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摘 要：近年来，海洋研究领域中的水声通信网络成了热点。然而，水声通信中偶尔会有丢帧、误码等情况出现，为找出对应影响因素并制定合理的解决措施，有必要进行水声信号采集与处理的研究。基于此，本文简单介绍了水声通信系统，分析了水声通信噪声来源及水声通信信号采集与处理，同时结合相应技术的应用，对该技术在消除水声信道中接收端信号受噪声干扰的实质作用展开了研究，以供参考与借鉴。
关键词：水声通信 信号采集 噪声来源 信号处理
中图分类号：TB56 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0070-03
Analysis of Underwater Acoustic Communication Signal Acquisition and Processing
LI Shuo1 LIU Xiaoying2
（1.National Defense University of PLA China， Beijing， 100856 China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan， Hubei Province， 430064 China）
Abstract： In recent years， underwater acoustic communication network in the field of marine research has become a hot spot. However， there are occasional frame loss and bit error in underwater acoustic communication. In order to find out the corresponding influencing factors and formulate reasonable solutions， it is necessary to study underwater acoustic signal acquisition and processing. Based on this， this paper briefly introduces the underwater acoustic communication system， analyzes the noise source of underwater acoustic communication and the acquisition and processing of underwater acoustic communication signals， and studies the substantive role of this technology in eliminating the noise interference of receiver signals in underwater acoustic channel， for reference.
Key Words： Underwater acoustic communication; Signal acquisition; Noise source; Signal processing
近年来，水声通信质量要求持续提高，用于处理水下通信的声信号已成为水下通信领域的重要技术手段之一。而作为水下信号处理应用关键形式之一的水声通信系统，在处理水声通信传输的水声信号中，必然会经历采集水声数据这一环节。研究水声通信系统时，测試设备性能和多样化发挥着决定性的作用，同时测试设备能否在复杂的水下环境中正常运行，也会影响设备间通信。
1 水声通信噪声来源
由于水下环境非常复杂，因此噪声已成为严重干扰水声信道中信号的主要因素，具体包含以下几类。（1）动态噪声，指水下洋流、地震、波浪、潮汐、湍流和风引起的噪声。其中高频噪声主要是由海上波浪和涌流引起的，低频主要是由地震、潮汐和湍流引起的[1]。（2）生物噪声，主要是由海洋中的生物活动引起的噪声，其是由鱼类和虾群、鲸鱼、鲨鱼和海豚等水下生物的活动引起的。生物噪声通常在黄昏之前开始，随着时间的流逝，噪音变得越来越强烈，直到日落之后达到最高。（3）热噪声，主要由海水介质的热运动引起，这也与收集水声信号的水听器介质有关。热噪声的频谱级别比其他类型的噪声要小得多，因此在大多数情况下可以忽略不计。（4）人为噪声，主要是由海洋中的人类活动引起的，尤其是船舶的机械操作，在海洋中航行的船舶以及港口的人类活动等[2]。此类噪声在近海水域具有很大的噪声值，有时甚至达到峰值。
2 水声通信信号采集
2.1 水声数据采集
本文在海深大于30m、海底平坦的海域处部署了水听器，分别观测采集1km、2km位置处接收系统信号，并做好系统接收情况的记录。一定深度处部署的水听器，包含手动按键和上位机采集两种声信号采集方式，本文根据相关文献资料，选择手动按键采集展开分析。该采集方式应用中，涉及的步骤如下。（1）开后盖，用螺丝刀旋起6个后盖螺丝。旋进2个顶盖螺丝，后盖脱落。（2）取电子仓，后盖螺丝旋入电子仓后端2个螺孔，抽出电子仓。注意保证设备垂直，水听器朝下。（3）取TF卡，TF卡装入读卡器，读卡器连接上位机。（4）清空TF卡，打开“TF卡提取数据”软件。确认写入正确磁盘号后，点击“清除”。（5）安装TF卡，断开读卡器，撤下TF卡。将TF卡安装至采集卡。（6）采集卡上，连接电源接插件。（7）对时，打开“HBAQ04控制端”软件（模拟控制），选择正确串口号，点击运行按钮。连接设定接插件电缆，点击查询状态及授时按钮。（8）按键开始采集，长按采集卡按键，直到白色LED闪烁后松开按键，采集卡进入手动采集状态，观察红色TF卡读写指示灯是否闪烁，判断是否进入手动采集状态。（9）装入电子仓，放入后盖前端O型圈，该O型圈可防止电子仓与耐压壳体碰撞产生噪声，影响采集效果。（10）装后盖，清理后盖密封O型圈，均匀涂抹硅脂，安装后盖，对称旋紧6枚后盖螺丝。（11）采集设备安装好后，可下水使用。（12）采集完成后，收回采集设备。（13）开后盖，取电子仓。（14）观察红色TF卡读写指示灯是否闪烁。（15）按键停止采集，单击按键，红色TF卡读写指示灯熄灭，必须在非采集状态下方可撤下电源。（16）系统掉电，撤出电源接插件。（17）取TF卡，数据提取，数据回放。 采集开始的时间应比设备下水时间更早，通过记录下水时间，有利于后续提取处理数据效率的提高。设备下水时为高频信号发送，发射功率为全功率，接收正常（间隔约1km处）;下调功率为1/4时，依然能够成功接收;下调功率为1/8时，有误码及程度不一的丢帧情况产生。
采集数据参数有3个设置选项，分别为采样和截止频率、程控滤波器增益。采集参数可使用上位机完成设置，但重新上电后设置自动改为默认值（100ksps/30kHz/8倍）。
设置任务时，开始、停止时间一同将采集参数写入任务。待读取完每项任务后，会以任务设置为根据自行改变采集参数。如果后续为手动采集状态，采集参数会根据任务中的参数设置继续采集。參数采集中，有关模拟电路整体增益的计算公式为：
其中，A表示放大模拟电路的总增益（dB）;20.5表示放大前置放大器的倍数;F表示放大滤波器设置的倍数;2表示放大单端转差分信号的倍数。取滤波器放大8倍，约有50.3dB的总增益、328倍的放大倍数;取滤波器放大16倍，约有56.3dB的总收益、656倍的放大倍数。
2.2 水声信号预处理
基于信号采集的水声信号处理中，由于水下环境复杂性较高，预处理阶段需要合理选择接收与发送端的换能器[3]。发送端发射换能器一般以体积小、输出功率大、转换效率高的为主，接收端通常会同时运行多个接收换能器，因此应以频带宽、分辨率高、灵敏度高、无相位差且频率一致的为主。
接收信号通过水声信道传输后，其大小取决于信号频率、接收距离等参数，且关联着水声信道多径干扰构成的幅度衰弱，此时会降低信号检测性能，通过自动增益控制能维持一致的衰落信号幅度。自动增益控制电路包含1个乘法器和1个除法器，如图1所示。
拟定输入信号为，输出经线性检波后为，此时除法器输出为，其中表示电压参考值，通过乘法器后输出为，此时能确定最终输入信号幅度没有超过电压参考值，呈现出恒定的输出。
发射换能器端波形输出最佳的条件下为最佳波形设计，此时在功率相同的基础上能实现更远的传输。
2.3 后置处理与同步捕获
细化的快速傅里叶算法（zoom-FFT）是以离散傅里叶变换的频移原理为基础的方法，在多普勒频移修正中能够抑制计算量大幅增加的情况[4]。以1/8功率发射信号为对象进行zoom-FFT，能使信号频率局部改善和放大。根据相关资料显示，假设为其需要细化的频带中心频率时，信号与相乘进行数字化平移后，处谱线会移至频率轴0的位置，结合低通滤波器将细化频段外频率成分滤除，同时采取细化倍数作为间隔并再次采样，最后采取FFT变换的方式处理再次采样的数据，并重新排序变换结果。
目标识别中，开始于接收信号中判断出码元的时刻，将作为同步信号的线性调频信号（LFM）加入帧头部，捕获同步信号并识别目标。图2呈现了帧结构。
图2中，线性调频信号（LFM）同步头与信号码元共同组成了每一帧，每帧携带byte有20个，线性调频信号同步头呈现20～30kHz的高频率，LFM信号持续50ms后间隔50ms。码元信号中，每帧包含的码元有32个，持续20ms后间隔20ms。接收端处，选择Tdata宽度对每个监测窗口扫描，在MATLAB中对相应信息码元的采样信号展开FFT运算，同时以对应的频率点为根据展开解码[5]。
3 水声通信信号处理
选择1/8发射功率时，发现有丢帧情况发生在接收端，可判定噪声干扰会引起丢帧情况。借助HBAQ显示平台及控制终端处理上文采集的数据，提取到MATLAB中实施LFM同步捕捉、FFT变换、滤波。在传输距离维持相等的情况下，对比全功率发射信号得知，丢帧的原因主要是受高频噪声影响。
鉴于信道中噪声影响的缘故，本文拟结合语音增强技术的应用，使接收信号受接收端高频噪声的影响能够减少，具体步骤为：通过静音检测方法的应用，获取水下声通道中噪声时域信号，结合傅里叶变换完成噪声频域信号的获取，于接收端处通过傅里叶逆变换恢复频域信号为时域信号，如此一来即可将信道中噪声干扰消除[6]。低频噪声中，通过主动消除技术的应用，人为地在信号接收端处进行“第二噪声源”的创建，此时外部音频噪声产生的声场会抵消第二噪声源产生的声场，最终即可减少外部噪声的影响。
通过语音增强和主动消除技术的应用，1/8发射功率的条件下，能够显著减小高频和低频带给接收端信号的影响，这也表明了水声通信系统中通过应用语音增强和主动消除技术，有利于通信性能的提升。
4 结语
综上所述，近年来海洋勘探与开发步伐不断加速，低效的水下数据传输已无法将实际需求满足，因此人们对可靠且高速的水下声通信技术产生了强烈的需求。本文结合前人研究成果，研究了水声信号采集与处理，旨在实现接收端同步接收和通信异常的问题解决，促进通信性能的提高。在丢帧问题解决方面，结合已有相关文献，获取了低功率发射情况下海洋环境噪声为主要影响因素的结果，并结合对应的方法弱化了影响，能获取更可靠且质量更高的水声信号。
参考文献
[1] 郭子源，梁书源.线性调频信号在水声通信中的应用[J].河北农机，2020（12）：125-126.
[2] 李杰.基于小波分析的水声通信技术研究及其硬件实现[D].杭州：浙江大学，2017.
[3] 姜楠，王彬.基于稀疏自动编码网络的水声通信信号调制识别[J].信号处理，2019，35（1）：103-114.
[4] 陈润德.水声通信信号采集与处理分析[D].西宁：青海师范大学，2020.
[5] 王诗雨.水声通信自适应调制技术与MAC协议研究[D].上海：上海交通大学，2018.
[6] 杨少凡，郭中源，肖东，等.伪装水声通信信号波形设计及其应用[J].声学学报，2019，44（1）：88-97.
关键词：水声通信 信号采集 噪声来源 信号处理
中图分类号：TB56 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0070-03
Analysis of Underwater Acoustic Communication Signal Acquisition and Processing
LI Shuo1 LIU Xiaoying2
（1.National Defense University of PLA China， Beijing， 100856 China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan， Hubei Province， 430064 China）
Abstract： In recent years， underwater acoustic communication network in the field of marine research has become a hot spot. However， there are occasional frame loss and bit error in underwater acoustic communication. In order to find out the corresponding influencing factors and formulate reasonable solutions， it is necessary to study underwater acoustic signal acquisition and processing. Based on this， this paper briefly introduces the underwater acoustic communication system， analyzes the noise source of underwater acoustic communication and the acquisition and processing of underwater acoustic communication signals， and studies the substantive role of this technology in eliminating the noise interference of receiver signals in underwater acoustic channel， for reference.
Key Words： Underwater acoustic communication; Signal acquisition; Noise source; Signal processing
近年来，水声通信质量要求持续提高，用于处理水下通信的声信号已成为水下通信领域的重要技术手段之一。而作为水下信号处理应用关键形式之一的水声通信系统，在处理水声通信传输的水声信号中，必然会经历采集水声数据这一环节。研究水声通信系统时，测試设备性能和多样化发挥着决定性的作用，同时测试设备能否在复杂的水下环境中正常运行，也会影响设备间通信。
1 水声通信噪声来源
由于水下环境非常复杂，因此噪声已成为严重干扰水声信道中信号的主要因素，具体包含以下几类。（1）动态噪声，指水下洋流、地震、波浪、潮汐、湍流和风引起的噪声。其中高频噪声主要是由海上波浪和涌流引起的，低频主要是由地震、潮汐和湍流引起的[1]。（2）生物噪声，主要是由海洋中的生物活动引起的噪声，其是由鱼类和虾群、鲸鱼、鲨鱼和海豚等水下生物的活动引起的。生物噪声通常在黄昏之前开始，随着时间的流逝，噪音变得越来越强烈，直到日落之后达到最高。（3）热噪声，主要由海水介质的热运动引起，这也与收集水声信号的水听器介质有关。热噪声的频谱级别比其他类型的噪声要小得多，因此在大多数情况下可以忽略不计。（4）人为噪声，主要是由海洋中的人类活动引起的，尤其是船舶的机械操作，在海洋中航行的船舶以及港口的人类活动等[2]。此类噪声在近海水域具有很大的噪声值，有时甚至达到峰值。
2 水声通信信号采集
2.1 水声数据采集
本文在海深大于30m、海底平坦的海域处部署了水听器，分别观测采集1km、2km位置处接收系统信号，并做好系统接收情况的记录。一定深度处部署的水听器，包含手动按键和上位机采集两种声信号采集方式，本文根据相关文献资料，选择手动按键采集展开分析。该采集方式应用中，涉及的步骤如下。（1）开后盖，用螺丝刀旋起6个后盖螺丝。旋进2个顶盖螺丝，后盖脱落。（2）取电子仓，后盖螺丝旋入电子仓后端2个螺孔，抽出电子仓。注意保证设备垂直，水听器朝下。（3）取TF卡，TF卡装入读卡器，读卡器连接上位机。（4）清空TF卡，打开“TF卡提取数据”软件。确认写入正确磁盘号后，点击“清除”。（5）安装TF卡，断开读卡器，撤下TF卡。将TF卡安装至采集卡。（6）采集卡上，连接电源接插件。（7）对时，打开“HBAQ04控制端”软件（模拟控制），选择正确串口号，点击运行按钮。连接设定接插件电缆，点击查询状态及授时按钮。（8）按键开始采集，长按采集卡按键，直到白色LED闪烁后松开按键，采集卡进入手动采集状态，观察红色TF卡读写指示灯是否闪烁，判断是否进入手动采集状态。（9）装入电子仓，放入后盖前端O型圈，该O型圈可防止电子仓与耐压壳体碰撞产生噪声，影响采集效果。（10）装后盖，清理后盖密封O型圈，均匀涂抹硅脂，安装后盖，对称旋紧6枚后盖螺丝。（11）采集设备安装好后，可下水使用。（12）采集完成后，收回采集设备。（13）开后盖，取电子仓。（14）观察红色TF卡读写指示灯是否闪烁。（15）按键停止采集，单击按键，红色TF卡读写指示灯熄灭，必须在非采集状态下方可撤下电源。（16）系统掉电，撤出电源接插件。（17）取TF卡，数据提取，数据回放。 采集开始的时间应比设备下水时间更早，通过记录下水时间，有利于后续提取处理数据效率的提高。设备下水时为高频信号发送，发射功率为全功率，接收正常（间隔约1km处）;下调功率为1/4时，依然能够成功接收;下调功率为1/8时，有误码及程度不一的丢帧情况产生。
采集数据参数有3个设置选项，分别为采样和截止频率、程控滤波器增益。采集参数可使用上位机完成设置，但重新上电后设置自动改为默认值（100ksps/30kHz/8倍）。
设置任务时，开始、停止时间一同将采集参数写入任务。待读取完每项任务后，会以任务设置为根据自行改变采集参数。如果后续为手动采集状态，采集参数会根据任务中的参数设置继续采集。參数采集中，有关模拟电路整体增益的计算公式为：
其中，A表示放大模拟电路的总增益（dB）;20.5表示放大前置放大器的倍数;F表示放大滤波器设置的倍数;2表示放大单端转差分信号的倍数。取滤波器放大8倍，约有50.3dB的总增益、328倍的放大倍数;取滤波器放大16倍，约有56.3dB的总收益、656倍的放大倍数。
2.2 水声信号预处理
基于信号采集的水声信号处理中，由于水下环境复杂性较高，预处理阶段需要合理选择接收与发送端的换能器[3]。发送端发射换能器一般以体积小、输出功率大、转换效率高的为主，接收端通常会同时运行多个接收换能器，因此应以频带宽、分辨率高、灵敏度高、无相位差且频率一致的为主。
接收信号通过水声信道传输后，其大小取决于信号频率、接收距离等参数，且关联着水声信道多径干扰构成的幅度衰弱，此时会降低信号检测性能，通过自动增益控制能维持一致的衰落信号幅度。自动增益控制电路包含1个乘法器和1个除法器，如图1所示。
拟定输入信号为，输出经线性检波后为，此时除法器输出为，其中表示电压参考值，通过乘法器后输出为，此时能确定最终输入信号幅度没有超过电压参考值，呈现出恒定的输出。
发射换能器端波形输出最佳的条件下为最佳波形设计，此时在功率相同的基础上能实现更远的传输。
2.3 后置处理与同步捕获
细化的快速傅里叶算法（zoom-FFT）是以离散傅里叶变换的频移原理为基础的方法，在多普勒频移修正中能够抑制计算量大幅增加的情况[4]。以1/8功率发射信号为对象进行zoom-FFT，能使信号频率局部改善和放大。根据相关资料显示，假设为其需要细化的频带中心频率时，信号与相乘进行数字化平移后，处谱线会移至频率轴0的位置，结合低通滤波器将细化频段外频率成分滤除，同时采取细化倍数作为间隔并再次采样，最后采取FFT变换的方式处理再次采样的数据，并重新排序变换结果。
目标识别中，开始于接收信号中判断出码元的时刻，将作为同步信号的线性调频信号（LFM）加入帧头部，捕获同步信号并识别目标。图2呈现了帧结构。
图2中，线性调频信号（LFM）同步头与信号码元共同组成了每一帧，每帧携带byte有20个，线性调频信号同步头呈现20～30kHz的高频率，LFM信号持续50ms后间隔50ms。码元信号中，每帧包含的码元有32个，持续20ms后间隔20ms。接收端处，选择Tdata宽度对每个监测窗口扫描，在MATLAB中对相应信息码元的采样信号展开FFT运算，同时以对应的频率点为根据展开解码[5]。
3 水声通信信号处理
选择1/8发射功率时，发现有丢帧情况发生在接收端，可判定噪声干扰会引起丢帧情况。借助HBAQ显示平台及控制终端处理上文采集的数据，提取到MATLAB中实施LFM同步捕捉、FFT变换、滤波。在传输距离维持相等的情况下，对比全功率发射信号得知，丢帧的原因主要是受高频噪声影响。
鉴于信道中噪声影响的缘故，本文拟结合语音增强技术的应用，使接收信号受接收端高频噪声的影响能够减少，具体步骤为：通过静音检测方法的应用，获取水下声通道中噪声时域信号，结合傅里叶变换完成噪声频域信号的获取，于接收端处通过傅里叶逆变换恢复频域信号为时域信号，如此一来即可将信道中噪声干扰消除[6]。低频噪声中，通过主动消除技术的应用，人为地在信号接收端处进行“第二噪声源”的创建，此时外部音频噪声产生的声场会抵消第二噪声源产生的声场，最终即可减少外部噪声的影响。
通过语音增强和主动消除技术的应用，1/8发射功率的条件下，能够显著减小高频和低频带给接收端信号的影响，这也表明了水声通信系统中通过应用语音增强和主动消除技术，有利于通信性能的提升。
4 结语
综上所述，近年来海洋勘探与开发步伐不断加速，低效的水下数据传输已无法将实际需求满足，因此人们对可靠且高速的水下声通信技术产生了强烈的需求。本文结合前人研究成果，研究了水声信号采集与处理，旨在实现接收端同步接收和通信异常的问题解决，促进通信性能的提高。在丢帧问题解决方面，结合已有相关文献，获取了低功率发射情况下海洋环境噪声为主要影响因素的结果，并结合对应的方法弱化了影响，能获取更可靠且质量更高的水声信号。
参考文献
[1] 郭子源，梁书源.线性调频信号在水声通信中的应用[J].河北农机，2020（12）：125-126.
[2] 李杰.基于小波分析的水声通信技术研究及其硬件实现[D].杭州：浙江大学，2017.
[3] 姜楠，王彬.基于稀疏自动编码网络的水声通信信号调制识别[J].信号处理，2019，35（1）：103-114.
[4] 陈润德.水声通信信号采集与处理分析[D].西宁：青海师范大学，2020.
[5] 王诗雨.水声通信自适应调制技术与MAC协议研究[D].上海：上海交通大学，2018.
[6] 杨少凡，郭中源，肖东，等.伪装水声通信信号波形设计及其应用[J].声学学报，2019，44（1）：88-97.