基于差分時延差編碼的水聲發(fā)射系統(tǒng)研制

馬世雄 蔣佳佳 段發(fā)階 王憲全 鄧 澈

（1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津，300072；2.天津大學(xué)微光機電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點實驗室，天津，300072）

引 言

海洋覆蓋著地球三分之二的表面積，蘊藏著豐富的資源，近年來各國逐漸加大了對海洋的研究力度。隨著開發(fā)海洋的步伐逐漸加快，人類對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]、水下機器人通信[2]等需要通過可靠的水下通信實現(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)與海上平臺通信[3]、海洋環(huán)境監(jiān)測[4]等需要可靠的水下通信實現(xiàn)信息交換、通信聯(lián)絡(luò)。因此，作為實現(xiàn)水下綜合信息感知、信息交互的主要手段[5]和當(dāng)前實現(xiàn)水下遠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；而差分時延差編碼是通過碼元攜帶的時延信息進行時延編碼，能有效抑制多途信道的干擾，對隨機不均勻水聲信道有較強的抗干擾能力，能實現(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)計了一種基于差分時延差編碼的水聲發(fā)射系統(tǒng)。差分時延差編碼通過碼元攜帶的時延信息和碼元的種類實現(xiàn)信息編碼，若碼元種類不足，將會在較大程度上限制通信的速率。因此，基于差分時延差編碼的水聲發(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]來實現(xiàn)。利用DDS集成芯片通過硬件電路產(chǎn)生所需要的信號波形，該方式電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號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)實現(xiàn)難度越大，難以滿足差分時延差編碼對碼元種類的要求。因此，針對差分時延差編碼的特點和要求，本文設(shè)計的水聲發(fā)射系統(tǒng)通過波形存儲直讀方式產(chǎn)生信號波形作為碼元，再傳輸?shù)较挛粰C進行存儲及編碼發(fā)送，原理簡單，對器件依賴性較小，且信號波形的復(fù)雜程度不影響該方式產(chǎn)生信號波形的難度，能夠根據(jù)應(yīng)用需要產(chǎn)生碼元，滿足差分時延差編碼對碼元的要求。同時該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)差分時延差編碼通信，而且能夠根據(jù)應(yīng)用需要，實現(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驗，驗證了該系統(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。上位機負責(zé)產(chǎn)生碼元并通過以太網(wǎng)逐次將碼元信號、控制信號和通信信息傳輸至現(xiàn)場可編程門陣列(Field programmable gate array,FPGA)；FPGA及存儲器模塊是該系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)差分時延差編碼的關(guān)鍵模塊，F(xiàn)PGA負責(zé)碼元存儲的地址分配，通信參數(shù)配置及信息編碼，存儲器主要實現(xiàn)碼元存儲；波形輸出模塊負責(zé)將數(shù)字編碼信號轉(zhuǎn)化為模擬信號并通過濾波網(wǎng)絡(luò)進行濾波；功率放大器負責(zé)將發(fā)射信號進行功率放大并對換能器進行阻抗匹配；換能器實現(xiàn)電信號到聲信號的轉(zhuǎn)換，將編碼信號轉(zhuǎn)化為聲音信號并通過水聲信道傳播出去。其中，碼元信號是差分時延差編碼攜帶信息的基本信號單元；控制信號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 基于差分時延差編碼的發(fā)射系統(tǒng)

2.1 差分時延差編碼原理

時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延差值實現(xiàn)信息的編碼[7]。差分時延差編碼是對時延差編碼通信方式的改進，通過相鄰碼元的時間差值及碼元種類編碼信息，碼元長度是非固定的，具有較好的抗碼間干擾能力。差分時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個碼元結(jié)束時刻；ti為第i個碼元攜帶的時延信息。

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

差分時延差編碼包括時延差值編碼和碼元種類編碼兩種編碼方式。其中，時延差值編碼是利用第i個碼元的結(jié)束時刻Ti_end與第i-1個碼元的結(jié)束時刻Ti-1_end的差值，再減去碼元脈寬tp得到第i個碼元的時延信息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)利用兩種方式實現(xiàn)差分時延差編碼，通過上位機對通信參數(shù)進行設(shè)定，使系統(tǒng)在不同模式工作，對應(yīng)兩種編碼方式各自攜帶的信息如表1所示，其中每個碼元攜帶8 bit信息，編碼量化間隔個數(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

差分時延差編碼以數(shù)據(jù)幀為基本單位，參照傳統(tǒng)發(fā)射機的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示，其中頻移探測碼用于測量多普勒系數(shù)。實際通信過程中，收發(fā)節(jié)點間相對運動會產(chǎn)生多普勒頻移，導(dǎo)致碼元壓縮或擴展，造成與本地參考碼的相關(guān)性減弱，因此需對多普勒頻移進行測量和補償。系統(tǒng)利用塊估計法[8]測量多普勒系數(shù)，利用多普勒容限高的碼元作為頻移探測碼，估計多普勒因子并通過重采樣進行多普勒補償，消除多普勒頻移對信息傳輸?shù)挠绊懀粫r反探測碼用于抑制多途信道的干擾，預(yù)先發(fā)送時反探測碼，利用被動時間反轉(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間基準(zhǔn)，為接收機拷貝相關(guān)解碼提供零基準(zhǔn)時刻；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)信息碼的個數(shù)取決于水聲信道的相對穩(wěn)定時間，信息碼個數(shù)過多會增大碼間干擾，信息碼個數(shù)過少會導(dǎo)致信息傳輸速率過低。同時，為抑制碼間干擾，在相鄰碼元之間添加保護時隙。

2.2 碼元信號的產(chǎn)生

系統(tǒng)基于差分時延差編碼設(shè)計而成，通過時延差值編碼和碼元種類編碼兩種編碼方式實現(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)生所需的信號波形，信號波形越復(fù)雜、波形種類越多，實現(xiàn)難度越大。針對以上問題并結(jié)合差分時延差編碼的特點和要求，本文設(shè)計了一種利用波形存儲直讀方式產(chǎn)生碼元的方法。該方法首先根據(jù)實際應(yīng)用需要，確定碼元的工作頻率、脈沖長度及重復(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并存儲到存儲器，然后配置通信編碼參數(shù)，最后利用差分時延差編碼對通信信息進行編碼。系統(tǒng)采用的波形存儲直讀方式對硬件電路要求低，原理簡單，且信號波形的復(fù)雜程度不影響該方式產(chǎn)生信號波形的難度，不僅能夠產(chǎn)生滿足差分時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、連續(xù)雙曲調(diào)頻(Hyperbola frequency modulation,HFM)信號、連續(xù)正弦調(diào)頻(Sine frequency modulation,SFM)信號、脈沖LFM、脈沖HFM和脈沖SFM信號波形等，即該方法能夠根據(jù)應(yīng)用需要，實現(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波形產(chǎn)生方式的水聲發(fā)射系統(tǒng)不僅能用于差分時延差編碼的各種碼元產(chǎn)生，還能運用到其他水聲發(fā)射系統(tǒng)中。

2.3 差分時延差編碼的實現(xiàn)

差分時延差編碼是系統(tǒng)傳輸信息的關(guān)鍵。系統(tǒng)實現(xiàn)差分時延差編碼，主要經(jīng)過3個步驟：首先實現(xiàn)碼元的產(chǎn)生與存儲，根據(jù)實際需要，利用Matlab產(chǎn)生碼元，如不同斜率的LFM信號、CW信號等，將碼元由上位機傳輸至FPGA可編程片上系統(tǒng)(System on a programmable chip,SoPC)，并對碼元分配地址，然后存儲到靜態(tài)隨機存儲器(Static random access memory,SRAM)；其次進行通信參數(shù)配置，在上位機將影響差分時延差編碼的參數(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)的差分時延差編碼方式；最后實現(xiàn)信息編碼，從上位機將通信信息傳輸?shù)较挛粰C，通過碼元延遲模塊和尋址模塊完成時延差值編碼和碼元種類編碼。

碼元產(chǎn)生與存儲是差分時延差編碼的基礎(chǔ)，關(guān)鍵是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的碼元包從上位機傳輸?shù)酱鎯ζ??；谝蕴W(wǎng)TCP協(xié)議傳輸速率更快且具有重傳機制，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)量遠大于MTU，為保證碼元包傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)對碼元包采用分包發(fā)送，將其分為若干數(shù)據(jù)包，并依次傳輸?shù)较挛粰C；同時上位機與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)，實現(xiàn)FPGA與上位機通信，SoPC系統(tǒng)如圖4所示。

系統(tǒng)進行碼元產(chǎn)生與存儲時，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在txt格式的文本中，構(gòu)成碼元包，再將碼元包從上位機傳輸?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，為便于信息編碼時的碼元尋址，系統(tǒng)采用頁式存儲的方式對碼元包分配地址。

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)進行設(shè)定。參照表1即可確定差分時延差編碼所需的碼元種類個數(shù)及編碼量化間隔個數(shù)以及差分時延差編碼的最大編碼時間[10]和最小編碼時間。上位機根據(jù)實際碼元個數(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，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，并根據(jù)通信參數(shù)配置對通信信息進行分割，將通信信息通過尋址模塊和SRAM控制模塊進行碼元種類編碼，從存儲器中讀取相應(yīng)碼元，再利用通信信息所對應(yīng)的時延信息對已讀取的碼元添加時延信息，進行時延差值編碼，如圖5所示。

3 實驗結(jié)果及分析

為驗證系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中的效果，課題組進行了湖試通信實驗，實驗示意圖如圖6所示。首先利用上位機產(chǎn)生系統(tǒng)所需的碼元信號，通過以太網(wǎng)將碼元傳輸?shù)较挛粰C；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經(jīng)前置放大器放大濾波后，通過采集卡將采集信號傳送到上位機，最后對收發(fā)調(diào)制信號進行拷貝相關(guān)處理[11]，從而檢測系統(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 湖試通信實驗示意圖Fig.6 Diagram of lake communication experiment

湖試通信實驗利用水聽器實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，但由于水聽器的輸出信號為微弱電壓信號，不能直接進行數(shù)據(jù)采集與分析，需要利用前置放大器對信號進行調(diào)理，并通過采集卡提取采樣信號，從而進行信息的解碼。本實驗發(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

湖試通信實驗各組成模塊及實驗環(huán)境如圖7所示。青年湖長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LFM脈沖的帶寬為600 Hz，設(shè)定數(shù)據(jù)幀中信息碼的個數(shù)n為3，碼元脈寬為25 ms，編碼量化間隔為10 ms，保護時隙為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)制信號及相關(guān)曲線如圖8所示。

系統(tǒng)工作在模式3條件時，碼元包共有13個碼元，其中碼元P1～P8為編碼信號，其余碼元依次為頻移探測碼P9、時反探測碼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)制信號與碼元包中碼元的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。再將接收調(diào)制信號依次與碼元信號進行相關(guān)運算，即可確定二者的對應(yīng)關(guān)系，例如圖8的相關(guān)曲線中藍色為碼元P9與接收調(diào)制信號進行相關(guān)的結(jié)果，除與第1個碼元和第6個碼元的相關(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)制信號中第1個碼元和第6個碼元對應(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)制信號與系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式保持一致。

圖7 湖試通信實驗組成各模塊及實驗環(huán)境Fig.7 Each module and the environment of lake communication

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

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

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

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

綜上可知，收發(fā)調(diào)制信號對應(yīng)時刻的碼元種類及時延信息均相同。因此系統(tǒng)發(fā)出的發(fā)送調(diào)制信號經(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)確編碼信息并實現(xiàn)信息的可靠傳輸與解碼。

在上述實驗的基礎(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；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)實驗過程，所接收的調(diào)制信號及相關(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，接收調(diào)制信號中除量化間隔碼（第5個碼元）和信息碼（第7,8,9個碼元）外，其余碼元的時延信息相同，編碼量化間隔為10 ms，量化間隔碼的時延信息為25 ms，各信息碼的時延分別為30,50和50 ms；編碼量化間隔為20 ms，量化間隔碼的時延信息為30 ms，發(fā)送相同通信信息，各信息碼的時延依次為40,80和80 ms。當(dāng)編碼量化間隔相同而工作模式不同時，接收調(diào)制信號中僅有模式碼（第4個碼元）和信息碼（第7,8,9個碼元）的時延不同，系統(tǒng)在模式2條件時，模式碼的時延信息為20 ms，對應(yīng)相同通信信息，各信息碼的時延分別為50,90和90 ms。由圖9各相關(guān)峰對應(yīng)時刻可知，不同參數(shù)條件下，接收調(diào)制信號中各碼元攜帶的時延如表5所示，接收調(diào)制信號中各碼元攜帶的時延信息與理論值保持一致。

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

綜上可知，通過對比發(fā)送及接收調(diào)制信號中各碼元攜帶的時延信息以及對收發(fā)調(diào)制信號的相關(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)確編碼信息并實現(xiàn)信息的可靠傳輸。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于差分時延差編碼的水聲發(fā)射系統(tǒng)，利用波形存儲直讀的信號波形產(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)實際應(yīng)用需求，實現(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驗，驗證了水聲發(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)計正確，性能可靠，可應(yīng)用于水下通信、主動聲吶等水聲通信中。