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(xiàn)聲吶信號、水下傳感信號和水下探測脈沖信號傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，水聲通信是當前唯一可在水下進行遠程信息傳輸?shù)耐ㄐ判问健Ｋ曂ㄐ旁O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(xiàn)多途效應，信號能量的衰減較大，水聲信號傳輸?shù)谋Ｕ嫘圆缓茫宜曂ㄐ判诺赖亩鄰礁蓴_和多途效應使得水聲通信系統(tǒng)的信道均衡性不好，水聲通信傳輸?shù)男畔⒉煌暾?，傳輸性能穩(wěn)定性差，需要進行水聲通信信道的優(yōu)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(yōu)化水聲通信系統(tǒng)設計中具有重要的應用價值，相關的算法研究和系統(tǒng)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)，并針對DS、DS、PTRM三種情況下的水聲通信系統(tǒng)進行了研究，統(tǒng)計出了在不同信噪比、不同處理增益下三種系統(tǒng)的誤碼率情況，有效降低了輸出誤比特率，但該系統(tǒng)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(shù)間隔均衡的水聲通信信道優(yōu)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(shù)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(shù)以對信道做出反饋補償，實現(xiàn)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(yōu)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(xié)議設計，在標準的通信信道中進行高數(shù)據(jù)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(chǎn)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(tǒng)的載頻頻率編碼設計，根據(jù)寬帶多普勒特性［8］，得到水聲通信信道的傳遞函數(shù)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(shù)，τmk是信道中傳輸增益。

在等效低通信道中，采用動態(tài)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(tǒng)的輸出信號進行數(shù)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(jù)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(shù)（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(tǒng)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(jù)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(shù)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(jù)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(jù)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(tǒng)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(shù)學描述［10］。

3 信道均衡器設計及通信優(yōu)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(yōu)化設計，本文提出一種基于分數(shù)間隔均衡（Fractional?ly Spaced Equalizer，F(xiàn)SE）的水聲通信信道優(yōu)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(shù)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(shù)間隔均衡器的頻率響應表示為

其中ck為均衡器抽頭系數(shù)，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(shù)間隔均衡設計，實現(xiàn)多徑干擾抑制。

3.2 分數(shù)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(xiàn)象，傳統(tǒng)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(shù)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(shù)間隔均衡器設計框圖如圖3所示。

圖3 分數(shù)間隔均衡器設計框圖

通常，F(xiàn)SE的抽頭間隔為MT/N，其中M 和N為整數(shù)，且M＜N，輸入的水聲通信信號經(jīng)過分數(shù)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(yōu)化設計的基礎上，進行水聲通信系統(tǒng)信道優(yōu)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(shù)，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(chǎn)生的偽隨機序列c'(t)與輸出端的信號處理增益產(chǎn)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(shù)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(shù)間隔均衡器結合使用，充分利用了分數(shù)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(xiàn)水聲通信信道均衡優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)抽樣判決器的調制頻率范圍8kHz～12kHz，在水聲通信系統(tǒng)的信號發(fā)射端，由DSP控制開關功放完成信號發(fā)射，用磁帶機采集數(shù)據(jù)，采樣率為48kHz，多徑幅度參數(shù)（1，0.5，-0.3，0.15，-0.15），多徑時延參數(shù)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(shù)r=20，直接序列擴頻的長度N=1048575，根據(jù)上述仿真環(huán)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(tǒng)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?shù)男Ч缓?，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)方法，性能優(yōu)越。

5 結語

本文研究了水聲通信系統(tǒng)優(yōu)化問題，水聲通信受到海洋混響干擾，容易產(chǎn)生碼間干擾，導致通信信道失衡，本文提出一種基于分數(shù)間隔均衡的水聲通信信道優(yōu)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(shù)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(shù)以對信道做出反饋補償，實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的輸出誤碼率，改善了水聲通信質量，在水聲通信優(yōu)化設計中具有很好的應用價值。

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