王洪民 王晓阳 郭小宇 张 琼

（1.海司信息化部 北京 100036)（2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430250)

1 引言

扩展频谱技术以其抗干扰能力强、抗衰落、可实现多址通信等优点受到人们的重视，在无线电通信领域中得到了成功的应用。而水声信道是水下唯一可以进行远程信息传输的物理媒质，它较无线电信道复杂得多［1］。其中声波在水声信道中传播的衰减与声的吸收、散射、反射、几何扩展等因素都相关。近年来，各国研究人员针对水声信道的这些特性，从如何降低多途干扰的影响和尽可能多地获取声场信息等方面进行了深入的研究，众多海军强国都在水声扩频通信领域中取得新的研究成果。本文首先介绍了扩展频谱通信技术的理论基础，然后重点研究了应用于水声通信的直接序列扩频通信系统，并将其在硬件平台上实现，最后对其功能进行电气联调和湖试实验。

2 扩展频谱技术

2.1 理论基础

扩展频谱技术就是将要发送的信息序列的频谱扩展到一个很宽的频带上去，在接收端通过相应的处理恢复出原始的发送序列。其以香农定理为理论基础［2］：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（信道容量)为

式（1)中，B为信号带宽；S为信号功率；N为噪声功率。N＝n0B，其中n0为白噪声下的功率谱密度，所以，在B，S，n0确定的情况下，信道容量C也就确定了。

当系统信号的信噪比降低时，可以增加系统的传输带宽B，从而保证信道容量C不变。于是在信号的信噪比一定的情况下，可以增加传输带宽B，进而使信息传输的误码率大大降低。通过选取伪随机序列即扩频码，来实现扩展所需传输的数字信号带宽B的目的。由于扩频通信具有很宽的带宽，所以在相同的信噪比的条件下，扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰能力。

2.2 伪随机序列

在直接序列扩频方式中，要传递的信号是通过m序列这一伪随机序列进行扩展的，它作为一种易于产生的伪随机序列，具有极其良好的自相关特性。循环移位寄存器产生的m序列，受反馈系数的影响。关于反馈系数的值，可以通过查表获得。一个r阶的循环移位寄存器产生的m序列的一个周期长度为2r－1。

m序列具有很好的随机性，序列中1的个数仅比0多一个；还具有周期性和均衡性等特点。在水声信道中被m序列扩频的信号之所以能够互不干扰的传输，主要是因为m序列具有良好的自相关和互相关特性。m序列的自相关特性如式（2)所示：

下面选取反馈系数为2011和2033的10级移位寄存器，产生m序列的相关性图：

图1 m序列的相关性曲线

从图1（a)中可以看出，m序列的自相关峰极其尖锐，同时它还拥有极低的自相关旁瓣，因此m序列具有较强的信道分辨能力。水声信号在水声相干多途信道传播时的多径干扰十分明显，给正确解码带来了很大的困难，而伪随机序列良好的相关特性可以抑制由多径信号引起的码间干扰，这将使得系统具有很好的抗多径能力。从图1（b)可以看出m序列和m序列的互相关值很低，这说明多用户干扰小，可以利用其进行多址水声通信。

3 直接序列扩频通信系统

3.1 直接序列扩频通信系统组成

直接序列扩频系统框图如图2所示［2］：

图2 直接序列扩频系统框图

直接序列扩频系统中，传送的信息通过伪随机序列来携带。a（t)是发送的二进制码元信号，码元速率Ra，码元宽度Ta，其中Ta＝1/Ra，则a（t)为

其中：an为信息码，ga为门函数：

伪随机序列c（t)由伪随机序列产生器产生，码元速率为Rc，码片宽度为Tc，其中Rc＝1/Tc，则：

式中：cn的值为＋1或－1，它是伪随机码码元，gc为门函数。

扩展频谱通信实际上就是将伪随机序列同发送信息进行模2相加的过程，即对信号a（t)进行扩频处理，得到的扩频信号为

信号经过了频谱扩展，然后利用载波cos（2πfct)进行调制，其中fc是载波频率，最后将信号由发射换能器发送到水声信道中。s（t)是发射换能器输出的扩频信号，这里信号a（t)的传输过程就是对a（t)频谱扩展的过程。

扩展频谱的信号r（t)在接收端被接收到后，进行同步解调，并用PN码c′（t)解扩接收到的信号，这里的伪随机码与发射端的伪随机码必须是相同的。这样，通过相关检测处理，将信号的带宽压缩到原始基带信号的带宽内，这是因为本地的扩展频谱信号和有用的信号具有较好的相关性。

因为本地参考的扩频信号同伪随机序列不相关，所以信道中干扰的频谱，在解扩的过程中被扩展，而不是被压缩，这样将信道中的干扰信号能量扩展到整个信道的传输频带当中，也就大大降低了单位频率内的干扰信号的能量。最后通过滤波器的处理，解扩之后的信号只有基带信号带宽内的干扰信号以及基带信号，改善了系统的信噪比。信噪比与带宽在解扩过程前后的变化如图3所示。

图3 信噪比与带宽前后的变化

3.2 直接序列扩频通信系统仿真

为了更直观地了解直接序列扩频通信的过程，以m序列为例，在Matlab7.0仿真环境中进行直接序列扩频通信的系统仿真。图4为直接序列扩频通信发送端的信号处理过程，依次分别表示，随机产生的要发送的原始码元、四阶循环移位寄存器产生的伪随机码、扩频后的序列、以及调制后的信号（中心频率fc＝6kHz，采样频率fs＝48kHz，扩频码时宽Tm＝1ms)。

图4 直接序列扩频通信发送端信号处理过程

图5为直接序列扩频通信接收端的信号处理过程，依次分别表示，接收端所接收的经过信道的信号、接收的信号经解扩后所得的信号、解调后的信号经过低通滤波器后的低频成份（信号的包络)、以及经过最终处理后所得到的接收码元信号。

图5 直接序列扩频通信接收端信号处理过程

可以通过计算接收到的码元信号和发送的原始码元的误码率，进而验证直接序列扩频通信理论性能。

4 扩频通信平台的软硬件设计与实现

扩展频谱通信技术作为第三代移动通信的核心技术，实现其功能的通信硬件平台需要快速的完成数据通信和信号处理过程，这给通信硬件平台的处理芯片提出很高要求。本文的扩频通信平台的核心处理器，选用的是具有较强的数据运算处理能力和较高的运算精度的浮点型DSP芯片TMS320C6713DSP芯片（以下简称 C6713)［3］。

C6713的并行运算能力可以通过基于Cache的内存体系结构的设计最大限度的发挥出来，当DSP工作在225MHz的系统时钟频率时，它可以达到每秒处理1800M条浮点运算指令和每秒执行1350M浮点操作运算的性能。

C6713不仅运算速度很高，而且还有片内存储器和丰富的片上外围设备，包括：EDMA，GPIO，EMIF，McBSP和McASP等。而且拥有专业的指令集，支持多种工业标准的接口协议的特点，使C6713综合性能很高，对芯片的操作变得十分灵活。

本文基于DSP的水声扩频通信平台分为最小系统硬件电路和外围扩展电路两部分。为完成扩频通信的基本功能，最小系统包括数据、程序存储模块、电源模块、复位电路、时钟电路和仿真接口电路。外部扩展底板是扩频通信平台的另一个重要组成部分，其主要进行信号采集、发送，并实现与主机间的数据通信、程序传输的功能。

本文在CCS集成开发环境当中完成DSP的软件开发，使用汇编语言与C语言结合的方式进行程序编写，然而在开发初期阶段对于DSP芯片的初始化，采用C语言会使程序设计变得复杂，因此应用了CSL芯片支持库，CSL函数库可以大大地简化复杂的寄存器配置问题。

5 电气联调及湖试实验

为了对水声扩频通信平台的硬件功能进行测试，利用音频线作为传输信道，在音频接口端输入一个中心频率为1kHz的音频信号，通过扩频通信硬件平台的硬件寄存器配置，实现以DSP为核心的通信平台的信号发送与采集功能［8］。

图6 cooledit中查看音频信号

图7 D/A端发送信号波形N

图6表示的是在cooledit中查看的输入的1kHz的音频信号波形。图7表示的是在示波器中查看的D/A端发送地信号波形。其中，设置的音频编解码芯片（CODEC)的采样频率为48kHz。

由图6和图7的显示输出波形，可以验证扩频通信硬件平台可以基本完成信号的发送与接收功能，为水池以及湖试实验做好准备。

为进一步验证系统性能，在平均水深为40m，面积为8012公顷的湖中进行测试，收、发节点分别安置在两条船上。发射换能器吊放深度为水下2m，刚性连接在发射船上；接收水听器吊放深度为水下7m；信源信宿相距距离为300m，发射声源级调节在135～180dB之间。

发送端发送的码元数据信息是频率为1.5kHz，占空比为50%的方波信号（如图8所示)，信号经过直接序列扩频通信的编码与调制处理后，利用发射换能器将其发射到水声信道中。信号经过水声信道，被接收端的水听器接收，并对信号进行采集和扩频解码解调处理，最后在CCS中查看接收到的码元信号的波形（如图9所示)。通过验证，通信系统在通信速率为30bit/s时，实现误码率为0的传输。

图8 发送码元信号波形

图9 接收码元信号波形

6 结语

直接序列扩频系统具有很强的抗干扰能力，包括抗噪声干扰和抗多途干扰。其抗噪声性能与本身的干扰容限有关。一般情况下，对于多途时延超过伪随机序列一个码片宽度的信号，直接序列扩频系统都是可分辨的；直接序列扩频系统具有很强的隐蔽性；由于在直接序列扩频系统当中起到扩频作用的伪随机序列具有很好的自相关特性，所以直接序列扩频具有多址功能；此外直接序列扩频系统还具有抗衰落的性能。

正是直接序列扩频技术的这些特点，使其在多普勒和多径效应严重的水声通信中发挥了重要作用，而本文的研究对其在水声通信中的应用起到积极的推动作用。

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