復(fù)雜干擾環(huán)境下水聲通信抗干擾技術(shù)研究*

宋君才 邵云生 彭會(huì)斌

(駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海 200136)

1 引言

盲源分離技術(shù)是一種對(duì)信號(hào)源知識(shí)、信道先驗(yàn)知識(shí)具有很好寬容性的自適應(yīng)陣列信號(hào)處理方法,即使在未知任何信號(hào)源和信道信息的條件下,僅滿足極有限的條件也能實(shí)現(xiàn)多源信號(hào)的分離和恢復(fù)。正因如此誘人的特點(diǎn),這一技術(shù)引起了信號(hào)處理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。幾年來,盲源分離技術(shù)在水聲信號(hào)處理領(lǐng)域的研究也越來越多,且取得了一定的成果。

水聲通信系統(tǒng)作為實(shí)施戰(zhàn)場指揮和情報(bào)傳遞的基礎(chǔ),在現(xiàn)代海戰(zhàn)中占有非常重要的地位。戰(zhàn)場環(huán)境下,戰(zhàn)爭態(tài)勢(shì)瞬息萬變,信息交流更加頻繁,必須隨時(shí)保障通信暢通,與此同時(shí)敵方通過頻域、時(shí)域、電平域以及空間域?qū)ξ曳降乃曂ㄐ畔到y(tǒng)的破壞卻是無休無止的,因此擁有強(qiáng)有力的抗干擾通信工具顯得尤為重要。除了敵方的惡意干擾,各種探測(cè)和武器平臺(tái)產(chǎn)生的信號(hào)如主動(dòng)聲納的探測(cè)信號(hào)、水下武器制導(dǎo)信號(hào)、噪聲干擾器的干擾信號(hào)等,也會(huì)對(duì)己方的通信系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾。如何在各種復(fù)雜干擾環(huán)境下,運(yùn)用盲源分離方法進(jìn)行有效的水聲通信,正是本文的研究內(nèi)容。

2 建立卷積混合模型和分離模型

多通道卷積混合和多通道盲解卷積過程可通過圖1的模型[1]表示,圖中方塊表示FIR濾波器,s(n)=[s1(n),s2(n),sM(n)]T為相互獨(dú)立的M維源信號(hào)矢量,并且不可觀察。

卷積混合可用如下數(shù)學(xué)模型表示:

其中,Hp是第p個(gè)延遲節(jié)點(diǎn)處的N×M維混合矩陣。

圖1 卷積混合和解混框圖

其中H(z)為N×M的FIR多項(xiàng)式矩陣[2],其第(i,j)個(gè)元素為Hij(z),Hij(z)為信道的傳遞函數(shù),定義為:

令f(z)=g(z)H(z),并稱之為全局濾波器傳遞矩陣。則分離信號(hào)與源信號(hào)之間的關(guān)系為:

如果能找到分離矩陣g(z),使全局矩陣 f(z)滿足以下條件:

其中,P為次序變換矩陣,∧是一個(gè)非奇異的對(duì)角尺度變換矩陣,對(duì)角陣D(z)=diag{D1(z),…,Dn(z)}表示傳輸函數(shù)為Di(z)=∑pdipz-p的一組任意穩(wěn)定的濾波器,則源信號(hào)得以分離。

3 確定盲解卷積混合準(zhǔn)則

采用逐次提取各分量(Deflation Approach)的盲源分離方法[3]。第一步是通過自適應(yīng)算法,尋找一個(gè)1×M濾波器傳遞函數(shù)向量g(z),使得

第二步是通過自適應(yīng)算法尋找一個(gè)N×1濾波器矩陣t(z),使得(n)=y(n)-[t(z)]r(n)的方差最小,易知(n)是源信號(hào)sl(l≠1)的卷積混合信號(hào),回到第一步,從(n)提取出s2,依次循環(huán),直到所有的獨(dú)立分量都被提取出來。為了從卷積混合信號(hào)y(n)中每次提取出一個(gè)源信號(hào),可利用對(duì)照函數(shù)最大化的方法。對(duì)照函數(shù)的定義如下:

設(shè)χ是非高斯獨(dú)立隨機(jī)信號(hào)的集合,關(guān)于χ的函數(shù)C將χ映射到實(shí)數(shù)空間,如果滿足三個(gè)條件,稱C是χ的對(duì)照函數(shù):

3)上式當(dāng)且僅當(dāng)ai=ai0δ(i-i0),即ai(1≤i≤M)有唯一的非零元素時(shí)等式成立,其中i0表示C(xi)取最大值時(shí)i的取值.

4 形成盲解卷算法

根據(jù)上面導(dǎo)出的多通道盲解卷積準(zhǔn)則,可形成如下多通道盲解卷積算法[4]。

6)如g未收斂,回到步驟4)。收斂準(zhǔn)則可以定為:對(duì)照函數(shù)的變化量小于一個(gè)指定的數(shù)ξ1。

5 仿真分析

為了研究水聲對(duì)抗干擾下多通道盲解卷積的性能,用基于射線理論的淺海水聲信道多徑確定性傳播模型[6]進(jìn)行仿真,多途路徑按照反射形式和反射次數(shù)(階數(shù))劃分為四種類型:用SSn表示第一次和最后一次反射皆來自海面的多途接收信號(hào),相似地定義BBn、SBn、BSn分別為第一次和最后一次反射來自海底-海底、海面-海底、海底-海面的類型。下標(biāo) n代表多途“階”的概念,即經(jīng)過海面或海底反射的次數(shù)。上述四種類型的多途路徑中的一階情況如圖2所示。

圖2 淺海水聲信道的聲線傳播模型

圖3 水聲對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)

假設(shè)有如圖3所示的一個(gè)水聲通信網(wǎng)絡(luò),在某一個(gè)階段,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送通信信號(hào),節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3正在發(fā)送模擬回波信號(hào),模擬回波信號(hào)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)1的通信機(jī)解調(diào)過程是一個(gè)干擾信號(hào)。根據(jù)給定的參數(shù)和上述的聲線傳播模型,可以得到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)2、3到達(dá)節(jié)點(diǎn)1各水聽器的信道傳遞函數(shù)。同時(shí),假設(shè)通信信號(hào)是頻率調(diào)制信號(hào),其中的一個(gè)載頻為4000Hz,節(jié)點(diǎn)2的模擬回波信號(hào)頻率從2000Hz到6000Hz的調(diào)頻脈沖信號(hào),節(jié)點(diǎn)3的模擬回波信號(hào)頻率從1000Hz到6000Hz的調(diào)頻脈沖信號(hào)。采用多通道盲解卷積算法,可以得到如下結(jié)果:

圖4 各個(gè)水聽器接收到的混合信號(hào)

圖5 各分離信號(hào)的時(shí)域波形圖

從圖4、圖5可以看出,經(jīng)過盲解卷積運(yùn)算,通信信號(hào)與干擾信號(hào)較好地實(shí)現(xiàn)了分離。

6 結(jié)語

盲源分離能對(duì)時(shí)域或頻域混疊的通信與干擾混合信號(hào)進(jìn)行可靠分離,從而達(dá)到干擾抑制的目的。但它需要滿足各源信號(hào)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的要求,對(duì)于重放干擾(干擾機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一定的處理,如延時(shí)后再發(fā)送出去)等相關(guān)干擾源,盲源分離將失效。因此可以說,沒有一種干擾抑制方法或通信體制適合于所有的干擾環(huán)境,應(yīng)針對(duì)特定的干擾環(huán)境選擇最優(yōu)的干擾抑制方法或通信體制。

[1]章新華.盲源分離技術(shù)及其水聲信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù),2004,23(z1):145～149

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