基于激光聲通信的信道盲均衡方法研究

費志剛，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

費志剛，彭 水，陳寶柱

（91388部隊92分隊，廣東湛江 524022）

為有效克服水聲信道的多徑效應給激光聲通信帶來的碼間干擾，采用信道盲均衡方法對碼間干擾進行抑制。基于激光致聲的基本理論和盲均衡技術的基本原理，采用Sato算法對頻率調制的激光聲信號進行均衡處理，仿真結果表明：激光聲經過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；隨著算法迭代次數的增加，均衡器的均方誤差迅速減小，最后收斂于一個較低的水平，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

激光與液體介質相互作用可以激發聲波，形成的聲源稱為激光聲。作為一種新的水下聲源激發方式，它具有激發方式機動靈活、頻譜寬等諸多優點。激光聲通信是指利用激光聲實現空中平臺與水下目標之間的通信。激光聲通信具有通信機動靈活、隱蔽性強等優點，且結合了空中和水下兩種最佳的信道物理場，為實現空中與水下目標間的通信開辟了一條新的技術途徑，具有廣闊的應用前景[1-2]。

水聲信道的多徑干擾會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，需要對碼間干擾現象進行抑制。信道均衡技術正是一種通過匹配信道的多途結構，從而抑制其對通信信號影響的接收信號處理技術[3-4]。本文基于激光致聲的理論，采用Sato算法對調制激光聲信號進行盲均衡處理，通過數值仿真表明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

激光在液體中激發聲波效應的機理很多，與釋放到物質中的能量體積密度和釋放的方式有關。主要機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。本文關注的是熱膨脹機制。

熱膨脹機制是基于液體介質吸收激光能量而發生體積膨脹從而產生聲波，其光聲轉化效率低于0.01%，但產生的聲波信號最穩定。激光激發水下熱膨脹聲波可用以下方程描述：

圖1 調制熱膨脹激光致聲接收信號波形及頻譜

該式進行傅立葉反變換可得時域的聲壓信號。通過控制激光脈沖的載頻或激光脈沖重頻就可實現對聲信號的頻率調制，從而產生FSK信號。調頻的熱膨脹聲信號經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

熱膨脹調制激光致聲通信碼元寬度在毫秒級，數據傳輸速率較高。在水聲信道中，隨機時變的信道對信號的影響較大，若采用盲均衡技術，不依靠重復發送的訓練序列，可以保持較高的數據傳輸速率，實時的跟蹤信道的參數變化狀態，保持高可靠性傳輸。盲均衡是一種以盲的或自恢復的形式進行均衡的自適應算法的總稱，可通過自適應濾波器實現，通常稱這種自適應濾波器為盲均衡器[7-8]，它們完全不用輸入準確的期望信號，濾波器的輸出仍然在滿足某種誤差范圍內與輸入信號相等。

本文采用Sato算法對調制激光聲信號進行盲均衡處理，其結構如圖2所示。

圖2 盲均衡器的結構框圖

均衡器的輸出為非線性估計器的輸入，即

由估計器輸出序列和均衡器的輸出序列形成的誤差信號序列為：

3 結果分析

作為一種自適應均衡算法，Sato盲均衡算法的迭代步長的選擇對均衡算法的收斂性能有很大的影響。迭代步長越大，均衡算法的收斂到穩態的速度越快；然而較大的迭代步長可能造成均衡算法的不收斂。迭代步長選取條件為：

式中(0)為矩陣R主對角線上的任一元素。由此，在仿真實驗中，均衡器的抽頭個數選為M=50，信道的信噪比為20 dB。根據式(9)、式(10)，將均衡器的迭代步長設為=0.002。

根據以上均衡條件，將長度為10000的隨機二進制序列通過水聲信道，在接收端構建一個Sato盲均衡器，對信道的接收信號進行均衡運算。信道的輸出序列的波形如圖3所示。均衡器輸出的數據波形顯示了均衡自適應迭代運算過程，如圖4所示。

圖3 信道輸出序列

由圖3可以看出信號經過水聲信道后，在碼間干擾和信道噪聲的影響下，信號的解調和判決具有很大的難度。由圖4可以看出均衡器對接收信號的處理情況。在均衡器的作用下，信道的多徑效應對信號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 均衡器輸出信號序列

定義均衡算法的剩余均方誤差為：

式中，為信號的方差，為噪聲的方差，C是信道卷積矩陣，上標H表示共軛轉置運算，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自適應均衡算法下，隨著迭代次數的增加，均衡器的均方誤差很快減小，最后處于一個較低水平的穩定狀態。

4 結束語

本文基于激光致聲的理論，采用Sato算法對調制激光聲信號進行盲均衡處理，通過數值仿真對信道均衡后的結果進行了分析，可得出以下結論：激光聲信號經過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；隨著算法迭代次數的增加，均衡器的均方誤差迅速減小，最后收斂于一個較低的水平，可見Sato盲均衡可有效提高激光聲通信的性能。

[1] Blackmon F, Antonelli L. Remote, aerial, opto-acoustic communication and sonar [J]. SPIE, 2005, 5778: 208-213.

[2] 宗思光, 王江安. 空中對水下平臺激光聲通信技術的探討[J]. 電光與控制, 2009, 16(10): 75-79.

[3] 徐金標, 王育民．用于多電平QAM調制的新型的自恢復均衡技術研究[J]. 電子學報．1997, 25(7): 38-42．

[4] 王峰, 趙俊渭, 李桂娟等. 一種常數模與判決導引相結合的盲均衡算法研究[J]. 通信學報, 2002, 23(6): 105-109．

[5] F. Blackmon, L. Estes, G. Fain. Method for linear optoacoustic communication and optimization[P]. US, 7505366B1, 2009-03-17.

[6] 范東洋, 彭水．調制激光致聲脈沖特性分析[J]．聲學與電子工程(增刊), 2012, 92-94.

[7] 王峰, 趙俊渭, 李洪升等. 一種混合常數模水聲信道盲均衡新算法的研究[J]. 聲學學報, 2003, 28(2): 137-140.

[8] 金艷. 水聲多徑信道特性及抗多徑盲均衡技術研究[D]. 西安: 西北工業大學碩士學位論文, 2003.

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

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