多徑效應下水聲通信波特間隔均衡算法*

孫　波　王　睿

(92763部隊裝備部　大連　116041)

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多徑效應下水聲通信波特間隔均衡算法*

孫波王睿

(92763部隊裝備部大連116041)

摘要在水下航行器水聲通信中,由于水聲信道的快速時變衰落特性導致多徑效應,通信信道難以均衡。對多徑效應下的水聲通信信道進行均衡設計,改善通信環境和質量。傳統方法采用分塊均衡算法,對待發送的通信信號進行分塊處理,這一過程中可能導致分塊不均和非線性失真,信道均衡效果不好。提出一種基于波特間隔均衡的多徑效應下水聲通信信道均衡算法。分析了水聲通信信道的特性和信道均衡原理,建立一個時變衰落、多徑和加性干擾的水聲信道模模型,在自適應均衡算法的基礎上,引入波特間隔均衡技術,實現水聲通信信道均衡算法的改進。仿真結果表明,采用該算法能有效實現水下航行器水聲通信的信道均衡,提高輸出信噪比,降低通信誤碼率,展示了較好的應用價值。

關鍵詞水下航行器; 水聲通信; 信道均衡; 波特間隔

Potter Interval Equalization Algorithm for Underwater Acoustic Communication

SUN BoWANG Rui

(Equipment Department, No. 92763 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn underwater acoustic communication, because of the fast time varying fading of underwater acoustic channel, the multipath effect is difficult to be balanced. A balanced design of underwater acoustic communication channel is carried out to improve the communication environment and quality. In the traditional method, the block equalization algorithm is used to deal with the transmitted signal, which may lead to uneven and nonlinear distortion. The channel equalization effect is not good. A channel equalization algorithm for underwater acoustic communication based on Potter’s space equalization is proposed. Underwater acoustic communication channel characteristics and channel equalization theory are analyzed, and establish a time-varying fading, multipath and interference of underwater acoustic channel model, in the adaptive equalization algorithm based on, baud spaced equalization technology is introduced, to achieve the improvement of channel equalization algorithm of underwater acoustic communication. The simulation results show that the proposed algorithm can effectively achieve the channel equalization of underwater vehicle underwater acoustic communication, improve the output SNR and reduce the communication error rate, and show the good application value.

Key Wordsunderwater vehicle, underwater acoustic communication, channel equalization, potter interval

Class NumberTN929.3

1引言

現代通信是采用信號傳輸和數據編碼方式實現信息傳遞和交流的方式。在水下航行器水聲通信中,水下航行器通常處于深水區,需要進行深水通信,深水環境下的水聲通信通常為一種擴展頻譜通信,簡稱擴頻通信。它是用編碼及調制的方法進行信息解調、解擴,把通信信號擴展成很寬的頻帶,對擴展的信號頻譜進行分析,在水聲信號發射端對通信信號進行擴頻碼序列生成,在接收端用同樣的碼進恢復所傳信息數據的通信方式。擴頻通信在北斗衛星導航、對潛通信、水聲長波通信等領域具有較為廣闊的應用前景[1]。對水下航行器的水聲通信是利用聲波在海水里傳播實現的,這種通信技術是擴頻通信的一種,在水聲通信中,由于水聲信道的快速時變衰落特性導致多徑效應,通信信道難以均衡。研究水聲通信的信道均衡算法在改善通信質量,提高通信信噪比方面具有重要的意義[1]。

水聲信道是一個典型的時變多途衰落信道,具有多徑結構,水聲信道的多徑結構復雜,時間壓縮性能的敏感性較強,需要具有較好的抗多徑干擾的能力。多徑信號到達接收端,由于利用了偽隨機碼的相關特性,只要多徑時延大于一個偽隨機碼的切譜寬度,則通過相關處理后,可消除這種多徑干擾的影響,甚至還可以利用這些多徑干擾的能量,提高系統的信噪比,改善系統的性能[2～4]。為了保證水聲通信的質量,需要盡可能地降低通信誤碼率,但是由于多徑結構的影響,信道均衡性能不好,需要進行改進設計。傳統方法采用分塊均衡算法,對待發送的通信信號進行分塊處理,這一過程中可能導致分塊不均和非線性失真,信道均衡效果不好[5～7]。為了克服傳統方法的弊端,本文提出一種基于波特間隔均衡的多徑效應下水聲通信信道均衡算法。首先分析了水聲通信信道的特性和信道均衡原理,建立水聲信道模型,在自適應均衡的基礎上,引入波特間隔均衡技術,實現水聲通信信道均衡算法的改進,最后通過仿真實驗進行了性能驗證,驗證了本文算法在實現水下航行器水聲通信信道均衡,提高輸出信噪比方面的優越性,得出了有效性結論,展示了較好的應用價值。

2水聲通信的傳播特性及信道模型構建

2.1水下航行器水聲通信的傳播特性

圖1　水聲信道中的聲場示意圖

本文研究水聲通信信道均衡技術,需要首先給出水下航行器水聲通信的傳播特性,為進行算法設計提供理論和模型基礎,水聲通信技術誕生于20世紀中葉[8],水聲通信包括了淺海通信和對潛通信等技術,主要用于潛艇之間的通信。由于水下航行器水聲通信通常采用擴頻通信技術,擴頻通信的優點是抗干擾能力強,因此,本文以擴頻通信為研究對象,假設水聲通信信道中帶寬的截面積為S1,海水對聲信號接收的聲道長度為D。水聲信道中的聲場示意圖如圖1所示。

圖1中,水聲信道中的聲場為緩慢時變、空變的相干多途信道[9],由于帶寬受限的影響,得到水聲通信的多普勒頻移為

pi=piaej(wt-kx),vi=viaej(wt-kx)

(1)

其中,k=w/c,c0為水聲信道的介質聲速。多普勒頻移造成淺海水聲信道的多徑效應,多徑效應起始于x=D處,表示為

pt=ptaej[wt-k(x-l)],vt=vtaej[wt-k(x-l)]

(2)

對高速水聲通信系統,在x=0與x=D處,海水對聲信號的吸收速度連續條件得:

pia+p1ra=p2ta+p2ra

S1(via+v1ra)=S2(v2ta+v2ra)

p2tae-jkD+p2raejkD=pta

S2(v2tae-jkD+v2raejkD)=S1vta

(3)

將海洋水聲信道模擬為是平面波,并在同一介質中進行聲場傳播,傳播損失為

制定具體的急救護理流程以及風險管理體系，規范護理流程，對護理人員實行相應的急救流程以風險管理培訓，落實具體的防范措施；院前接診治療要采取常規方式，接診前要對患者的病情評估以及預先性的處理。首先將胸痛患者劃分高危型胸痛和非高危型胸痛。患者資料需要在5分鐘內獲取，同時保障資料的準確性，對患者進行詳細的體格檢查。對于輔助檢查，除了心電圖檢查以外，還需要對患者實行其他相應的檢查，例如血常規、血生化、血氣分析、心肌壞死標志物、D-二聚體以及胸部X線、血管CT、心超等檢查，必要時行胸腹部CT增強或磁共振增強檢查。

(4)

通過拷貝相關法和脈沖相關法可以推出在x=D處的透射波與x=0處的入射波的海洋水聲信道多徑幅值之比:

(5)

式中:

(6)

不同水域的信道狀況下,進一步可得多徑效應小的水聲通信透射波與入射波衰減幅值之比,即水聲通信的聲強衰減系數為

(7)

可以看出水聲通信的聲強衰減與聲場的面積比有關,還與水聲信道的相干多途長度D與聲波的波長之比有關,即kD=2πD/λ。當kD=(2n-1)π/2,即D=(2n-1)λ/4,相干多徑信道的波長為碼元速率的奇數倍時,n=1,2…,各路徑與直達路徑之間的夾角達到極小值:

(8)

通過上述分析,描述了水下航行器水聲通信的傳播特性,得到多徑效應下的水聲通信信道通信信號傳輸投影圖如圖2所示。

圖2　多徑效應下的水聲通信信道通信信號傳輸投影圖

在上述水下航行器水聲通信的傳播特性描述的基礎上,構建水聲信道模型,根據本文研究的水下航行器水聲通信的特點,需要建立時變衰落、多徑和加性干擾的水聲信道模型[10]。

水聲信道的多徑結構取決于海底的地形,假設水聽器節點由N=2P個陣元組成,構成波特間隔均衡的陣列,間隔距離平均分布為d,水聲通信系統的信號接收模型為

(9)

其中,si(t)為水下航行器水聲通信信號在多徑信道分量中第i個波特率,xm(t)為陣元m接收的信源矢量寬度,水聲信道模型表達為

(10)

其中,an(t)是第n條路徑上的水聲衰減傳播損失,τn(t)為第n條多徑路徑上的信源的波長,通過橫向時域濾波進行轉換,得到水聲信道模型結構如圖3所示。

圖3　水下航行器水聲信道模型結構

3波特間隔信道均衡算法改進

由于水聲信道的快速時變衰落特性導致多徑效應,通信信道難以均衡。對多徑效應下的水聲通信信道進行均衡設計,改善通信環境和質量。傳統方法采用分塊均衡算法,對待發送的通信信號進行分塊處理,這一過程中可能導致分塊不均和非線性失真,信道均衡效果不好。為了克服傳統算法的弊端,本文提出一種基于波特間隔均衡的多徑效應下水聲通信信道均衡算法。假設海水的聲速c0=1500m/s,當聲波從水中斜入射到通信信道中,縱波聲速為

cL=6100m/sc0=1500m/s

(11)

在水聲通信中,反射波中僅有縱波傳播則:

θiL=0.2484rad=14.24°

(12)

通過橫向時域濾波進行轉換得到各條路徑的相位偏移:

x(t)=As(t)ri+n(t)θi

(13)

式中,ri,θi分別為碼元速率fs與直達路徑之間的夾角,水聽器陣列流行向量中的第i個近場源的沖擊響應可以表示為:

(14)

(15)

波特間隔均衡器對輸入信號以碼率即波特率進行采樣,采用自適應均衡器進行信道均衡的抽頭間隔自適應調整,得到波特間隔均衡的頻率響應:

(16)

其中,ck為均衡器抽頭系數,N為信號采集數量,P為補償了接收信號中的信道畸變特征,另外,T′=MT/N。對來自電磁波和相干信號的干擾因素進行混疊補償:

(17)

采用波特間隔均衡,完成了匹配濾波器和波特間隔均衡器的共同作用,均衡后的頻譜方位信息為

a(θi,ri)=[exp(j[(-P+1)γi+(-P+1)2φi]),

exp(j[(-P+2)γi+(-P+2)2φi]),

(18)

模擬信號頻譜為X(f),采樣信號頻譜為YT′(f),采用波特間隔均衡技術進行變步長修正,采用FSE補償了接收信號中的信道畸變,得到通信系統輸出為

(19)

(20)

根據上述參量估計結果,以瞬時量代替統計平均量,采用匹配濾波器和一個T間隔抽頭的均衡器,以構成一個最好的自適應匹配濾波器,實現比特間隔信道均衡。根據上述設計,本文提出的波特間隔均衡器(FSE)的結構示意圖如圖4所示。

圖4　水聲信道波特間隔均衡器(FSE)的結構示意圖

4仿真實驗與性能測試

為了測試本文算法在進行多徑效應下水聲通信的信道均衡改善中的性能,進行仿真實驗。實驗環境為Intel Corei530,1G內存的Windows 7系統,仿真軟件為Matlab 7.0,水下航行器水聲通信信號頻帶分別為3kHz～5kHz、2kHz～4kHz、4kHz～8kHz、5kHz～10kHz,水下航行器水聲陣列傳感器進行數據采集中,水聽器的收發端距離為4.7km,采集信號通過A/D采用得到一組單頻脈沖信號,信號的帶寬為3899Hz～4210Hz,時寬為1s,采樣頻率為50kHz。水聲通信的單頻脈沖信號為s(t)=exp(j2πf0t),通信信道模型中,信道的碼元速率為1kBaud,通信信號的載波頻率為3kHz,采用每三個周期的載波波形表示一個碼元,得到水下航行器水聲通信系統在多徑信道模型下的信號波形如圖5所示。

圖5　多徑信道模型下的信號波形

對上述多徑信道模型下的信號波形進行波特間隔均衡處理,得到不同多徑時延信道下的碼元寬度如圖6所示。從圖可見,采用本文算法能有效實現信道均衡,信號幅值有的很小或是接近于零,起到了波特間隔均衡的效果。

為了進一步驗證本文算法性能,計算波特間隔的DFE的學習曲線,得到結果如圖7所示,從圖可見,采用本文算法具有較好的學習收斂性能,提高了水聲通信的抗干擾能力,定量分析可知,采用本文算法,相比傳統算法,輸出信號的信噪比提高了13dB,誤碼率降低3.65%,展示了優越性能。

圖6　波特間隔均衡輸出

圖7　學習曲線分析

5結語

水聲信道是一個典型的時變多途衰落信道,具有多徑結構,水聲信道的多徑結構復雜,時間壓縮性能的敏感性較強,由于水聲信道的快速時變衰落特性導致多徑效應,通信信道難以均衡。對多徑效應下的水聲通信信道進行均衡設計,改善通信環境和質量。本文提出一種基于波特間隔均衡的多徑效應下水聲通信信道均衡算法。在自適應均衡的

基礎上,引入波特間隔均衡技術,實現水聲通信信道均衡算法的改進,研究結果表明,采用本文算法能有效實現對多徑效應下的水聲通信信道均衡,提高輸出信噪比,降低通信誤碼率。

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中圖分類號TN929.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.034

作者簡介:孫波,男,工程師,研究方向:通信與信息系統。王睿,男,工程師,研究方向:對潛水聲通信。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月29日