统的特点直扩系统之所以能够得到人们的重视，与其自身的特点密不可分。直接序列扩频方式的特点主要有以下几个方面：
1）具有很强的抗干扰能力。扩频系统通过相关接收，将信道噪声功率分散，进而提升信号的抗干扰能力[8]。
2）具有很强的抗测向、抗窃听、抗侦察的能力。可以将谱密度很低的扩频信号湮没在噪声之中；不易被侦察、截获和窃听。
3）具有很强的码分多址能力，频带的利用率会更高。
4）具有较强的抗衰落性能，对于频率选择性特别好。
5）具有很强的抗多径干扰能力。利用伪随机码极强的自相关性与互相关性，一旦多径产生的时延效应超过一个码片的宽度，就可以利用信息数据的处理作用将多径产生的干扰效果消除掉。
3 系统仿真为更直观了解直接序列扩频通信的过程，以m序列为例，进行水声扩频通信的仿真。
图 3（a）~图 3（d）分别表示的是原始发送码元信息序列，伪随机码元序列，扩展频谱通信之后的序列，经过载波调制之后的信号数据。
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图 3 通信系统发送端 Fig. 3 Transmit end of communication system |
调制后信号的功率谱如图 4所示。
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图 4 调制后信号功率谱 Fig. 4 Signal power spectrum after modulation |
从图可得信号的功率谱中，系统占用带宽为2 000 Hz。
软件仿真模拟传输数据信息所处于的水声信道环境如图 5所示。
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图 5 典型水声信道 Fig. 5 Typical underwater acoustics channel |
图 5为典型的水下声信道中，信号到达接收端接收到的信号为直达波、海面反射波，海底反射波的和，其中海面反射波的幅度为负值。
图 6（a）~图 6（d）分别表示扩频后的信号和噪声混合后，接收端接收到的经过水声信道的信号，由信道中提取出并经过解扩的信号，经过低通滤波器之后的信号，最终在接收端接收到的数据信号。
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图 6 通信系统接收端 Fig. 6 Receive end of communication system |
将通信系统发射端的原始序列数据信息和接收端接收到的序列数据信息进行对比，进而验证了扩展频谱通信系统的通信性能。
4 结 语为实现网络中心战格局，西方发达国家均制定了各种研究计划,逐步完善并建成不同功能应用的水下网络。我国水下网络发展还远远滞后于陆上无线网络，很大程度上是受限于水声通信技术的发展。海洋环境的特殊性决定了水声成为水下信息感知和传输的主要手段，通过对基于直接序列扩频的水声通信技术研究、仿真，验证了直接序列扩频水声通信具有较强的抗干扰能力及良好的通信性能，对于水声通信技术的发展应用具有借鉴意义。
| [1] | 程恩, 袁飞, 苏为, 等. 水声通信技术研究进展[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2011, 50(2):271-275. |
| [2] | 宋磊. 扩频技术在水声遥控中的应用研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2008. |
| [3] | 张刚强. 浅海信道直接序列扩频水声通信系统研究[D]. 厦门:厦门大学, 2008. |
| [4] | 李达飞. 弱直扩信号长相关伪码捕获技术研究[D]. 长沙:国防科学技术大学, 2010. |
| [5] | 谢春健. 基于自适应滤波的扩频通信系统抗干扰研究[D]. 西安:西北工业大学, 2005. |
| [6] | 王洪民, 王晓阳, 郭小宇, 等. 基于DSP的直接序列扩频水声通信技术研究[J]. 舰船电子工程, 2013, 33(8):79-81, 97. |
| [7] | 马凌. 直扩码分多址系统相关技术的研究与实现[D]. 武汉:武汉理工大学, 2006. |
| [8] | 乔海龙. 直扩系统抗窄带干扰技术的研究与实现[D]. 西安:西安电子科技大学, 2009. |