单载波高速相干水声通信技术研究

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1、单载波高速相干水声通信技术研究余佳超，刘文慧，苏为*（厦门大学水声部重实验室,福建省厦门市，361005）摘要：对SISO和SIMO单载波高速相干水声通信中时域判决反馈结合二阶数字锁相环路均衡技术进行了研究。采用低信噪比下鲁棒的稀疏水声信道估计算法（DAMP）估计信道，利用信道估计结果设计均衡器前馈、反馈阶数和均衡器初值，提高了系统鲁棒性。在厦门港进行了10km距离高速水声通信实验，结果表明：在厦门港10km距离，接收信噪比均值约为6dB的环境下，4kbps通信数据误比特率均小于2%，传输图片清晰。结合多通道处理，误比特率可下降一个数量级以上，提高了系统鲁棒性。关键词：SISO;SIMO;

2、判决反馈均衡；时间反转中图分类号：TN911文献标识码：A引言水声信道是时变、空变多途扩展信道。单载波高速水声通信受通信带宽受限（10km距离上可用带宽小于10kHz）、多途结构复杂（多途时延扩展可达几十甚至几百个码元）、码间干扰（ISI，Inter-symbol-interference）严重的影响，传统时域判决反馈（DFE+PLL）结合二阶数字锁相环技术存在易受均衡器阶数、迭代步长初值设定影响的问题，鲁棒性差。论文针对水声信道的稀疏特点，采用复杂度较低的稀疏水声信道估计算法（DAMP）估计信道，在此基础上设定DFE前馈和反馈阶数及权系数初值，提高了均衡鲁棒性和收敛速度。进一步，针对水声

3、信道的时变、空变衰落特点，采用空域分集接收。在不影响通信数据率的前提下，提高了系统鲁棒性。1判决反馈均衡器技术判决反馈均衡器是非线性的，由一个前馈横向滤波器和一个反馈横向滤波器国家自然科学基金项目的资助（61071150、F010103）中央高校基本科研业务专项资金资助（2013121023）通信作者：苏为suweixiamen@xmu.edu.cn组成，反馈横向滤波器已前达符号的判决序列作为其输入。从功能上讲，通过反馈滤波器从当前估计值中除去了前达码元的干扰，适用于复杂的水声信道环境。但水声信道是一个双扩展信道，不仅具有多途效应，还有多普勒时变效应。为此，Stojanovic提出了内嵌数

4、字锁相环的判决反馈均衡结构，如图1所示。图1内嵌数字锁相环的判决反馈均衡器结构框图将前馈和反馈滤波器的权值分别表示为及，则前馈滤波器的输出表示为(1-1)反馈滤波器的输出表示为(1-2)式中，，为符号判决的输出。符号判决器的输入表示为(1-3)均衡器输出与参考序列间的误差为(1-4)在采用LMS算法时前馈滤波器权值更新为(1-5)反馈滤波器的权值更新式为(1-6)接收信号先通过前馈滤波器得到，采用数字锁相环对的相位进行补偿。(1-7)式中，是对当前载波相位偏离的估计值。符号估计值与训练序列的误差表示为(1-8)对均方误差求导得(1-9)令，由下式迭代得到对载波相位差的估计值(1-10)式中

5、，为载波相位的更新步长。为增强载波跟踪能力，可进一步采用二阶锁相环，对应的载波相位迭代公式为(1-11)多途传播造成的频率选择性衰落（随时间、空间变化）是高速相干水声通信的一大难题，单通道处理往往有所不足。多通道判决反馈均衡器如图2所示。利用了水声信道的空变特性，对抗时、空变衰落，提高通信的鲁棒性。图2多通道判决反馈均衡器结构图但该技术对均衡器阶数、权系数初值（及）以及迭代步长敏感的缺点。因此，我们对低信噪比下精确的信道估计技术进行了研究，以信道估计结果设计均衡器前馈、反馈阶数和均衡器初值，提高了系统鲁棒性。2稀疏水声信道估计技术研究中采用稀疏信道估计技术，将信道估计结果变换后作为权值的初

6、值。为提高信道估计的准确性，采用循环前缀技术（CP：cyclicprefix），信号结构如图3。信道估计信号连续发送两次，以利于信道估计。其中CP的作用是使信道由线性卷积转化为循环卷积，以利用于频域处理，对信道变化进行跟踪。图3发送信号帧结构去CP后，信道估计段接收信号表示为(2-1)式中为信道估计序列，为接收序列，为信道冲击响应采样值。去循环前缀后，传统的频域信道估计的结果为(2-2)式中为的DFT变换，为的DFT变换。显然，采用式2-2得到的信道估计结果的长度与数据块的长度相等，为N点。令表示信道冲激响应中非零元素（或小于某一常量）得个数。由于水声信道是稀疏的，一般来说有N>>b。可见

7、，传统频域信道估计方法没有利用水声信道的稀疏性。将式2-1改写为（2-3）由于本身具有稀疏性，该问题可采用匹配追踪和最优化方法求解。研究中基于MP思想，我们提出了一种低复杂度的DAMP稀疏信道估计算法。利用估计结果，我们即可对均衡器阶数、初始权值和迭代步长进行最优设计，提高收敛速度，降低均衡器复杂度。3实验结果在厦门港10km距离高速水声通信实验。实验位置处于厦门港航道中，接收端相对发送端更靠近大陆（岛屿）。该海域水深在