基于激光聲通信的信道盲均衡方法研究

費(fèi)志剛，彭 水，陳寶柱

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基于激光聲通信的信道盲均衡方法研究

費(fèi)志剛，彭 水，陳寶柱

（91388部隊(duì)92分隊(duì)，廣東湛江 524022）

為有效克服水聲信道的多徑效應(yīng)給激光聲通信帶來的碼間干擾，采用信道盲均衡方法對(duì)碼間干擾進(jìn)行抑制。基于激光致聲的基本理論和盲均衡技術(shù)的基本原理，采用Sato算法對(duì)頻率調(diào)制的激光聲信號(hào)進(jìn)行均衡處理，仿真結(jié)果表明：激光聲經(jīng)過Sato盲均衡處理后，碼間干擾明顯減弱，有效提高了通信的可靠性；隨著算法迭代次數(shù)的增加，均衡器的均方誤差迅速減小，最后收斂于一個(gè)較低的水平，Sato盲均衡可有效提高激光聲通信的性能。

激光聲通信 盲均衡 碼間干擾

0 引言

激光與液體介質(zhì)相互作用可以激發(fā)聲波，形成的聲源稱為激光聲。作為一種新的水下聲源激發(fā)方式，它具有激發(fā)方式機(jī)動(dòng)靈活、頻譜寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。激光聲通信是指利用激光聲實(shí)現(xiàn)空中平臺(tái)與水下目標(biāo)之間的通信。激光聲通信具有通信機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)合了空中和水下兩種最佳的信道物理場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)空中與水下目標(biāo)間的通信開辟了一條新的技術(shù)途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

水聲信道的多徑干擾會(huì)使通信的誤碼率增大，從而影響通信性能。若要保證較高的通信速率而不增大碼間干擾，需要對(duì)碼間干擾現(xiàn)象進(jìn)行抑制。信道均衡技術(shù)正是一種通過匹配信道的多途結(jié)構(gòu)，從而抑制其對(duì)通信信號(hào)影響的接收信號(hào)處理技術(shù)[3-4]。本文基于激光致聲的理論，采用Sato算法對(duì)調(diào)制激光聲信號(hào)進(jìn)行盲均衡處理，通過數(shù)值仿真表明Sato均衡處理可有效抑制碼間干擾、提高通信性能。

1 激光致聲基本理論

激光在液體中激發(fā)聲波效應(yīng)的機(jī)理很多，與釋放到物質(zhì)中的能量體積密度和釋放的方式有關(guān)。主要機(jī)理有熱膨脹和光擊穿等，可分別利用線性理論和非線性理論描述。本文關(guān)注的是熱膨脹機(jī)制。

熱膨脹機(jī)制是基于液體介質(zhì)吸收激光能量而發(fā)生體積膨脹從而產(chǎn)生聲波，其光聲轉(zhuǎn)化效率低于0.01%，但產(chǎn)生的聲波信號(hào)最穩(wěn)定。激光激發(fā)水下熱膨脹聲波可用以下方程描述：

圖1 調(diào)制熱膨脹激光致聲接收信號(hào)波形及頻譜

該式進(jìn)行傅立葉反變換可得時(shí)域的聲壓信號(hào)。通過控制激光脈沖的載頻或激光脈沖重頻就可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的頻率調(diào)制，從而產(chǎn)生FSK信號(hào)。調(diào)頻的熱膨脹聲信號(hào)經(jīng)水聲信道傳輸后的波形及頻譜如圖1所示[6]。

2 盲均衡的基本原理

熱膨脹調(diào)制激光致聲通信碼元寬度在毫秒級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸速率較高。在水聲信道中，隨機(jī)時(shí)變的信道對(duì)信號(hào)的影響較大，若采用盲均衡技術(shù)，不依靠重復(fù)發(fā)送的訓(xùn)練序列，可以保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)時(shí)的跟蹤信道的參數(shù)變化狀態(tài)，保持高可靠性傳輸。盲均衡是一種以盲的或自恢復(fù)的形式進(jìn)行均衡的自適應(yīng)算法的總稱，可通過自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)，通常稱這種自適應(yīng)濾波器為盲均衡器[7-8]，它們完全不用輸入準(zhǔn)確的期望信號(hào)，濾波器的輸出仍然在滿足某種誤差范圍內(nèi)與輸入信號(hào)相等。

本文采用Sato算法對(duì)調(diào)制激光聲信號(hào)進(jìn)行盲均衡處理，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 盲均衡器的結(jié)構(gòu)框圖

均衡器的輸出為非線性估計(jì)器的輸入，即

由估計(jì)器輸出序列和均衡器的輸出序列形成的誤差信號(hào)序列為：

3 結(jié)果分析

作為一種自適應(yīng)均衡算法，Sato盲均衡算法的迭代步長(zhǎng)的選擇對(duì)均衡算法的收斂性能有很大的影響。迭代步長(zhǎng)越大，均衡算法的收斂到穩(wěn)態(tài)的速度越快；然而較大的迭代步長(zhǎng)可能造成均衡算法的不收斂。迭代步長(zhǎng)選取條件為：

式中(0)為矩陣R主對(duì)角線上的任一元素。由此，在仿真實(shí)驗(yàn)中，均衡器的抽頭個(gè)數(shù)選為M=50，信道的信噪比為20 dB。根據(jù)式(9)、式(10)，將均衡器的迭代步長(zhǎng)設(shè)為=0.002。

根據(jù)以上均衡條件，將長(zhǎng)度為10000的隨機(jī)二進(jìn)制序列通過水聲信道，在接收端構(gòu)建一個(gè)Sato盲均衡器，對(duì)信道的接收信號(hào)進(jìn)行均衡運(yùn)算。信道的輸出序列的波形如圖3所示。均衡器輸出的數(shù)據(jù)波形顯示了均衡自適應(yīng)迭代運(yùn)算過程，如圖4所示。

圖3 信道輸出序列

由圖3可以看出信號(hào)經(jīng)過水聲信道后，在碼間干擾和信道噪聲的影響下，信號(hào)的解調(diào)和判決具有很大的難度。由圖4可以看出均衡器對(duì)接收信號(hào)的處理情況。在均衡器的作用下，信道的多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)帶來的碼間干擾被逐漸削弱，均衡器大大增加了通信的可靠性。

圖4 均衡器輸出信號(hào)序列

定義均衡算法的剩余均方誤差為：

式中，為信號(hào)的方差，為噪聲的方差，C是信道卷積矩陣，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，f為均衡器卷積矩陣，為信道和均衡器的合成信道的卷積矩陣。由式（11）繪出Sato算法下均衡器的均方誤差收斂曲線如圖5所示。在Sato自適應(yīng)均衡算法下，隨著迭代次數(shù)的增加，均衡器的均方誤差很快減小，最后處于一個(gè)較低水平的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文基于激光致聲的理論，采用Sato算法對(duì)調(diào)制激光聲信號(hào)進(jìn)行盲均衡處理，通過數(shù)值仿真對(duì)信道均衡后的結(jié)果進(jìn)行了分析，可得出以下結(jié)論：激光聲信號(hào)經(jīng)過Sato盲均衡處理后，碼間干擾明顯減弱，有效增加了通信的可靠性；隨著算法迭代次數(shù)的增加，均衡器的均方誤差迅速減小，最后收斂于一個(gè)較低的水平，可見Sato盲均衡可有效提高激光聲通信的性能。

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Study on Equalization Algorithm Based on Opto-acoustic Underwater Communication

Fei Zhigang, Peng Shui,Chen Baozhu

(Unit of 91388, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

TP911

A

1003-4862（2018）12-0018-03

2018-07-24

費(fèi)志剛（1972-），男，高級(jí)工程師，主要從事水聲裝備試驗(yàn)。E-mail: baoliang747@126.com