蔡晓冬，宗 振，刘玉良

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

水声扩频通信系统的传输误码率研究

蔡晓冬1,2，宗 振1,2，刘玉良1,2

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

扩频通信技术具有较好的抗干扰和抗多径的能力，而水声通信信道具有噪声干扰大、多径效应强的特点，因此扩频通信技术在水声通信中占有非常重要的地位。本文首先分析水声扩频通信系统中不同类型噪声对系统的影响，以及特定类型噪声影响下，采用不同扩频码速率对系统性能的影响；然后用MATLAB仿真工具，对上述分析结果进行仿真验证。最后得出的结论为：在各类水声信道下，用扩频通信系统传输信号，采用不同的扩频码速率将会对通信性能产生不同的影响。

扩频通信；噪声类型；扩频码速率；误码率

扩频技术具有抗多径能力强、噪声容限大等天然优势，在蜂窝通信、网络通信、蓝牙通信等领域得到了广泛应用。在水下通信环境，有信道不稳定、能耗大、多径干扰严重等特点，通信效果面临诸多挑战。在水声通信中扩频技术的重要性就显得更加突出，甚至扮演着不可替代的角色[1]。

扩频技术之所以具有超强的抗干扰能力，是由于相关解扩时信息功率谱被集中而噪声功率谱被展宽和滤波截取。在水声信道中，噪声源很多，研究不同类型噪声的特点具有重要意义。在通信信道中高斯噪声比较常见，但在水声信道中除高斯噪声外，船舶螺旋浆、海洋生物、海上风浪发出的窄带噪声也很普遍。这些不同类型的窄带噪声，对通信造成很复杂的影响。因此，本文研究水声通信中不同类型噪声对水声扩频通信的影响，主要研究噪声频率、扩频码速率、误码率三者的关系，为水声扩频通信系统的设计提供参考。最后通过计算机仿真，对得出的结论进行验证。

1 扩频通信原理及技术指标

1.1 扩频通信原理

扩频通信的主要特点是，扩频后信号带宽远大于扩频前的信号带宽，而且扩频增益即带宽扩大的倍数不受信息码有效带宽的影响。扩频通信的理论基础是香农定理[5]：

式中C为信道中信号的平均功率，N为信道中噪声的平均功率，W为传输信号的带宽，C为信道容量即最大信息传输速率[1]。由式（1）知，在噪声功率N一定的前提下，要得到较大的信息传输速率C一般有两种方法：一是加大信号功率，二是加大信号带宽。加大信号功率意味着增加设备成本，还有可能造成对临近信道干扰加剧，实际中该方法效果有限。因此，可重点考虑增加信号带宽的扩频方法。

扩频技术实现时，通常采取伪随机码对基带信号编码[6]。一个信号时域变化越快则频谱越宽，因此要求伪随机码的码速率远远大于原始的信息码速率，为防止被破获还要求伪随机码拥有较好的码平衡性。伪随机码不是真正的随机码，有一定的规则，使接收端可以利用相同的伪随机码来解扩。这样，在原来通信系统基础上加上扩频过程和解扩过程，就实现了扩频通信。图1为扩频通信系统的结构框图。

图1 直接序列扩频系统原理框图Fig.1 Block diagram of a direct sequence spread spectrum system

1.2 扩频通信系统的性能指标

1.2.1 信号扩频增益

Gp是输出端与输入端信噪比的比值，如式（2），通常以及分贝dB为单位。

式中（S/N）O为输出端信噪比，（S/N）i为输入端信噪比，RS是伪随机码的码速率，Rd是基带信息码的码速率。根据式（2）可知，伪随机码速率和基带信号码速率比值越大，则增益扩频增益Gp越高[2]。

1.2.2 干扰容限

为保证系统在有干扰信号出现时依旧能够正常工作，通常需要通信系统能够抑制住一定范围内的干扰信号，这种能力用干扰容限来表达。下式为干扰容限的表达式，式中LS为接收端损耗，（S/N）为接收端的最小信噪比。式（3）表达了在保证输入端信噪比不降低的情况下，系统可以抵制的干扰[3]。

2 噪声影响扩频系统的原理

本文的水声扩频通信系统采用BPSK调制方式。假设基带信号的码速率固定，根据扩频增益的公式（2）扩频码速率越高，系统增益也越高。但是对于整个系统而言，由于使用BPSK调制方式，因此基带信号经过扩频后带宽不宜过大。否则会信号会在BPSK调制时产生频带重叠，而致使发送信号严重失真。在一定的范围内，系统误差将会随扩频码速率RS的增大而增大。

在水声扩频系统中，声信号随着频率增加衰减非常快，所以水声信号的频率一般不会超过100 kHz。若水声扩频系统中调制信号的频率为51 kHz，则原信号的双边带带宽不得大于102 kHz，即扩频码速率不得大于51 kHz。也就是说扩频码速率在0～51 kHz之间存在一最佳速率，使得系统传输误码率最低。

扩频通信的性能跟噪声类型也有关，对于低频干扰，扩频码速率不用太高就可以将噪声信号扩频，而对于高频干扰，如果码速率不够高会使PN码无法对噪声进行扩频，从而无法达到到降噪的作用。

根据上述分析，我们在后续的扩频通信系统仿真中，选取51 kHz的调制信号作为载波，分别取扩频系统PN码速率为2.55 kHz、5.1 kHz、25.5 kHz和51 kHz。

3 SIMULINK仿真平台的构建

3.1 仿真结构及参数设置

本文的水声扩频仿真系统，在MATLAB的SIMULINK环境下创建，如图2所示。仿真系统采用BPSK调制方式，由扩频、调制、信道、解扩、解调、采样输出6个模块组成。其中基带信号速率是1 kbps，伪随机码速率可调，载波频率为51 kbps。图3为信道模块，即为图2中的channel path模块，此处将高斯白噪声的信噪比设置为10 dB。为了模拟一个环境噪声高、信道带宽窄、传播损失大、多途效应严重的复杂水声信道，在仿真中用随机数字信号模拟高斯噪声和多径效应影响，用正弦信号模拟水声环境中突出的窄带干扰。这样就大致模拟出了水声信道的相关特性，且可以调整窄带干扰信号，得到不同类型的噪声信道。

图2 水声直扩通信系统仿真模型Fig.2 Simulation model of underwater acoustic DSSS

图3 水声信道仿真模型Fig.3 Simulation model of underwater acoustic channel

3.2 仿真结果

设仿真系统的信噪比为0 dB、扩频码速率为51 kHz，得到仿真结果如图4和图5所示。图4-A为基带信号频谱图，4-B为基带信号扩频后的信号频谱图，4-C为信号经过BPSK调制后的频谱图，4-D为调制信号经过窄带干扰信道后的频谱图。

比较图4-A、4-B可以看出，基带信息经过PN码扩频后，频带加宽了50倍左右，跟应用公式（2）算出来的基本一致。对比图4-B、4-C发现，信号在完成BPSK调制后，频带被搬移到中心频率为51 kHZ的位置。观察图4-C、4-D发现，4-C中的频率谱图明显比4-D中图像更规整，因为4-D图含有另外加入的干扰噪声。信号通过信道传输到接收端后，分别对其进行解扩和解调，还原得到原始信号。其中解调过程由两次滤波完成。信号经过第一个带通滤波器后得到的频谱如图5所示，频谱只有在5 kHz附近出现峰值。将所得信号与同为5 kHz的信号相乘，再次滤波并采样判决，即可恢复出基带发送信号了。

图4 直扩系统的频谱图Fig.4 Spectrum diagram of DSSS

图5 直扩系统滤波后的频谱图Fig.5 The filtered spectrum diagram of DSSS

图6 低频干扰下的误码率Fig.6 BER under low-frequency interference

4 仿真结果分析

本节用第3.1节所建立的仿真系统，在信道中加入不同频率的干扰噪声，通过仿真得到三类噪声信道（低、中、高频，这里取1.6 kHz、8 kHz、20 kHz进行研究）下扩频码速率对传输误码率的影响。

4.1 窄带低频干扰下系统误码率

在仿真系统中加入频率为1.6 kHz的低频干扰噪声，调整窄带干信比（干扰和信号的功率比）和扩频码速率依次进行仿真。为更好地显现不同扩频码速率对系统传输误码率的影响，在系统中加入较大功率的窄带干扰。分别取窄带干信比JSR为0 dB、5 dB、10 dB、20 dB、30 dB和40 dB进行仿真，结果如图6。由图可见，对于一定频率的PN码，传输误码率随窄带干信比的增大而增大。且在码速率为5.1 kHz时，传输误码率最小，PN码速率升高到25.5 kHz和51 kHz时，传输误码率依次增大。

4.2 窄带中频干扰下系统误码率

在真系统的信道中加入频率为8 kHz的中频干扰，调整窄带JSR及扩频码速率依次进行仿真。得到仿真结果如图7所示：码速率在小于25.5 kHz时，伪随机码速率越高，传输误码率越低；码速率为25.5 kHz和51 kHz时，对应的误码率在码速率为25.5 kHz时更小且两者相差不大。这说明了，在码速率为25.5 kHz时的系统传输误码率，已接近达到此系统的最佳值。

图7 中频干扰下的误码率Fig.7 BER under intermediate-frequency interference

4.3 窄带高频干扰下系统误码率

在仿真系统的传输信道中加入频率为20 kHz的高频干扰，调整窄带JSR及扩频码速率依次进行仿真。得到仿真结果如图8所示：在有高频信号干扰的情况下，扩频码速率越高，误码率就越小。验证了，高频噪声很难用，扩频码速率比其频率还低的扩频系统来降噪。从上述三种情况可以看到，仿真结果和我们得到的理论相符合。

图8 高频干扰下误码率Fig.8 BER under high-frequency interference

5 结语

本文以水声直接扩频通信为对象，重点研究了窄带干扰确定时不同扩频码速率对通信性能的影响，然后选择1.6 kHz、8 kHz和15 kHz的窄带干扰进行仿真验证。研究发现：对于低频干扰，采用5 kHz到10 kHz的扩频码速率得到的误码率最小；对中频干扰，当码速率约为调制频率的一半时可获得最小误码率；对于高频干扰，码速率越大（不能大于调制信号频率）则误码率就越小。纵观三种情况还可以发现：对于同功率的窄带干扰，干扰信号频率越大，系统误码率越大。利用本文的研究结论，可以针对不同噪声的特点，选取不同的扩频码速率来设计水声扩频通信系统，以期获得更理想的通信性能。

参考文献：

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[2]许肖梅.水声通信与水声网络的发展与应用[J].声学技术,2009,28(6):811-816.

[3]尹艳玲,周 锋,乔 钢,等.正交多载波M元循环移位键控扩频水声通信[J].物理学报,2013,62(22):254-263.

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[8]申彦春,吴 铮,赵庆利.基于扩频通信系统接收同步技术的研究[J].仪器仪表与分析监测,2012(2):12-15.

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[10]张永顺,贾 鑫,朱卫纲.扩频通信抗干扰技术研究综述[J].四川兵工学报,2015,36(8):136-140.

Research on Transmission BER of Underwater Acoustic DSSS

CAI Xiao-dong1,2,ZONG Zhen1,2,LIU Yu-liang1,2
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.Key Laboratory of Offshore Engineering and Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022,China）

Spread spectrum communication system has well ability to anti-jamming and resist multipath. Most underwater acoustic communication channel has the characteristics of large noise interference and strong multipath effect,so the spread spectrum communication technology occupies a very important position in underwater acoustic communication.This paper have analyzed the influence of types of channels with different noise to the underwater acoustic DSSS.And studied the influence of different spreading code rates to system BER witch with a certain type of underwater acoustic channel.Then,used the SIMULINK simulation platform of MATLAB to verification conclusion.Finally,it is concluded that under different noise channels,transmit by DSSS,different spreading code rates will have different effects on the communication performance.

direct sequence spread spectrum;noise type;spread spectrum code rate;bit error rate

TB56

A

1008-830X(2016)04-0326-06

2016-06-10

浙江省自然科学基金（LY13E090004）

蔡晓冬（1992-），男，浙江南浔人，硕士研究生，研究方向：水声工程.E-mail:cxd_zjou@163.com

刘玉良（1971-），男，河南唐河人，教授，博士，研究方向：信号处理与通信网络，智能机器人.E-mail:13957208678@163.com