Page 97 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 彭海源等： 扫扩载波 -直接序列扩频深海水声通信方法 1273

反馈还是 LFM 再扩频，现有的 DSSS 水声通信改进
0 引言
方法在提升系统可靠性的同时都以提高系统复杂
度为代价。如何在提升 DSSS 水声通信系统抗干扰
深海水声通信是海防安全和海洋资源开发的
能力的同时尽可能避免系统复杂度的提升，是需要
重要组成部分。基于对深海水下数据传输的广泛需
进一步研究的内容。
求，深海水声通信近年来受到国内外研究人员的关
注 [1−3] 。深海水声通信面临的主要问题之一是长多 扫扩载波 (Sweep spread carrier, S2C) 通信是
一种以锯齿状 LFM 信号作为载波的通信技术。通
径时延带来的码间串扰问题。浅海水声通信信道多
过采用频率连续变化的载波信号，接收端利用相关
径时延一般为几毫秒到几十毫秒，而深海由于空间
接收，以较小的计算成本可将多径信号在频域进行
尺度大、声传播模式复杂，其信道延迟通常可达几
分离，从而克服多径干扰以及码间串扰的影响，具
百毫秒到几秒。较长的多径时延会引起通信信号严
有较好的抗多径干扰的能力。S2C 水声通信技术最
重的码间串扰，为深海水声通信带来了严峻的考验。
早由 Kebkal [20] 提出，并通过仿真和海试试验验证
为实现深海场景下的稳健水声通信，研究人员在
了 S2C 水声通信的可行性。文献 [21] 提出了一种针
通信体制、信道匹配等方面展开了探索。传统抗多
对 S2C 水声通信的接收机，利用从所有传播路径接
径和抗噪声能力较强的非相干频移键控技术 [4−5] 、
收到的能量，从而提升解调信号的 SNR。文献 [22]
扩频通信技术 [6−7] 在深海水声通信中已经得到广
设计了一种针对于 S2C 水声通信信号的变分贝叶
泛应用。利用自适应多通道组合器 [8] 、联合译码均
斯软符号解码方法，在仿真信道下提升了 S2C 系统
衡 [9] 、级联锁相环自适应均衡接收机 [10] 等方式，深
的解码效率。文献 [23] 对于不同调制参数的 S2C 水
海条件下实现单载波高速相干水声通信成为可能。
声通信系统在浅海环境下进行了海试试验，验证了
此外，为了进一步提高带宽利用率、提高通信速率，
S2C 良好的通信性能。将S2C 应用于深海水声通信
近年来正交频分复用等多载波通信体制也开始应
当中以解决深海信道长多径时延的问题，是一种切
用于深海水声通信当中 [11−12] 。
实可行的方案。
直接序列扩频 (Direct sequence spread spec-
针对深海信道长多径时延情况下，常规 DSSS
trum, DSSS) 技术使用高速率的扩频码来扩展待传
水声通信系统扩频增益不足以抵抗多径干扰的问
输信息信号的带宽，具有较好的抗多径干扰的能力，
题，本文结合 S2C 技术对常规 DSSS 水声通信系统
并且能够在低信噪比 (Signal-to-noise ratio, SNR)
进行改进，提出了一种 S2C-DSSS 深海水声通信方
下实现可靠通信，多用于强调通信稳健性的场景。
法。在不增加系统接收机复杂度的情况下，使用
由于水声信道带宽受限，DSSS 水声通信系统在权
S2C 作为 DSSS 水声通信系统调制载波，接收端通
衡通信效率情况下其抗多径能力会受到限制，因
过去斜解调将多径分量转化为频率偏移，通过带
此多配合信道均衡方法进行接收。文献 [13–14] 提
通滤波或低通滤波提取主路径分量，减少多径效
出了针对扩频系统的假设反馈均衡接收机，以提升
应引起的码间串扰。之后对扩频码进行解扩、解映
DSSS 水声系统的抗多径性能。文献 [15] 针对水声
射得到传输信息比特。利用 S2C 良好的抗多径特
直接序列码分复用通信系统设计了基于多相位假
性，提升 DSSS 系统在深海长多径时延场景下的性
设的码片速率自适应判决反馈均衡算法，在增加接
能。实测深海海试信道仿真结果证明，本文所提出
收机复杂度的情况下提高了系统性能。文献 [16] 针
的S2C-DSSS深海水声通信方法误码性能优于常规
对深海远程水声信道下扩频增益不足以抵抗多径
DSSS，能够减小深海长多径时延对水声通信的干
干扰的情况，将双向判决反馈均衡应用于 M 元扩
扰，有效提高深海场景下通信的稳健性。
频水声通信当中，提高了常规符号判决反馈均衡器
的输出 SNR。此外，也有研究人员将 DSSS 系统与
1 深海信道特性分析
线性调频 (Linear frequency modulation, LFM) 扩
频技术相结合，以混合扩频的方式来提升系统的抗 深海信道也被称为 SOFAR(sound fixing and
干扰性能 [17−18] 。文献 [19] 将啁啾二元正交键控与 ranging) 声道 [24] 。与浅海不同，深海中声速在某一
DSSS系统相结合，用于多用户水声通信当中，实现 海深处存在极小值，声速极小值所在深度称为声道
了近距离多用户的可靠水声通信。无论是假设判决 轴。由于声线在传播过程中会向声速小的区域弯曲，