一种声呐浮标无线数字通信体制

饶 炜（1.海军工程大学，武汉，430033；2.第七一五研究所，杭州，310023）



一种声呐浮标无线数字通信体制

饶 炜1,2
（1.海军工程大学，武汉，430033；2.第七一五研究所，杭州，310023）

摘要提出了一种上行采用GMSK调制、下行采用2FSK调制的声呐浮标用全双向数字无线通信体制。在分析了声呐浮标系统对数字通信的特殊需求的基础上，设计了适用于声呐浮标系统的无线数字通信架构，并对其中关键的GMSK调制的性能和参数进行了仿真。最后，通过仿真验证了本文提出的通信体制的可行性，并对后续工程应用提供了设计建议。

关键词声呐浮标；无线数字通信；频分多址； GMSK；BT值

声呐浮标通过无线电将水下噪声信号发送到机载接收设备进行信号处理。发展六十余年来，主要采用的是单向的、频分多址、模拟调频调制的无线电通信体制。早期声呐浮标的品种主要是被动全向浮标、被动定向浮标、主动浮标和温深测量浮标。这些声纳浮标的共同特点是浮标换能器或传感器的信息能够包含在一个不超过20 kHz带宽的音频基带信号内。因此，模拟调频调制这种技术成熟、功耗和成本低下的通信体制能够很好的满足这些早期浮标的通信需要。

随着声呐浮标技术的发展，这种通信体制已经无法满足新一代的声呐浮标系统的通信要求。例如，更先进的被动定向浮标一般集成了多个换能器，在工作时需要对水的深度进行更改；更先进的主动浮标需要在工作时对主动发射信号和回波接收参数进行更改。这些需要声呐浮标在完成信号上传的同时，还要能够实时接收飞机的遥控指令信号。新型的多波束接收浮标（ADAR浮标）集成了数十个换能器，且每个换能器的信息均需要独立上传到机载设备。此时，模拟的调频调制体制无法满足这种单信道下多路信息传输的需求。这就需要在声呐浮标系统中采用一种新型的无线数字通信体制。这种新型的通信体制应当具备这样的特性：第一，它必须是双向的；第二，具有继承性，能够兼容当前使用的体制；第三，浮标部分的硬件模块成本应当是低廉的；第四，浮标部分的硬件模块功耗较低。

1　声呐浮标无线数字通信体制设计

声呐浮标系统由机载设备和声呐浮标构成。硬件设备的组成、成本等因素对飞机平台上的机载设备影响不大，但声呐浮标对通信模块的体积、重量、成本及功耗等均非常敏感。新型数字无线通信体制在设计时，主要考虑新型体制在声呐浮标上的硬件可实现性。

1.1双向工作方式

模拟的单向通信体制只有上行链路，占用的载波带宽为136~173.5 MHz。双向通信模式必须满足上行、下行链路互不干扰地同时工作。因此，双向通信采用上行、下行链路频分复用的方式。上行链路继续采用原有上行链路的频带，下行链路选用远离上行链路的频带。综合考虑在声呐浮标上：上行、下行链路共用天线及频带隔离等因素，下行链路的频带选用291.4±0.5 MHz。这样，浮标天线作为下行链路的接收天线满足1/8波长单极振子天线的要求。在双向通信的情况下，由于上行链路中部分通道载波的二次谐波落在下行链路的频带内而应当避免使用。

1.2多址方式的选择

声呐浮标系统与其他声呐系统最大的区别就在于它使用数枚或数十枚各种类型的声呐浮标作为获取信息的传感器，这些声呐浮标在空间上一般分布在一个较大范围的海面上，并且同时工作。这就要求在声呐浮标数字通信系统中应用多址技术实现单机-多浮标和多机-多浮标之间的多点通信。

基于频分多址的调频调制已经在工程上应用于浮标系统。从技术的继承性和系统实现的难易程度分析，频分多址都是声呐浮标系统数字通信的上行链路多址方式的最优选择。

下行链路用于传输指令信息，传输的数据信息量较小。为简化系统的复杂度，可采用类以太网中广播通信的通信方式。下行链路发射端采用广播的方式发送信息，在发送的信息中加入需要遥控的浮标的地址码。浮标在接收到广播信息后，首先进行地址码匹配，只有匹配上的浮标才对指令信息作出响应。在一个浮标场内，各个浮标上所有上行链路的通道号是唯一的，因此，该通道号可以作为浮标的地址码。

1.3数字调制方式的选取

为满足多波束接收浮标等新型浮标的信息上行链路传输需要，要求传输20路以上的信号，按照带宽2 kHz、采样频率4 kHz、动态范围80 dB计算，需要的传输速率高达1 120 kbps。在基带部分采用无损压缩编码方式进行压缩后，信号速率也在250 kbps以上。

GMSK调制是MSK调制的一种改进，基带信号首先进行高斯成形滤波，再进行MSK调制，获取了良好的频谱特性。这种调制方式作为恒包络调制，射频放大能够采用非线性功放，在输出功率一定的情况下具有更低的功耗。

下行链路传输指令信号，可以采用2FSK调制方式。选用这一方式的优点在于可以采用单片集成芯片完成2FSK调制载波信号的前置放大、解调。

1.4通信体制架构设计

声呐浮标部分数字通信模块的构成框图如图1所示。声呐浮标上、下行无线电链路共用天线，接收电路可采用集成单片FSK解调芯片实现。

图1　声呐浮标部分数字通信模块框图

机载部分采用软件无线电架构，接收和发射天线分置。接收机对上行链路频带的射频信号进行宽带的下变频，并对变频后的中频信号直接进行数字化，数字化的中频信号送入高速FPGA进行软件数字解调并实现信道和信源解码。采用这种软件无线电的方案能够很好的向前兼容模拟FM调制体制，实现模拟和数字浮标的共同使用（如图2所示）。

图2　机载部分数字通信设备框图

2　GMSK调制

在GMSK中，采用基带高斯脉冲成形技术平滑了MSK信号的相位曲线，由此稳定了信号的频率变化，使得载波频谱上的旁瓣水平大大降低，从而能够有效避免邻道干扰的问题。配合FDMA的多址技术，可以在不改变多址方式的条件下，实现声呐浮标多通道数字传输的需求。

最简单产生GMSK信号的方法是将不归零信息比特流通过高斯基带滤波器，其后送入FM调制器。图3也可以使用标准I/Q调制器实现。

图3　直接FM构成GMSK调制器

GMSK高斯滤波器的脉冲响应由下面公式给出：

其传输函数为：

参数a与高斯滤波器的3 dB基带带宽B有关，二者存在以下关系：

由于GMSK高斯滤波器完全可以由带宽B和基带符号持续时间T表达，因此习惯上使用BT乘积来定义GMSK。

图4　GMSK信号功率谱密度

图4显示了GMSK信号在不同BT值的载波功率谱[1]。从图中可以看到，随着BT值的减小，GMSK载波的旁瓣衰落越快，频谱效率越高。当BT=0.5时，第一旁瓣比主瓣低30 dB，而对于MSK，第一旁瓣仅比主瓣低20 dB。但由于基带NRZ比特流在通过高斯滤波器后，会引入符号间干扰（ISI），因此BT值的减小会带来传输误码率的增加。GMSK是通过牺牲误码性能，而得到了良好的频谱效率和恒包络特性。表1显示了在不同BT值条件下，GMSK信号中包含给定功率百分比的带宽。

表1　给定功率所占用的RF带宽

Ishizuka指出[2]，由于高斯滤波器引起的符号间干扰而造成的误码率值在BT为0.5887时最小，这时与无符号间干扰的情况相比，所需信噪比仅增加0.14 dB。同时由于浮标无线通信的接收平台为飞机，移动速率、无线信道本身会产生误码。因此通过合理选取BT值，使得GMSK调制产生的误码率小于移动信道产生的误码率，GMSK就能够很好的应用于浮标无线数字通信。

3　声呐浮标GMSK数字通信性能仿真

为了评估GMSK不同BT值条件下的性能差异，采用NI公司的5671射频矢量信号发生器和5660射频矢量信号分析仪组成一套硬件仿真平台，LabView作为软件仿真平台，模拟声呐浮标数字通信系统工作。载波频率选取为145 MHz，调制符号速率为250 kbps。

图5　（a）BT=0.3 GMSK眼图

图5　（b）BT=0.5 GMSK眼图

图5　（c）BT=∞ MSK眼图

图5分别给出了BT=0.3、0.5和BT=∞（MSK）条件下，硬件仿真得到的调制信号的眼图。通过观察眼图可以得到在相同的条件下，BT=0.5的GMSK调制的抗符号间干扰性能明显优于BT=0.3 的GMSK调制。同时，由表1得到BT=0.5的GMSK调制所占用的带宽仅比BT=0.3增加了1.65 dB。参照文献[3]给出的不同BT值下的误码率，见图6。声呐浮标的通信体制中，选择BT=0.5是较优的方案。

图6　不同BT值下的BER仿真

目前，浮标模拟FM调制的解调带宽为350 kHz。因此，评价解调带宽对GMSK解调性能的影响在工程实践中具有重要的指导意义。通过硬件仿真（见图7），得到当解调带宽大于400 kHz时，调制性能与解调带宽的变化无关；当解调带宽小于400 kHz时，调制性能随带宽变窄而恶化；当解调带宽小于200 kHz时，解调性能急剧恶化。

图7　不同解调带宽下调制信噪比（MER）仿真

由于机载数字接收机是采用软件数字解调的方案，其解调带宽是可调的。因此，在传输数字浮标信息时，其带宽选择应当考虑单枚浮标占用两个载波频道，选取大于400 kHz的解调带宽。如果要保持以375 kHz的单通道接收数字浮标的信息，为了保证其解调性能，应当将调制码率控制在200 kbps以内。

4　结论

通过上述分析，基于GMSK调制和FDMA多址方式的通信体制在选取恰当的调制、解调参数的情况下，能够很好的应用于声呐浮标的无线数字通信。在工程实践中，尚需要根据技术复杂度、成本和性能等因素，综合考虑应用于浮标端的GMSK调制硬件模块的方案。

参考文献：

[1] THEODORE S RAPPAPORT. 无线通信原理与应用[M].北京: 电子工业出版社,1999.

[2] ISHIZUKA M,HIRADE K. Optimum gaussian filter and deviated-frequency-locking scheme for coherent detection of GMSK[J]. IEEE Transacations on Communications,1980,COM-28(6): 850-857.

[3] GEOFF SMITHSON. Introduction to digital modulation schemes[R]. Great Chesterford: IEE,1998.