基于分数间隔均衡的水声通信信道优化技术∗

赵云冬

（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

1 引言

水声通信是通过水下传输信道实现声呐信号、水下传感信号和水下探测脉冲信号传输的通信系统，水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式。水声通信设备包括舰艇用水声通信机、水下通信浮标、水下应急通信设备等，水声通信在水下探测、水下目标识别和水下目标跟踪等领域具有广泛的应用价值［1］。然而，在水声通信信息传输过程中，在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，导致水声通信容易出现多途效应，信号能量的衰减较大，水声信号传输的保真性不好，且水声通信信道的多径干扰和多途效应使得水声通信系统的信道均衡性不好，水声通信传输的信息不完整，传输性能稳定性差，需要进行水声通信信道的优化设计，提高水声通信质量，研究水声通信信道均衡设计方法在优化水声通信系统设计中具有重要的应用价值，相关的算法研究和系统设计受到人们的极大关注［2］。

水声通信信道受到海水介质的多途效应的影响，容易产生码间干扰，导致通信信道失衡，需要进行信道均衡设计，当前，对水声通信信道均衡器的设计方法主要有判决反馈均衡算法、LMS均衡算法、分集均衡算法等［3-5］，在有码间干扰的信道进行数据检测，通过上述均衡算法进行信道扩频和抗干扰设计，提高信道均衡能力，提高通信质量，其中，文献［6］中提出一种基于判决反馈自相干匹配的水声通信均衡算法，均衡器由一个前馈滤波器和一个反馈滤波器组成，该均衡算法优点是消除ISI的同时不会扩大噪声增益，但该方法不能有效抑制水声信道的多径干扰，导致水声通信系统的抗干扰能力不强。文献［7］中研究了PTRM与DS结合的信道扩频算法进行水声通信的均衡设计，构建了PTRM直扩仿真通信系统，并针对DS、DS、PTRM三种情况下的水声通信系统进行了研究，统计出了在不同信噪比、不同处理增益下三种系统的误码率情况，有效降低了输出误比特率，但该系统存在码间干扰失真，在低信噪比下通信性能不好。

针对上述问题，本文提出一种基于分数间隔均衡的水声通信信道优化技术，首先构造水声信道的冲激响应模型，加入多径分量的相位偏移进行通信码间干扰抑制，设计可调滤波器消除多径干扰，然后采用自适应分数间隔均衡算法进行信道均衡器设计，采用二进制伪随机序列修正滤波器系数以对信道做出反馈补偿，实现信道均衡设计。最后进行了水声通信仿真实验分析，得出有效性结论，展示了本文方法在提高水声通信信道均衡性和通信质量方面的优越性能。

2 水声通信信道特征和冲激响应模型

2.1 水声信道模型

水声通信信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，采用IEEE802.3EFM通信协议设计，在标准的通信信道中进行高数据率的信息传输和分配。水声信道是有限带宽的，带宽受限主要原因是海水对声信号的吸收导致信道产生多途和多径效应，本文研究的水声信道模型为一个时变衰落、多径和加性干扰的水声信道模型，在带宽受距离的约束作用下，进行水声通信系统的载频频率编码设计，根据宽带多普勒特性［8］，得到水声通信信道的传递函数为

其中，H表示信号能量损失；M是扩展损失，K(m)是第m多传输信道中的传播因子，αmk是第n个水声通信信道中第k条路径的声能量衰减，Tm是波尔兹曼常数，τmk是信道中传输增益。

在等效低通信道中，采用动态补偿技术进行水声通信信号的码间干扰滤波处理，得到滤波输出的信号模型为

以离散多径情况为例，对水声通信系统的输出信号进行数学描述，可以设定噪声影响判决门限γ，当＜γ时表示输出信号存在码间干扰，当≥γ时表示码间干扰得到有效抑制，根据上述分析，得到水声通信信道的信号传递模型如图1所示。

图1 水声通信信道传输模型

由图1得知，在进行水声通信中，通过调整均衡器参数（权重），在输出端设计抽样判决反馈均衡器，提高水声通信系统的跟踪信道变化的能力，使均衡器的频率特性等于信道频率特性的逆，从而减少码间干扰的影响。

2.2 水声通信信道冲激响应模型

根据水声信道的时变衰落、多径和加性干扰等特性，构造水声信道的冲激响应模型，进行信道均衡设计，本文采用分数间隔均衡设计方法，通过直接校正畸变波形，提高均衡后输出通信信号的频域特性，使得通信时延等于相-频特性曲线的斜率，根据上述原理，得到水声通信信道均衡原理如图2所示。

图2 水声通信信道均衡原理

根据图2所示的水声通信信道均衡原理，采用最小均方误差（LMS）准则进行均衡器设计，间接获得信道的特性，对输出的OFDM信号进行限幅处理［9］，得到输出的本征波为

其中，s为水声通信系统输入的码元比特序列，p为接收信号的传播延时，对水声信道的时变多径特性进行数学描述［10］。

3 信道均衡器设计及通信优化

3.1 水声通信的多径干扰抑制

在上述构造了水声信道的冲激响应模型和信道特性分析的基础上，进行水声通信信道均衡优化设计，本文提出一种基于分数间隔均衡（Fractional⁃ly Spaced Equalizer，FSE）的水声通信信道优化技术。加入多径分量的相位偏移进行通信码间干扰抑制，得到信道模型的传播时间和传播损失的关系描述为

其中，τ为接收信号的衰减因子，α为传输码元速率。采用直接序列扩频方法进行通信信道的均衡设计，得到直接序列扩频处理后信道冲激响应函数描述为

为了提高水声通信信道解调器输入端的信干比，可将 y=β*x的卷积形式其改写为矩阵乘积的形式，并进行信道扩频，得到

其中，X为x的扩频序列分解矩阵，即X={x |xz-1}T。采用T 2抽头间隔的均衡器，得到分数间隔均衡器的频率响应表示为

其中ck为均衡器抽头系数，T'=MT/N，超出奈奎斯特频率以外的至频率为 f=N MT，且：

通过上述处理，在波特率采样造成的混叠效应之前，通过分数间隔均衡设计，实现多径干扰抑制。

3.2 分数间隔均衡算法

在浅海信道中进行水声通信存在着严重的码内干扰现象，传统的信道均衡算法MMSE-BSE采用基于符号间隔采样方法进行信道均衡设计，符号间隔均衡器将放大该频率点处的噪声，从而引起均衡器性能下降，对此，本文采用分数间隔均衡算法，在通信信号的接受终端插入一个可调滤波器消除多径干扰，在均衡之前用匹配滤波器进行信道畸变抑制，得到分数间隔均衡器设计框图如图3所示。

图3 分数间隔均衡器设计框图

通常，FSE的抽头间隔为MT/N，其中M 和N为整数，且M＜N，输入的水声通信信号经过分数间隔均衡器均衡后的频谱可以用如下公式表示：

在均衡器优化设计的基础上，进行水声通信系统信道优化处理，以谱密度F(β，X)来评价水声通信信道分配的传递系数，由 β=[β1，β2]表示信道中的码间干扰序列分布向量，当每条多径到达的时间延迟与信号频带相同时，本地产生的伪随机序列c'(t)与输出端的信号处理增益产生空间聚焦，通过非线性相位调制得到通信终端恢复信号输出向量y=βX，在一个脉冲宽度内，采用二进制伪随机序列修正滤波器系数以对信道做出反馈补偿，得到水声通信信号输出的幅频特征F(β，X)定义为

式中，yτ=βXτ为水声通信信号 y在时刻τ的调频值，Xτ=[xτ，xτ-1，xτ-2，…，xτ-(N-1)]T，表示在单组脉冲宽度内的输出权向量，y͂i和 yˉi分别为水声通信信道上、下变频的调频带宽，分别为

式中，λS，λL为较大的初始迭代步长及冲激响应因子（0≤λS≤1，0≤λL≤1），且信道传输码元速率为 λ=2-1/h，hL＞＞hs（一般为100倍以上），把相位扩频技术与分数间隔均衡器结合使用，充分利用了分数间隔均衡器对定时误差不敏感性，从而降低输出码元的误比特率，改善通信质量。

4 仿真实验与性能分析

为了测试本文方法实现水声通信信道均衡优化中性能，进行仿真实验，实验建立在Matlab仿真软件上。为了便于仿真，实验中水声通信系统的传输信号采用BPSK调制载波信号模拟，其中水声通信信号的采用频率为12.5KHz，载频信号为一组频率为12KHz的正弦信号，水声通信系统抽样判决器的调制频率范围8kHz～12kHz，在水声通信系统的信号发射端，由DSP控制开关功放完成信号发射，用磁带机采集数据，采样率为48kHz，多径幅度参数（1，0.5，-0.3，0.15，-0.15），多径时延参数为（0，1.3，2.5，3.6，4.9），水声通信调制信号的码元速率为1kBaud，扩频带宽为3kHz，均衡器的滤波级数r=20，直接序列扩频的长度N=1048575，根据上述仿真环境和参量设定，进行水声通信仿真实验，实验中输入到水声通信系统的信号包括直达信号、多径干扰以及海洋混响噪声，如图4所示。

图4 输入的水声信号及干扰分量

由图4得知，原始水声信号受到多径和混响干扰，导致水声通信传输的效果不好，信号的输出误码率较高，保真度不好，将图4的信号输入到本文设计的水声通信系统中，进行信道均衡处理，得到输出的基带信号、未均衡的基带信号、均衡输出基带信号、码元误差期望输出如图5所示。

图5 水声通信信道均衡输出

分析图5得知，采用本文方法进行水声通信信道均衡处理后，均衡器的输出信号和标准的基带信号匹配度较高，均衡器处理后的误码为5码元，误码率为0.98%。图6给出了收敛性曲线，分析图6结果得知，本文方法进行水声通信的收敛性较好，能在迭代步长为0.01的情况下快速收敛，使得输出的码元误比特率快速收敛到0，提高了通信系统的抗干扰能力。

图6 收敛性学习曲线

图7 误码率对比结果

最后，为了对比算法性能，采用本文方法和传统的波特间隔均衡方法，进行水声通信性能对比，测试输出的误码率，其中，干扰信噪比为-10dB～10dB，得到结果如图7所示，分析图7得知，用本文方法进行水声信道均衡处理后，输出的误码率明显低于传统方法，性能优越。

5 结语

本文研究了水声通信系统优化问题，水声通信受到海洋混响干扰，容易产生码间干扰，导致通信信道失衡，本文提出一种基于分数间隔均衡的水声通信信道优化技术，构造水声信道的冲激响应模型，加入多径分量的相位偏移进行通信码间干扰抑制，在通信信号的接受终端插入一个可调滤波器消除多径干扰，采用自适应分数间隔均衡算法进行信道均衡器设计，采用二进制伪随机序列修正滤波器系数以对信道做出反馈补偿，实现信道均衡设计。研究结果表明，采用本文方法进行水声通信信道均衡设计，通信系统输出的码元保真度较高，抗多径干扰能力较强，降低了通信系统的输出误码率，改善了水声通信质量，在水声通信优化设计中具有很好的应用价值。

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