基于UW字的单载波判决反馈均衡器水声通信研究*

朱鹤群，胡晓毅,马文翰，任 欢

(厦门大学 水声通信与海洋技术教育部重点实验室，福建 厦门 361005)

水声通信信道是一个时-空-频随机变化的信道，是所有通信信道中最为复杂的信道。抗多径干扰是高速水声通信必须解决的问题[1-3]。由于多径效应造成的深衰落，使得水声信道频率响应的谱值出现零点，从而导致线性均衡的效果较差，而利用非线性均衡技术则可以处理这种信道[4]。传统的时域均衡器，要求其阶数与信道的最大时延成正比，而水声通信中的码间干扰往往达到几十甚至几百个码元宽度，使得均衡器的运算量大幅增大。

单载波块传输技术因其克服了OFDM系统峰均比高和对频偏敏感的缺点并具有与OFDM相似的性能[5],近年来在无线通信领域受到广泛的关注[5-6]，并已成为IEEE802.16a协议的一种高速传输模式[7]。单载波系统中可以采用一种叫做独特字UW(Unique Word)的块结构,其不仅可以作为循环前缀，而且由于在频谱上均匀分布的特性，使其可以用于信道估计和均衡。针对水声信道的特性，参考文献[8]提出的时频域混合判决反馈均衡器；参考文献[9]提出的块迭代频域判决反馈均衡器和基于UW字的两种水声通信判决反馈均衡器。

1 块结构和系统模型

图1 两种基于UW字的块结构

单载波系统有两种基于UW字的块传输结构，如图1所示。其中UW Type1虽然使用了较少的UW字，但由于受到前面数据符号的干扰，势必降低信道估计的精度。而对于UW Type2,相邻的两块UW字，第一块作为第二块的循环前缀，可以吸收前面符号的干扰，而利用第二块进行信道估计，可以保证估计的精度。因此本文采用UW Type2结构。

所采用的水声单载波块传输系统框图如图2所示。

在发送端，数据经过QPSK映射后进行串并转换，再加入循环前缀，然后经过并串转换后用载波调制送入水声信道。在接收端，首先对接收到的数据进行解调，去循环前缀，然后经过FFT变换到频域进行均衡后，经IFFT变换到时域，经判决，解映射后恢复出数据。这一过程可表示为：

其中,ri(n)为接收到的数据,di(n)为第 i块发送的数据,w(n)为加入的高斯白噪声。经过水声多径信道h(n)为：

将接收到的信号变换到频域得：

其 中 ,Ri(n)=(Ri(-Ng),Ri(-Ng+1),… ，R(NFFT-1)、Di(n)、H=diag(H(-Ng),H(-Ng+1),…，H(NFFT-1))、W(n)分别为接收信号、发送信号、信道冲击响应和高斯白噪声的傅里叶变换。

2 基于UW字的时频域混合判决反馈均衡

如图3所示为时频域混合判决反馈均衡器。

对于该判决反馈均衡器，前馈部分为N个(N=NFFT)抽头的频域线性均衡器，抽头系数为:U=diag(U0,U1,…,UN-1),接收信号经过前馈滤波器输出后为：

其中F为傅里叶变换矩阵。

反馈部分为一个时域横向滤波器，抽头系数为fl(l=1,2,…,B),B为抽头个数，系统输出为：

其中f为 N×N的循环矩阵，其第一行为(0,…,0,fB,fB-1,… f1,0,…,0),将其进行特征值分解得 Λf=FfFH,其中 Λf=(n)为判决后的信号。本文在反馈部分利用已知的UW字来均衡最前面的B个数据符号。采用MMSE准则来确定均衡器的系数，即：

将式(3)、式(4)和式(5)代入式(6)后可得：

利用梯度算法可得前馈滤波器的系数：

其中,I为N×N的单位矩阵，SNR为信噪比。将式(8)代入式(7)得：

再次利用梯度算法可得B个线性方程，写成矩阵的形式为：

3 基于UW字的块迭代频域判决反馈均衡

块迭代频域判决反馈均衡器的结构框图如图4所示。

IBDFE系统第l次迭代输出为：

从上式可以看出 由信号、码间干扰、噪声三部分组成，将式(12)进一步写成：

通过使SNIR取得最大值，确定出前馈部分和反馈部分的系数分别为：

其中ρl为发送信号和判决后信号的相关系数。对于SNR本文利用UW字进行估计。

4 系统仿真及实验结果

仿真时加入的信道为基于高斯束射线跟踪的Bellhop模型所产生的多径信道。Bellhop射线模型为美国海军海洋声学实验室所采用的标准模型之一，比传统的射线模型具有更精准的计算结果[10]。信道建模时的参数为：夏天、三级海况、水深20 m、收发点水深 10 m,相距1 km。产生的信道如表1所示。单载波系统的仿真及水池实验的参数设置如表2所示。

表1 多径时延和幅度衰减

表2 单载波系统参数

图5给出了在不同信噪比下,采用图1两种块结构，信道估计的NMSE曲线。NMSE定义为：

图5 两种UW字结构的NMSE与信噪比关系曲线图

从图5可以看出，采用Type1的信道估计的性能明显比Type2的差，这与之前的分析是一致的。

图6给出了不同信噪比下，IBDFE不同迭代次数(1～4)和HDFE的误码曲线。从图中可以看出在第2次迭代时，误码性能得到了很大的改善，而之后性能的提升不是很明显。与HDFE相比，IBDFE的性能更优越，这主要是因为对于HDFE前面符号判决是否准确，直接影响到后面符号的判决，所以有可能出现错误传播导致性能下降。而对于IBDFE，通过迭代使判决后信号的精度得到提升，避免了上述情况的出现。

图6 不同均衡方法的误码率曲线图

在厦门大学通信与海洋信息技术教育部重点实验室对这两种均衡方法进行了水池实验。收发换能器吊放深度为离水面1 m，距离为3 m。由于池壁材料为陶瓷介质，对信号反射能力强，由此造成严重的多径现象。发送的数据量为20 480。表3为水池实验结果。图7为水池实验均衡前后星座图对比。

本文根据UW字结构的特点提出了两种运用于水声通信的单载波判决反馈均衡器。在理论上比较分析了这两种均衡器的性能。由于IBDFE的反馈部分是在频域进行的，使得其性能得到提升，并在仿真和水池实验中进行了验证。结果表明基于UW Type2的块迭代频域判决反馈均衡在水声通信中有良好的应用前景。

表3 水池实验结果

图7 均衡前后星座图对比

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