基于分數間隔均衡的水聲通信信道優化技術?

趙云冬

（昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言

水聲通信是通過水下傳輸信道實現聲吶信號、水下傳感信號和水下探測脈沖信號傳輸的通信系統，水聲通信是當前唯一可在水下進行遠程信息傳輸的通信形式。水聲通信設備包括艦艇用水聲通信機、水下通信浮標、水下應急通信設備等，水聲通信在水下探測、水下目標識別和水下目標跟蹤等領域具有廣泛的應用價值［1］。然而，在水聲通信信息傳輸過程中，在渾濁、含鹽的海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，導致水聲通信容易出現多途效應，信號能量的衰減較大，水聲信號傳輸的保真性不好，且水聲通信信道的多徑干擾和多途效應使得水聲通信系統的信道均衡性不好，水聲通信傳輸的信息不完整，傳輸性能穩定性差，需要進行水聲通信信道的優化設計，提高水聲通信質量，研究水聲通信信道均衡設計方法在優化水聲通信系統設計中具有重要的應用價值，相關的算法研究和系統設計受到人們的極大關注［2］。

水聲通信信道受到海水介質的多途效應的影響，容易產生碼間干擾，導致通信信道失衡，需要進行信道均衡設計，當前，對水聲通信信道均衡器的設計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行數據檢測，通過上述均衡算法進行信道擴頻和抗干擾設計，提高信道均衡能力，提高通信質量，其中，文獻［6］中提出一種基于判決反饋自相干匹配的水聲通信均衡算法，均衡器由一個前饋濾波器和一個反饋濾波器組成，該均衡算法優點是消除ISI的同時不會擴大噪聲增益，但該方法不能有效抑制水聲信道的多徑干擾，導致水聲通信系統的抗干擾能力不強。文獻［7］中研究了PTRM與DS結合的信道擴頻算法進行水聲通信的均衡設計，構建了PTRM直擴仿真通信系統，并針對DS、DS、PTRM三種情況下的水聲通信系統進行了研究，統計出了在不同信噪比、不同處理增益下三種系統的誤碼率情況，有效降低了輸出誤比特率，但該系統存在碼間干擾失真，在低信噪比下通信性能不好。

針對上述問題，本文提出一種基于分數間隔均衡的水聲通信信道優化技術，首先構造水聲信道的沖激響應模型，加入多徑分量的相位偏移進行通信碼間干擾抑制，設計可調濾波器消除多徑干擾，然后采用自適應分數間隔均衡算法進行信道均衡器設計，采用二進制偽隨機序列修正濾波器系數以對信道做出反饋補償，實現信道均衡設計。最后進行了水聲通信仿真實驗分析，得出有效性結論，展示了本文方法在提高水聲通信信道均衡性和通信質量方面的優越性能。

2 水聲通信信道特征和沖激響應模型

2.1 水聲信道模型

水聲通信信道是一個極其復雜的時間-空間-頻率變化、強多徑干擾、有限頻帶和高噪聲的信道，采用IEEE802.3EFM通信協議設計，在標準的通信信道中進行高數據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聲信號的吸收導致信道產生多途和多徑效應，本文研究的水聲信道模型為一個時變衰落、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，進行水聲通信系統的載頻頻率編碼設計，根據寬帶多普勒特性［8］，得到水聲通信信道的傳遞函數為

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

在等效低通信道中，采用動態補償技術進行水聲通信信號的碼間干擾濾波處理，得到濾波輸出的信號模型為

以離散多徑情況為例，對水聲通信系統的輸出信號進行數學描述，可以設定噪聲影響判決門限γ，當＜γ時表示輸出信號存在碼間干擾，當≥γ時表示碼間干擾得到有效抑制，根據上述分析，得到水聲通信信道的信號傳遞模型如圖1所示。

圖1 水聲通信信道傳輸模型

由圖1得知，在進行水聲通信中，通過調整均衡器參數（權重），在輸出端設計抽樣判決反饋均衡器，提高水聲通信系統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模型

根據水聲信道的時變衰落、多徑和加性干擾等特性，構造水聲信道的沖激響應模型，進行信道均衡設計，本文采用分數間隔均衡設計方法，通過直接校正畸變波形，提高均衡后輸出通信信號的頻域特性，使得通信時延等于相-頻特性曲線的斜率，根據上述原理，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）準則進行均衡器設計，間接獲得信道的特性，對輸出的OFDM信號進行限幅處理［9］，得到輸出的本征波為

其中，s為水聲通信系統輸入的碼元比特序列，p為接收信號的傳播延時，對水聲信道的時變多徑特性進行數學描述［10］。

3 信道均衡器設計及通信優化

3.1 水聲通信的多徑干擾抑制

在上述構造了水聲信道的沖激響應模型和信道特性分析的基礎上，進行水聲通信信道均衡優化設計，本文提出一種基于分數間隔均衡（Fractional?ly Spaced Equalizer，FSE）的水聲通信信道優化技術。加入多徑分量的相位偏移進行通信碼間干擾抑制，得到信道模型的傳播時間和傳播損失的關系描述為

其中，τ為接收信號的衰減因子，α為傳輸碼元速率。采用直接序列擴頻方法進行通信信道的均衡設計，得到直接序列擴頻處理后信道沖激響應函數描述為

為了提高水聲通信信道解調器輸入端的信干比，可將 y=β*x的卷積形式其改寫為矩陣乘積的形式，并進行信道擴頻，得到

其中，X為x的擴頻序列分解矩陣，即X={x |xz-1}T。采用T 2抽頭間隔的均衡器，得到分數間隔均衡器的頻率響應表示為

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

通過上述處理，在波特率采樣造成的混疊效應之前，通過分數間隔均衡設計，實現多徑干擾抑制。

3.2 分數間隔均衡算法

在淺海信道中進行水聲通信存在著嚴重的碼內干擾現象，傳統的信道均衡算法MMSE-BSE采用基于符號間隔采樣方法進行信道均衡設計，符號間隔均衡器將放大該頻率點處的噪聲，從而引起均衡器性能下降，對此，本文采用分數間隔均衡算法，在通信信號的接受終端插入一個可調濾波器消除多徑干擾，在均衡之前用匹配濾波器進行信道畸變抑制，得到分數間隔均衡器設計框圖如圖3所示。

圖3 分數間隔均衡器設計框圖

通常，FSE的抽頭間隔為MT/N，其中M 和N為整數，且M＜N，輸入的水聲通信信號經過分數間隔均衡器均衡后的頻譜可以用如下公式表示：

在均衡器優化設計的基礎上，進行水聲通信系統信道優化處理，以譜密度F(β，X)來評價水聲通信信道分配的傳遞系數，由 β=[β1，β2]表示信道中的碼間干擾序列分布向量，當每條多徑到達的時間延遲與信號頻帶相同時，本地產生的偽隨機序列c'(t)與輸出端的信號處理增益產生空間聚焦，通過非線性相位調制得到通信終端恢復信號輸出向量y=βX，在一個脈沖寬度內，采用二進制偽隨機序列修正濾波器系數以對信道做出反饋補償，得到水聲通信信號輸出的幅頻特征F(β，X)定義為

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

式中，λS，λL為較大的初始迭代步長及沖激響應因子（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），把相位擴頻技術與分數間隔均衡器結合使用，充分利用了分數間隔均衡器對定時誤差不敏感性，從而降低輸出碼元的誤比特率，改善通信質量。

4 仿真實驗與性能分析

為了測試本文方法實現水聲通信信道均衡優化中性能，進行仿真實驗，實驗建立在Matlab仿真軟件上。為了便于仿真，實驗中水聲通信系統的傳輸信號采用BPSK調制載波信號模擬，其中水聲通信信號的采用頻率為12.5KHz，載頻信號為一組頻率為12KHz的正弦信號，水聲通信系統抽樣判決器的調制頻率范圍8kHz～12kHz，在水聲通信系統的信號發射端，由DSP控制開關功放完成信號發射，用磁帶機采集數據，采樣率為48kHz，多徑幅度參數（1，0.5，-0.3，0.15，-0.15），多徑時延參數為（0，1.3，2.5，3.6，4.9），水聲通信調制信號的碼元速率為1kBaud，擴頻帶寬為3kHz，均衡器的濾波級數r=20，直接序列擴頻的長度N=1048575，根據上述仿真環境和參量設定，進行水聲通信仿真實驗，實驗中輸入到水聲通信系統的信號包括直達信號、多徑干擾以及海洋混響噪聲，如圖4所示。

圖4 輸入的水聲信號及干擾分量

由圖4得知，原始水聲信號受到多徑和混響干擾，導致水聲通信傳輸的效果不好，信號的輸出誤碼率較高，保真度不好，將圖4的信號輸入到本文設計的水聲通信系統中，進行信道均衡處理，得到輸出的基帶信號、未均衡的基帶信號、均衡輸出基帶信號、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，采用本文方法進行水聲通信信道均衡處理后，均衡器的輸出信號和標準的基帶信號匹配度較高，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結果得知，本文方法進行水聲通信的收斂性較好，能在迭代步長為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，提高了通信系統的抗干擾能力。

圖6 收斂性學習曲線

圖7 誤碼率對比結果

最后，為了對比算法性能，采用本文方法和傳統的波特間隔均衡方法，進行水聲通信性能對比，測試輸出的誤碼率，其中，干擾信噪比為-10dB～10dB，得到結果如圖7所示，分析圖7得知，用本文方法進行水聲信道均衡處理后，輸出的誤碼率明顯低于傳統方法，性能優越。

5 結語

本文研究了水聲通信系統優化問題，水聲通信受到海洋混響干擾，容易產生碼間干擾，導致通信信道失衡，本文提出一種基于分數間隔均衡的水聲通信信道優化技術，構造水聲信道的沖激響應模型，加入多徑分量的相位偏移進行通信碼間干擾抑制，在通信信號的接受終端插入一個可調濾波器消除多徑干擾，采用自適應分數間隔均衡算法進行信道均衡器設計，采用二進制偽隨機序列修正濾波器系數以對信道做出反饋補償，實現信道均衡設計。研究結果表明，采用本文方法進行水聲通信信道均衡設計，通信系統輸出的碼元保真度較高，抗多徑干擾能力較強，降低了通信系統的輸出誤碼率，改善了水聲通信質量，在水聲通信優化設計中具有很好的應用價值。

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