單載波高速相干水聲通信技術(shù)研究

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1、單載波高速相干水聲通信技術(shù)研究余佳超，劉文慧，蘇為*（廈門大學(xué)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(jié)合二階數(shù)字鎖相環(huán)路均衡技術(shù)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(jié)果設(shè)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(jié)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(jié)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(guān)鍵詞：SISO;SIMO;

2、判決反饋均衡；時間反轉(zhuǎn)中圖分類號：TN911文獻標(biāo)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(jié)構(gòu)復(fù)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(yán)重的影響，傳統(tǒng)時域判決反饋（DFE+PLL）結(jié)合二階數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)存在易受均衡器階數(shù)、迭代步長初值設(shè)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(fù)雜度較低的稀疏水聲信道估計算法（DAMP）估計信道，在此基礎(chǔ)上設(shè)定DFE前饋和反饋階數(shù)及權(quán)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(shù)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(xué)基金項目的資助（61071150、F010103）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)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(dāng)前估計值中除去了前達碼元的干擾，適用于復(fù)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(yīng)，還有多普勒時變效應(yīng)。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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)框圖將前饋和反饋濾波器的權(quán)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(quán)值更新為(1-5)反饋濾波器的權(quán)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(dāng)前載波相位偏離的估計值。符號估計值與訓(xùn)練序列的誤差表示為(1-8)對均方誤差求導(dǎo)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(yīng)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(jié)構(gòu)圖但該技術(shù)對均衡器階數(shù)、權(quán)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(shù)進行了研究，以信道估計結(jié)果設(shè)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(shù)研究中采用稀疏信道估計技術(shù)，將信道估計結(jié)果變換后作為權(quán)值的初

6、值。為提高信道估計的準(zhǔn)確性，采用循環(huán)前綴技術(shù)（CP：cyclicprefix），信號結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)采樣值。去循環(huán)前綴后，傳統(tǒng)的頻域信道估計的結(jié)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(jié)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(yīng)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。可見

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(fù)雜度的DAMP稀疏信道估計算法。利用估計結(jié)果，我們即可對均衡器階數(shù)、初始權(quán)值和迭代步長進行最優(yōu)設(shè)計，提高收斂速度，降低均衡器復(fù)雜度。3實驗結(jié)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