單載波高速相干水聲通信技術研究

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1、單載波高速相干水聲通信技術研究余佳超，劉文慧，蘇為*（廈門大學水聲部重實驗室,福建省廈門市，361005）摘要：對SISO和SIMO單載波高速相干水聲通信中時域判決反饋結合二階數(shù)字鎖相環(huán)路均衡技術進行了研究。采用低信噪比下魯棒的稀疏水聲信道估計算法（DAMP）估計信道，利用信道估計結果設計均衡器前饋、反饋階數(shù)和均衡器初值，提高了系統(tǒng)魯棒性。在廈門港進行了10km距離高速水聲通信實驗，結果表明：在廈門港10km距離，接收信噪比均值約為6dB的環(huán)境下，4kbps通信數(shù)據(jù)誤比特率均小于2%，傳輸圖片清晰。結合多通道處理，誤比特率可下降一個數(shù)量級以上，提高了系統(tǒng)魯棒性。關鍵詞：SISO;SIMO;

2、判決反饋均衡；時間反轉中圖分類號：TN911文獻標識碼：A引言水聲信道是時變、空變多途擴展信道。單載波高速水聲通信受通信帶寬受限（10km距離上可用帶寬小于10kHz）、多途結構復雜（多途時延擴展可達幾十甚至幾百個碼元）、碼間干擾（ISI，Inter-symbol-interference）嚴重的影響，傳統(tǒng)時域判決反饋（DFE+PLL）結合二階數(shù)字鎖相環(huán)技術存在易受均衡器階數(shù)、迭代步長初值設定影響的問題，魯棒性差。論文針對水聲信道的稀疏特點，采用復雜度較低的稀疏水聲信道估計算法（DAMP）估計信道，在此基礎上設定DFE前饋和反饋階數(shù)及權系數(shù)初值，提高了均衡魯棒性和收斂速度。進一步，針對水聲

3、信道的時變、空變衰落特點，采用空域分集接收。在不影響通信數(shù)據(jù)率的前提下，提高了系統(tǒng)魯棒性。1判決反饋均衡器技術判決反饋均衡器是非線性的，由一個前饋橫向濾波器和一個反饋橫向濾波器國家自然科學基金項目的資助（61071150、F010103）中央高?；究蒲袠I(yè)務專項資金資助（2013121023）通信作者：蘇為suweixiamen@xmu.edu.cn組成，反饋橫向濾波器已前達符號的判決序列作為其輸入。從功能上講，通過反饋濾波器從當前估計值中除去了前達碼元的干擾，適用于復雜的水聲信道環(huán)境。但水聲信道是一個雙擴展信道，不僅具有多途效應，還有多普勒時變效應。為此，Stojanovic提出了內(nèi)嵌數(shù)

4、字鎖相環(huán)的判決反饋均衡結構，如圖1所示。圖1內(nèi)嵌數(shù)字鎖相環(huán)的判決反饋均衡器結構框圖將前饋和反饋濾波器的權值分別表示為及，則前饋濾波器的輸出表示為(1-1)反饋濾波器的輸出表示為(1-2)式中，，為符號判決的輸出。符號判決器的輸入表示為(1-3)均衡器輸出與參考序列間的誤差為(1-4)在采用LMS算法時前饋濾波器權值更新為(1-5)反饋濾波器的權值更新式為(1-6)接收信號先通過前饋濾波器得到，采用數(shù)字鎖相環(huán)對的相位進行補償。(1-7)式中，是對當前載波相位偏離的估計值。符號估計值與訓練序列的誤差表示為(1-8)對均方誤差求導得(1-9)令，由下式迭代得到對載波相位差的估計值(1-10)式中

5、，為載波相位的更新步長。為增強載波跟蹤能力，可進一步采用二階鎖相環(huán)，對應的載波相位迭代公式為(1-11)多途傳播造成的頻率選擇性衰落（隨時間、空間變化）是高速相干水聲通信的一大難題，單通道處理往往有所不足。多通道判決反饋均衡器如圖2所示。利用了水聲信道的空變特性，對抗時、空變衰落，提高通信的魯棒性。圖2多通道判決反饋均衡器結構圖但該技術對均衡器階數(shù)、權系數(shù)初值（及）以及迭代步長敏感的缺點。因此，我們對低信噪比下精確的信道估計技術進行了研究，以信道估計結果設計均衡器前饋、反饋階數(shù)和均衡器初值，提高了系統(tǒng)魯棒性。2稀疏水聲信道估計技術研究中采用稀疏信道估計技術，將信道估計結果變換后作為權值的初

6、值。為提高信道估計的準確性，采用循環(huán)前綴技術（CP：cyclicprefix），信號結構如圖3。信道估計信號連續(xù)發(fā)送兩次，以利于信道估計。其中CP的作用是使信道由線性卷積轉化為循環(huán)卷積，以利用于頻域處理，對信道變化進行跟蹤。圖3發(fā)送信號幀結構去CP后，信道估計段接收信號表示為(2-1)式中為信道估計序列，為接收序列，為信道沖擊響應采樣值。去循環(huán)前綴后，傳統(tǒng)的頻域信道估計的結果為(2-2)式中為的DFT變換，為的DFT變換。顯然，采用式2-2得到的信道估計結果的長度與數(shù)據(jù)塊的長度相等，為N點。令表示信道沖激響應中非零元素（或小于某一常量）得個數(shù)。由于水聲信道是稀疏的，一般來說有N>>b?？梢?/p>

7、，傳統(tǒng)頻域信道估計方法沒有利用水聲信道的稀疏性。將式2-1改寫為（2-3）由于本身具有稀疏性，該問題可采用匹配追蹤和最優(yōu)化方法求解。研究中基于MP思想，我們提出了一種低復雜度的DAMP稀疏信道估計算法。利用估計結果，我們即可對均衡器階數(shù)、初始權值和迭代步長進行最優(yōu)設計，提高收斂速度，降低均衡器復雜度。3實驗結果在廈門港10km距離高速水聲通信實驗。實驗位置處于廈門港航道中，接收端相對發(fā)送端更靠近大陸（島嶼）。該海域水深在