基于分?jǐn)?shù)間隔均衡的水聲通信信道優(yōu)化技術(shù)?

趙云冬

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

1 引言

水聲通信是通過(guò)水下傳輸信道實(shí)現(xiàn)聲吶信號(hào)、水下傳感信號(hào)和水下探測(cè)脈沖信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，水聲通信是當(dāng)前唯一可在水下進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)耐ㄐ判问?。水聲通信設(shè)備包括艦艇用水聲通信機(jī)、水下通信浮標(biāo)、水下應(yīng)急通信設(shè)備等，水聲通信在水下探測(cè)、水下目標(biāo)識(shí)別和水下目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值［1］。然而，在水聲通信信息傳輸過(guò)程中，在渾濁、含鹽的海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，導(dǎo)致水聲通信容易出現(xiàn)多途效應(yīng)，信號(hào)能量的衰減較大，水聲信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ嫘圆缓?，且水聲通信信道的多徑干擾和多途效應(yīng)使得水聲通信系統(tǒng)的信道均衡性不好，水聲通信傳輸?shù)男畔⒉煌暾?，傳輸性能穩(wěn)定性差，需要進(jìn)行水聲通信信道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高水聲通信質(zhì)量，研究水聲通信信道均衡設(shè)計(jì)方法在優(yōu)化水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)的算法研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到人們的極大關(guān)注［2］。

水聲通信信道受到海水介質(zhì)的多途效應(yīng)的影響，容易產(chǎn)生碼間干擾，導(dǎo)致通信信道失衡，需要進(jìn)行信道均衡設(shè)計(jì)，當(dāng)前，對(duì)水聲通信信道均衡器的設(shè)計(jì)方法主要有判決反饋均衡算法、LMS均衡算法、分集均衡算法等［3-5］，在有碼間干擾的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，通過(guò)上述均衡算法進(jìn)行信道擴(kuò)頻和抗干擾設(shè)計(jì)，提高信道均衡能力，提高通信質(zhì)量，其中，文獻(xiàn)［6］中提出一種基于判決反饋?zhàn)韵喔善ヅ涞乃曂ㄐ啪馑惴?，均衡器由一個(gè)前饋濾波器和一個(gè)反饋濾波器組成，該均衡算法優(yōu)點(diǎn)是消除ISI的同時(shí)不會(huì)擴(kuò)大噪聲增益，但該方法不能有效抑制水聲信道的多徑干擾，導(dǎo)致水聲通信系統(tǒng)的抗干擾能力不強(qiáng)。文獻(xiàn)［7］中研究了PTRM與DS結(jié)合的信道擴(kuò)頻算法進(jìn)行水聲通信的均衡設(shè)計(jì)，構(gòu)建了PTRM直擴(kuò)仿真通信系統(tǒng)，并針對(duì)DS、DS、PTRM三種情況下的水聲通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，統(tǒng)計(jì)出了在不同信噪比、不同處理增益下三種系統(tǒng)的誤碼率情況，有效降低了輸出誤比特率，但該系統(tǒng)存在碼間干擾失真，在低信噪比下通信性能不好。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)間隔均衡的水聲通信信道優(yōu)化技術(shù)，首先構(gòu)造水聲信道的沖激響應(yīng)模型，加入多徑分量的相位偏移進(jìn)行通信碼間干擾抑制，設(shè)計(jì)可調(diào)濾波器消除多徑干擾，然后采用自適應(yīng)分?jǐn)?shù)間隔均衡算法進(jìn)行信道均衡器設(shè)計(jì)，采用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列修正濾波器系數(shù)以對(duì)信道做出反饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)信道均衡設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行了水聲通信仿真實(shí)驗(yàn)分析，得出有效性結(jié)論，展示了本文方法在提高水聲通信信道均衡性和通信質(zhì)量方面的優(yōu)越性能。

2 水聲通信信道特征和沖激響應(yīng)模型

2.1 水聲信道模型

水聲通信信道是一個(gè)極其復(fù)雜的時(shí)間-空間-頻率變化、強(qiáng)多徑干擾、有限頻帶和高噪聲的信道，采用IEEE802.3EFM通信協(xié)議設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)的通信信道中進(jìn)行高數(shù)據(jù)率的信息傳輸和分配。水聲信道是有限帶寬的，帶寬受限主要原因是海水對(duì)聲信號(hào)的吸收導(dǎo)致信道產(chǎn)生多途和多徑效應(yīng)，本文研究的水聲信道模型為一個(gè)時(shí)變衰落、多徑和加性干擾的水聲信道模型，在帶寬受距離的約束作用下，進(jìn)行水聲通信系統(tǒng)的載頻頻率編碼設(shè)計(jì)，根據(jù)寬帶多普勒特性［8］，得到水聲通信信道的傳遞函數(shù)為

其中，H表示信號(hào)能量損失；M是擴(kuò)展損失，K(m)是第m多傳輸信道中的傳播因子，αmk是第n個(gè)水聲通信信道中第k條路徑的聲能量衰減，Tm是波爾茲曼常數(shù)，τmk是信道中傳輸增益。

在等效低通信道中，采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行水聲通信信號(hào)的碼間干擾濾波處理，得到濾波輸出的信號(hào)模型為

以離散多徑情況為例，對(duì)水聲通信系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，可以設(shè)定噪聲影響判決門(mén)限γ，當(dāng)＜γ時(shí)表示輸出信號(hào)存在碼間干擾，當(dāng)≥γ時(shí)表示碼間干擾得到有效抑制，根據(jù)上述分析，得到水聲通信信道的信號(hào)傳遞模型如圖1所示。

圖1 水聲通信信道傳輸模型

由圖1得知，在進(jìn)行水聲通信中，通過(guò)調(diào)整均衡器參數(shù)（權(quán)重），在輸出端設(shè)計(jì)抽樣判決反饋均衡器，提高水聲通信系統(tǒng)的跟蹤信道變化的能力，使均衡器的頻率特性等于信道頻率特性的逆，從而減少碼間干擾的影響。

2.2 水聲通信信道沖激響應(yīng)模型

根據(jù)水聲信道的時(shí)變衰落、多徑和加性干擾等特性，構(gòu)造水聲信道的沖激響應(yīng)模型，進(jìn)行信道均衡設(shè)計(jì)，本文采用分?jǐn)?shù)間隔均衡設(shè)計(jì)方法，通過(guò)直接校正畸變波形，提高均衡后輸出通信信號(hào)的頻域特性，使得通信時(shí)延等于相-頻特性曲線的斜率，根據(jù)上述原理，得到水聲通信信道均衡原理如圖2所示。

圖2 水聲通信信道均衡原理

根據(jù)圖2所示的水聲通信信道均衡原理，采用最小均方誤差（LMS）準(zhǔn)則進(jìn)行均衡器設(shè)計(jì)，間接獲得信道的特性，對(duì)輸出的OFDM信號(hào)進(jìn)行限幅處理［9］，得到輸出的本征波為

其中，s為水聲通信系統(tǒng)輸入的碼元比特序列，p為接收信號(hào)的傳播延時(shí)，對(duì)水聲信道的時(shí)變多徑特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述［10］。

3 信道均衡器設(shè)計(jì)及通信優(yōu)化

3.1 水聲通信的多徑干擾抑制

在上述構(gòu)造了水聲信道的沖激響應(yīng)模型和信道特性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水聲通信信道均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)間隔均衡（Fractional?ly Spaced Equalizer，F(xiàn)SE）的水聲通信信道優(yōu)化技術(shù)。加入多徑分量的相位偏移進(jìn)行通信碼間干擾抑制，得到信道模型的傳播時(shí)間和傳播損失的關(guān)系描述為

其中，τ為接收信號(hào)的衰減因子，α為傳輸碼元速率。采用直接序列擴(kuò)頻方法進(jìn)行通信信道的均衡設(shè)計(jì)，得到直接序列擴(kuò)頻處理后信道沖激響應(yīng)函數(shù)描述為

為了提高水聲通信信道解調(diào)器輸入端的信干比，可將 y=β*x的卷積形式其改寫(xiě)為矩陣乘積的形式，并進(jìn)行信道擴(kuò)頻，得到

其中，X為x的擴(kuò)頻序列分解矩陣，即X={x |xz-1}T。采用T 2抽頭間隔的均衡器，得到分?jǐn)?shù)間隔均衡器的頻率響應(yīng)表示為

其中ck為均衡器抽頭系數(shù)，T'=MT/N，超出奈奎斯特頻率以外的至頻率為 f=N MT，且：

通過(guò)上述處理，在波特率采樣造成的混疊效應(yīng)之前，通過(guò)分?jǐn)?shù)間隔均衡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多徑干擾抑制。

3.2 分?jǐn)?shù)間隔均衡算法

在淺海信道中進(jìn)行水聲通信存在著嚴(yán)重的碼內(nèi)干擾現(xiàn)象，傳統(tǒng)的信道均衡算法MMSE-BSE采用基于符號(hào)間隔采樣方法進(jìn)行信道均衡設(shè)計(jì)，符號(hào)間隔均衡器將放大該頻率點(diǎn)處的噪聲，從而引起均衡器性能下降，對(duì)此，本文采用分?jǐn)?shù)間隔均衡算法，在通信信號(hào)的接受終端插入一個(gè)可調(diào)濾波器消除多徑干擾，在均衡之前用匹配濾波器進(jìn)行信道畸變抑制，得到分?jǐn)?shù)間隔均衡器設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 分?jǐn)?shù)間隔均衡器設(shè)計(jì)框圖

通常，F(xiàn)SE的抽頭間隔為MT/N，其中M 和N為整數(shù)，且M＜N，輸入的水聲通信信號(hào)經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)間隔均衡器均衡后的頻譜可以用如下公式表示：

在均衡器優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水聲通信系統(tǒng)信道優(yōu)化處理，以譜密度F(β，X)來(lái)評(píng)價(jià)水聲通信信道分配的傳遞系數(shù)，由 β=[β1，β2]表示信道中的碼間干擾序列分布向量，當(dāng)每條多徑到達(dá)的時(shí)間延遲與信號(hào)頻帶相同時(shí)，本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c'(t)與輸出端的信號(hào)處理增益產(chǎn)生空間聚焦，通過(guò)非線性相位調(diào)制得到通信終端恢復(fù)信號(hào)輸出向量y=βX，在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)，采用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列修正濾波器系數(shù)以對(duì)信道做出反饋補(bǔ)償，得到水聲通信信號(hào)輸出的幅頻特征F(β，X)定義為

式中，yτ=βXτ為水聲通信信號(hào) y在時(shí)刻τ的調(diào)頻值，Xτ=[xτ，xτ-1，xτ-2，…，xτ-(N-1)]T，表示在單組脈沖寬度內(nèi)的輸出權(quán)向量，y?i和 yˉi分別為水聲通信信道上、下變頻的調(diào)頻帶寬，分別為

式中，λS，λL為較大的初始迭代步長(zhǎng)及沖激響應(yīng)因子（0≤λS≤1，0≤λL≤1），且信道傳輸碼元速率為 λ=2-1/h，hL＞＞hs（一般為100倍以上），把相位擴(kuò)頻技術(shù)與分?jǐn)?shù)間隔均衡器結(jié)合使用，充分利用了分?jǐn)?shù)間隔均衡器對(duì)定時(shí)誤差不敏感性，從而降低輸出碼元的誤比特率，改善通信質(zhì)量。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了測(cè)試本文方法實(shí)現(xiàn)水聲通信信道均衡優(yōu)化中性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)建立在Matlab仿真軟件上。為了便于仿真，實(shí)驗(yàn)中水聲通信系統(tǒng)的傳輸信號(hào)采用BPSK調(diào)制載波信號(hào)模擬，其中水聲通信信號(hào)的采用頻率為12.5KHz，載頻信號(hào)為一組頻率為12KHz的正弦信號(hào)，水聲通信系統(tǒng)抽樣判決器的調(diào)制頻率范圍8kHz～12kHz，在水聲通信系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射端，由DSP控制開(kāi)關(guān)功放完成信號(hào)發(fā)射，用磁帶機(jī)采集數(shù)據(jù)，采樣率為48kHz，多徑幅度參數(shù)（1，0.5，-0.3，0.15，-0.15），多徑時(shí)延參數(shù)為（0，1.3，2.5，3.6，4.9），水聲通信調(diào)制信號(hào)的碼元速率為1kBaud，擴(kuò)頻帶寬為3kHz，均衡器的濾波級(jí)數(shù)r=20，直接序列擴(kuò)頻的長(zhǎng)度N=1048575，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)定，進(jìn)行水聲通信仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中輸入到水聲通信系統(tǒng)的信號(hào)包括直達(dá)信號(hào)、多徑干擾以及海洋混響噪聲，如圖4所示。

圖4 輸入的水聲信號(hào)及干擾分量

由圖4得知，原始水聲信號(hào)受到多徑和混響干擾，導(dǎo)致水聲通信傳輸?shù)男Ч缓?，信?hào)的輸出誤碼率較高，保真度不好，將圖4的信號(hào)輸入到本文設(shè)計(jì)的水聲通信系統(tǒng)中，進(jìn)行信道均衡處理，得到輸出的基帶信號(hào)、未均衡的基帶信號(hào)、均衡輸出基帶信號(hào)、碼元誤差期望輸出如圖5所示。

圖5 水聲通信信道均衡輸出

分析圖5得知，采用本文方法進(jìn)行水聲通信信道均衡處理后，均衡器的輸出信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的基帶信號(hào)匹配度較高，均衡器處理后的誤碼為5碼元，誤碼率為0.98%。圖6給出了收斂性曲線，分析圖6結(jié)果得知，本文方法進(jìn)行水聲通信的收斂性較好，能在迭代步長(zhǎng)為0.01的情況下快速收斂，使得輸出的碼元誤比特率快速收斂到0，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖6 收斂性學(xué)習(xí)曲線

圖7 誤碼率對(duì)比結(jié)果

最后，為了對(duì)比算法性能，采用本文方法和傳統(tǒng)的波特間隔均衡方法，進(jìn)行水聲通信性能對(duì)比，測(cè)試輸出的誤碼率，其中，干擾信噪比為-10dB～10dB，得到結(jié)果如圖7所示，分析圖7得知，用本文方法進(jìn)行水聲信道均衡處理后，輸出的誤碼率明顯低于傳統(tǒng)方法，性能優(yōu)越。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了水聲通信系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，水聲通信受到海洋混響干擾，容易產(chǎn)生碼間干擾，導(dǎo)致通信信道失衡，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)間隔均衡的水聲通信信道優(yōu)化技術(shù)，構(gòu)造水聲信道的沖激響應(yīng)模型，加入多徑分量的相位偏移進(jìn)行通信碼間干擾抑制，在通信信號(hào)的接受終端插入一個(gè)可調(diào)濾波器消除多徑干擾，采用自適應(yīng)分?jǐn)?shù)間隔均衡算法進(jìn)行信道均衡器設(shè)計(jì)，采用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列修正濾波器系數(shù)以對(duì)信道做出反饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)信道均衡設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，采用本文方法進(jìn)行水聲通信信道均衡設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)輸出的碼元保真度較高，抗多徑干擾能力較強(qiáng)，降低了通信系統(tǒng)的輸出誤碼率，改善了水聲通信質(zhì)量，在水聲通信優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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