一种面向水下移动通信的组合差分扩频水声通信方法

胡耀辉; 韩树平; 刘建波; 张奇; 张延厚

doi:10.11999/JEIT211311

一种面向水下移动通信的组合差分扩频水声通信方法

doi: 10.11999/JEIT211311

胡耀辉^{1, 2},
韩树平^1, ,,
刘建波³,
张奇¹,
张延厚¹

1.
海军潜艇学院青岛 266199
2.
中国人民解放军92020部队青岛 266071
3.
中国人民解放军91323部队济源 454650

详细信息

作者简介:
胡耀辉：男，1986年生，博士生，研究方向为水声通信与信号处理

韩树平：男，1965年生，教授，研究方向为水声技术与应用

刘建波：男，1986年生，博士，研究方向为水声通信及定位技术

张奇：男，1994年生，博士生，研究方向为人工智能及信号处理

张延厚：男，1994年生，博士生，研究方向为数据融合及信号处理

通讯作者:
韩树平　sphan@163.com

中图分类号: TN929.3; TB56
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出版历程
- 收稿日期: 2021-11-23
- 修回日期: 2022-03-24
- 网络出版日期: 2022-04-19
- 刊出日期: 2022-06-21

Combination Differential Direct Sequence Spread Spectrum Algorithm for Mobile Underwater Acoustic Communication

1.
Naval Submarine Academy, Qingdao 266199, China
2.
Unit 92020 of PLA, Qingdao 266071, China
3.
Unit 91323 of PLA, Jiyuan 454650, China

摘要

摘要: 针对水下移动平台(AUVs)直接序列扩频(DSSS)水声通信过程中大多普勒时变带来的频偏及载波相位跳变问题，该文提出一种组合差分扩频通信方法。该方法设计一种2维组合差分(TCD)扩频帧结构，接收端通过对重复码时域加窗相关实现时变多普勒粗估计；接收端提出一种频率压缩-能量接收器(FC-ED)，通过采用能量检测接收器提高接收端处理多普勒容限，使用频率压缩法多频点压缩处理进一步提高系统鲁棒性，实现扩频码识别映射解码；最后提出一种组合差分算法，实现2维组合扩频间的极性差分解码，在能量接收映射解码基础上引入极性调制，进一步提高频谱利用率。经理论及仿真试验分析，该方法具备一定的抗时变多普勒能力，在恒加速度相对运动–8 dB信噪比条件下误码率小于10^–2。
- 水声通信 /
- 组合差分扩频 /
- 能量检测接收器
Abstract: To deal with the problem of frequency offset and carrier phase fluctuation caused by the conventional Doppler on the DSSS (Direct-Sequence Spread-Spectrum) underwater acoustic communication between AUVs (Autonomous Underwater Vehicles), a combination differential direct sequence spread spectrum algorithm is proposed. The Doppler rough estimation is realized through Two-dimension Combination Difference(TCD) spread spectrum frame structure, and the Doppler tolerance is extended through the Frequency Compression-Energy Detector(FC-ED), then an algorithm of combination differential is proposed for polarity decoding. Using the combination differential direct sequence spread spectrum algorithm, good performance (BEK<10^–2) is achieved for a signal-to-noise ratio as low as –8 dB based on at-sea data.
- Underwater acoustic communication /
- Combination differential spread spectrum /
- Energy detecting receiver

HTML全文

图 1 2维组合差分扩频码元帧结构及多普勒块估计示意

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图 2 发射端扩频码组索引映射关系

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图 3 重复码相关时域窗截取过程示意

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图 4 重复码相对速度估计误差

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图 5 重复码相关增益随相对速度及加速度变化情况

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图 6 采样率加倍后重复码相对速度估计误差

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图 7 采样率加倍后重复码相关增益

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图 8 不同接收处理方法扩频增益随相对速度误差变化过程

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图 9 不同下变频处理方法扩频增益效果

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图 10 采用频率压缩处理前后能量接收器扩频增益随相对速度误差变化过程

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图 11 组合差分扩频通信接收端数据处理流程

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图 12 不同多普勒背景下两种通信方法解码性能对比

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图 13 –8 dB信噪比下重复码相对速度估计误差

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图 14 –8 dB信噪比下重复码相关增益

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图 15 恒加速度相对速度估计过程

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图 16 变加速度相对速度估计过程

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图 17 组合差分算法随相对速度误差误码率仿真

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图 18 海试信道估计

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图 19 信号时域过程

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图 20 海试通信信噪比过程

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图 21 组合差分扩频水声通信方法海试推算解码效果

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表 1 每组码元调制信息比特数

类别	重复码PN_s	排列码PN_p	组合码PN_c	极性调制
映射比特	$\left\lfloor {{{\log }_2}N} \right\rfloor$	$\left\lfloor {{{\log }_2}P_N^2} \right\rfloor$	$(n - 2) \cdot \left\lfloor {{{\log }_2}C_N^2} \right\rfloor$	$n$
本文特例	5	10	72	10

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