基于码内干扰抑制的短波通信信道均衡算法

邸珩烨

摘 要：短波通信中，由于波特率采样混叠会造成码内干扰，影响信道均衡。为此，文中提出了一种基于码内干扰抑制的短波通信波特间隔信道均衡算法。该算法将构建短波通信信道模型，并设计码内干扰抑制算法，同时基于前向滤波和反向滤波设计波特间隔均衡器，以实现短波通信信道的波特间隔信道均衡算法改进。仿真实验结果表明，采用该算法能有效抑制短波通信的码内干扰，改善通信质量，均衡性能较好，可有效降低通信码元的误码率。

关键词：短波通信；波特率；信道均衡；抑制算法

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

短波通信技术是通信工程领域的重要分支，无论是在军事防卫领域还是在民事领域，短波通信都有着广阔的发展前景。短波通信是波长在100～10 m之间，频率范围3～30MHz的一种无线电通信技术。短波通信广泛应用在飞行导航、雷达控制、无线电传输和遥感探测等领域。短波通信发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，通信距离较远，是远程通信的主要手段[1]。短波通信中，由于波特率采样混叠会造成码内干扰，影响信道均衡，因而需要进行码内干扰抑制和信道均衡设计，研究短波通信的信道均衡算法在提高通信性能方面具有重要意义。传统方法主要采用的是匹配滤波方法抑制信道畸变，以实现信道均衡，但不能有效抑制因为波特率采样造成的混叠效应产生的码内干扰[2]。针对这一问题，本文提出了一种基于码内干扰抑制的短波通信波特间隔信道均衡算法，并通过算法设计和仿真实验，展示了本文算法的优越性能，提高了短波通信质量。

1 短波通信信道模型构建和码内干扰抑制算法

1.1 短波通信信道模型构建

为了实现短波通信信道均衡，需要首先进行信道模型构建，短波通信信道复杂，短波信道的多径结构取决于无线电传输频率和空间增益[3]，得到短波通信信道模型表达为：

（1）

其中，an（t）是第n条路径上冲激响应特性，τn（t）为第n条路径的传播延时，fc为信道码间干扰频率，sl（t）为需要短波传输的信息。信道对信号的畸变将更加的严重，基于自适应均衡设计进行通信信号调制解调，对经过多径信道和噪声污染后的信号进行解调，假定信道的冲激响应是宽平稳（WSS）随机过程，即满足：

（2）

假定不同时延（路径）的短波通信信号的幅度和相位值不相关（US， Uncorrelated Scattering）[4]，声通信然后PS等待一段时间T，发射信息信号S（t），根据声线理论，计算出接收机处的本征声线，可得到短波多径信道的脉冲响应为：

（3）

其中ai和τi分别是对应于不同路径（即不同的本征声线）的传播衰减系数，由于在短波通信信道中，无线电电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，离散多径信道中的每条径可看作是大量散射成分共同作用的结果，所以短波通信的稳定性较差，本文提取通信信号的脉冲响应为：

（4）

其中，τ为时延，α为码元速率，进而得到WSSUS信道的自相关函数可表示为：

（5）

采用旁瓣波束形成算法进行信号功率放大。并由此实现短波通信信道的模型构建，从而为进行信道均衡算法设计奠定基础。

1.2 码内干扰抑制算法

短波通信中由于波特率采样混叠造成码内干扰，影响信道均衡，本文设计码内干扰抑制算法，信道冲击响应可以表示为：

（6）

无线电通信信道为一个时变多途衰落信道，信道多径分量存在相位偏移，由该信道传输后的接收信号加入多径分量的相位偏移，使均衡器的频率特性等于信道频率特性的逆，得到码内干扰下的信道冲击响应输出为：

（7）

假设输入信号s（t）的带宽为W，在输入端周期性地发送超过信道脉冲响应长度的数据训练序列，根据抽样定理，其等效低通信号可以表示为：

（8）

其中，B=W/2为等效基带信号带宽，采样间隔T=1/2B=1/W。通过上述分析，从而间接获得信道的宽带特性，这样就可以消除码内干扰。

2 短波通信波特间隔信道均衡算法改进实现

在上述进行码内干扰抑制的基础上，本文提出了一种基于码内干扰抑制的短波通信波特间隔信道均衡算法，由于无线通信信道存在着严重的码内干扰现象，采用波特间隔均衡器对通信信号进行最佳采样，在多径信道中，等价于匹配滤波器后跟随一个最佳采样符号，输出等效低通信号为：

（9）

短波通信信道对于信号产生的相位偏移作用会产生多径效应，在短波通信信道中，波特间隔多径分量达到对于所有的ω，等于一个码元宽度，即|V（ejω）|=1，而采用PSK技术可使短波通信的波特检测均衡调制总是保持最佳的状态，可见，本文设计的波特间隔信道均衡表现为一种时变特性和均衡特性，每一条路经的衰减具有时变自相关特性，自相关函数为：

（10）

式中，WT为最佳分数间隔。通过上述算法可设计一个以码元速率取样为T的波特间隔均衡器，包括两个抽头延迟滤波器：一个是前向滤波器（FFF），另一个是反向滤波器（FBF）[5]，其结构框图如图1所示。

图1 波特间隔均衡器

结合图1分析可见，采用本文方法，充分利用有限的短波通信信道带宽和空间冲激响应，通过码内干扰抑制，可实现波特间隔信道均衡。

3 仿真实验与结果分析

为了验证本文算法在提高短波通信信道均衡性能方面的优越性，进行仿真实验。实验平台建立在Matlab 7仿真软件的基础上，仿真信号为BPSK调制信号，由于BPSK调制信号具有多径时变宽带特征，所以可以作为短波通信系统的仿真信号，短波通信中码元速率为1 kBaud，短波通信载波频率为3kHz，信号采样频率为10倍载波频率。构建短波通信的信道模型，设定码内干扰幅度为-2～10 dB，得到在短波通信多径信道中的通信信号模型如图2所示。

图2 短波通信信号波形

根据上述信号采样，以不同多径时延信道下的BPSK 信号波为实验样本，进行短波通信仿真，分别在码元1/3和2/3处进行抽样，前馈滤波器阶数为24，采样本文方法进行码内干扰抑制，最后实现短波通信信号输出，为了对比算法性能，分析传统PTS-Clipping信道均衡算法和本文算法进行短波通信的误码率BER随信噪比的变化，得出的仿真结果如图3所示。从图可见，采用本文算法，通过信道码内干扰抑制，使得在采用本文的误码率比传统方法有大幅度的降低，随着码内干扰进一步抑制，信噪比ω的不断增大，误码率降低为0，从而展示了本文算法在改善短波通信性能方面的优越性能。

图3 短波通信误码率性能分析

4 结 语

本文研究了短波通信的信道均衡问题，提出了一种基于码内干扰抑制的短波通信波特间隔信道均衡算法，该算法首先进行短波通信信道模型构建和码内干扰抑制算法设计，然后设计波特间隔均衡器，再实现短波通信信道的波特间隔信道均衡算法改进，仿真实验结果表明，采用本文算法能有效抑制短波通信的码内干扰，改善通信质量，均衡性能较好，可有效降低通信码元的误码率。

参考文献

[1]赵威.基于鱼雷自导的舰船尾流回波模型建立方法[J].舰船电子工程，2013，33（4）：81-83.

[2]乔莹，贺玉成，周林.新型信道自适应编码协作体制[J].计算机应用， 2015， 35（5）： 1218-1223.

[3]石鑫，周勇，胡光波.基于信号峰脊陡变调制的雷达测距算法[J].物联网技术，2015，5（4）：12-14.

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[5]胡香娟.可见光通信中LED失真负信号消波抑制算法[J].科技通报，2014，30（8）：143-145.