余佳超，劉文慧，蘇 為

（廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門361005）

水聲信道是時(shí)變、空變多途擴(kuò)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(shí)延擴(kuò)展可達(dá)幾十甚至幾百個(gè)碼元）、碼間干擾（inter－symbol－interference，ISI）嚴(yán)重的影響，傳統(tǒng)時(shí)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(zhǎng)初值設(shè)定影響的問(wèn)題，魯棒性差［1］.本文針對(duì)水聲信道的稀疏特點(diǎn)，采用復(fù)雜度較低的稀疏水聲信道估計(jì)算法（DAMP）估計(jì)信道［2］，在此基礎(chǔ)上設(shè)定判決反饋均衡器（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(jìn)一步，針對(duì)水聲信道的時(shí)變、空變衰落特點(diǎn)，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(gè)前饋橫向?yàn)V波器和一個(gè)反饋橫向?yàn)V波器組成，反饋橫向?yàn)V波器已前達(dá)符號(hào)的判決序列作為其輸入.從功能上講，通過(guò)反饋濾波器從當(dāng)前估計(jì)值中除去了前達(dá)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(gè)雙擴(kuò)展信道，不僅具有多途效應(yīng)，還有多普勒時(shí)變效應(yīng).為此，Stojanovic［3］提出了內(nèi)嵌數(shù)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Fig.1 The structure diagram of decision feedback equalization with digital phase－locked loop

在采用最小二乘（LMS）算法時(shí)，前饋濾波器權(quán)值更新為

反饋濾波器的權(quán)值更新式為

對(duì)均方誤差求導(dǎo)得

令ψ（n）＝Im｛p′（n）e－j＾θ（n）e＊（n）｝，由下式迭代得到對(duì)載波相位差的估計(jì)值

式中，K1為載波相位的更新步長(zhǎng).為增強(qiáng)載波跟蹤能力，可進(jìn)一步采用二階鎖相環(huán)，對(duì)應(yīng)的載波相位迭代公式為

多途傳播造成的頻率選擇性衰落（隨時(shí)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［4］.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(duì)抗時(shí)、空變衰落，提高通信的魯棒性.但該技術(shù)存在對(duì)均衡器階數(shù)、權(quán)系數(shù)初值）以及迭代步長(zhǎng)敏感的缺點(diǎn).因此，我們對(duì)低信噪比下精確的信道估計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，以信道估計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)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 DAMP

研究中采用DAMP，將信道估計(jì)結(jié)果變換后作為權(quán)值的初值［5］.為提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，采用循環(huán)前綴技術(shù)（cyclic prefix，CP），信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖3.信道估計(jì)信號(hào)連續(xù)發(fā)送2次，以利于信道估計(jì).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(duì)信道變化進(jìn)行跟蹤.

去CP后，信道估計(jì)段接收信號(hào)表示為

圖2 多通道判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of multi channel decision feedback equalization

圖3 發(fā)送信號(hào)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of sending signal frame

由于h本身具有稀疏性，該問(wèn)題可采用匹配跟蹤（MP）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(jì)算法.利用估計(jì)結(jié)果，即可對(duì)均衡器階數(shù)、初始權(quán)值和迭代步長(zhǎng)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，提高收斂速度，降低均衡器復(fù)雜度.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在廈門港10km距離高速水聲通信實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)位置處于廈門港航道中，接收端相對(duì)發(fā)送端更靠近大陸（島嶼）.該海域水深在18m左右，最深可達(dá)20m.具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境見(jiàn)表1.

同時(shí)，信號(hào)采用四相相移鍵控信號(hào)（QPSK）的調(diào)制方式，其參數(shù)見(jiàn)表2.

圖4為廈門港區(qū)典型信道估計(jì)結(jié)果.廈門港區(qū)水深接近20m，其多途達(dá)到時(shí)間集中，且存在與主徑能量接近的多途信號(hào).圖4（b）中紅色部分能量最高，藍(lán)色最低.

圖5給出單通道接收（對(duì)應(yīng)表3第4路數(shù)據(jù)）和多通道接收（對(duì)應(yīng)表3第1路數(shù)據(jù)）的均衡器均方誤差收斂曲線.圖6為單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）和單輸入多輸出系統(tǒng)（SIMO）信號(hào)均衡器輸出星座圖，圖7為SISO和SIMO信號(hào)處理后的接收端恢復(fù)的圖片.

表1 廈門港區(qū)海試實(shí)驗(yàn)環(huán)境Tab.1 The ocean experimental environment in Xiamen Harbor

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 The experimental parameters

圖4 廈門港區(qū)典型信道結(jié)構(gòu)Fig.4 The typical channel structure in Xiamen

對(duì)比圖5（a）和（b）可以看出，SISO 下，信號(hào)的均方誤差收斂速度較慢，而SIMO下，信號(hào)收斂速度明顯快很多，SIMO下有較好的魯棒性.對(duì)比圖6（a）和（b）可以看出，SISO下，均衡器輸出信噪比已經(jīng)有較為不錯(cuò)的結(jié)果，尤其是第2幀數(shù)據(jù)，該路數(shù)據(jù)誤碼率為1.46%（見(jiàn)表3）.而SIMO下，可以看出其均衡器輸出信噪比有進(jìn)一步提高，誤碼率趨近于0.可見(jiàn)SISO接收在低信噪比下采用本文方法仍然可以收斂，達(dá)到1.46%的誤碼率.但也反映出SISO易受信道時(shí)變、空變的影響，魯棒性差.而采用SIMO接收，即便部分通道性能較差，但通信的魯棒性顯著提高.

圖5 均方誤差收斂曲線Fig.5 Mean square error convergence curve

圖6 星座圖Fig.6 Constellation diagram

圖7 恢復(fù)圖片F(xiàn)ig.7 The recovered pictures

表3詳細(xì)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，第4路處理后誤碼率相對(duì)較大，故在多通道時(shí)主要針對(duì)這組數(shù)據(jù).表中未寫(xiě)出的其他路數(shù)據(jù)組合的多通道（2個(gè)通道和3個(gè)通道）處理后，誤碼率均降低到10－4數(shù)量級(jí)以下.

給出海試處理結(jié)論：1）SISO下，當(dāng)信道比較簡(jiǎn)單，信噪比較高時(shí)，可以達(dá)到0誤碼率，而當(dāng)信道相對(duì)比較復(fù)雜，信噪比較低時(shí)，其誤碼率較大；2）SIMO下，通道數(shù)較多或單通道處理時(shí)結(jié)果較好時(shí)，其誤碼率可以有效降低，其中，實(shí)驗(yàn)5誤碼率降低到0.04%以下，而其他組實(shí)驗(yàn)誤碼率均降到10－4數(shù)量級(jí)；3）對(duì)比SISO、SIMO可以看出，SIMO有更高的魯棒性，且通道數(shù)足夠多的情況下，其誤碼率可以降低到10－4數(shù)量級(jí)以下.

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤碼率Tab.3 The experimental result of SNR

4 結(jié) 論

論文針對(duì)水聲信道的稀疏特點(diǎn)，采用復(fù)雜度較低的DAMP估計(jì)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(jìn)一步，針對(duì)水聲信道的時(shí)變、空變衰落特點(diǎn)，采用空域分集接收.在不影響通信數(shù)據(jù)率的前提下，提高了通信魯棒性.進(jìn)行了多次海上實(shí)驗(yàn)，表明：在廈門港10 km距離，接收信噪比均值約為6dB的環(huán)境下，4kbit／s通信數(shù)據(jù)誤碼率均小于2%，傳輸圖片清晰.結(jié)合多通道處理，在通道數(shù)足夠多的情況下，其誤碼率可以降低到10－4數(shù)量級(jí)以下.

［1］夏夢(mèng)露.淺水起伏環(huán)境中模型－數(shù)據(jù)結(jié)合水聲信道均衡技術(shù)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［2］Xia M L，Xu W，Sun F，et al.Experimental studies of time－reversal underwater acoustic communications［C］∥Proc OCEANS 2009.Bremen，Germany：IEEE，2009：1－5.

［3］Song H C，Roux P，Hodgkiss W S，et al.Multiple－inputmultiple－output coherent time reversal communications in a shallow water acoustic channel［J］.IEEE Journal of O－ceanic Engineering，2006，31（1）：170－178.

［4］Yang T C.Correlation－based decision feedback equalizer for underwater acoustic communications［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2005，30（4）：865－880.

［5］房棟，李宇，尹力，等.水聲通信中一種聯(lián)合同步均衡的實(shí)現(xiàn)方法［J］.聲學(xué)技術(shù)，2008，27（5）：418－419.