基于时镜反转的深水对潜通信抗干扰算法*

2016-03-15孙波王睿

舰船电子工程 2016年2期

关键词：抗干扰滤波

孙　波　王　睿

(92763部队装备部　大连　116041)

基于时镜反转的深水对潜通信抗干扰算法*

孙波王睿

(92763部队装备部大连116041)

摘要深水对潜通信表现为一种扩展频谱通信,在接收端对通信信号进行扩频码序列生成过程中容易产生码间干扰,需要进行码间干扰抑制,降低比特序列接收的误码率。传统方法采用时频聚焦滤波算法进行码间干扰滤波,由于对潜通信信号时频特征具有非线性,导致干扰滤除性能不好。提出一种基于被动时镜反转的深水对潜通信码间干扰抑制算法。构建深水对潜通信的扩频信道模型和通信信号模型,采用时镜反转技术实现对信道的有效估计,调整通信信息传输中接收阵元的多径分量,将干扰信号分解成正信号和时镜反转负信号,再进行符号拼接,实现多径信号的时间压缩,并获得了聚焦增益,消除了码间干扰。仿真结果表明,采用该算法进行深水对潜通信抗干扰滤波,能有效提高对潜通信系统输出冲激响应的聚焦性能,降低通信误比特率。

关键词被动时镜反转; 对潜通信; 抗干扰; 滤波

Anti Interference Algorithm for Deep Water Submarine Communication Based on Time Reversal Mirror Inversion

SUN BoWANG Rui

(Equipment Department, No. 92763 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractDeepwater submarine communication is a spread spectrum communication. Inner symbol interference can be genetrated in the process of spread spectrum code sequence generation at the recieving end, which needs to suppress inner symbol interference and reduce the bit error rate of the recieved bit sequence. In the traditional method, the time-frequency focusing filtering algorithm is used to filter inter-code interference. Because of the nonlinearity of the time-frequency characteristics of the secondary communication signal, the filtering performance is not good. A suppression algorithm for the interference suppression of the deep water to the submarine communication is proposed based on the passive mirror inversion. Deepwater submarine communication spread spectrum channel model and a communication signal model are constructed, the mirror reversal technology is used to achieve efficient estimation of the channel, and the communication information transmission receiving array element of the multipath components are adjusted to decompose the interference signals into signal and time reversal mirror negative signal, and then sign splicing, multipath signal compression to get the focusing gain and eliminate inter symbol interference(ISI). The simulation results show that the proposed algorithm can improve the focusing performance of the potential communication system and reduce the bit error rate.

Key Wordspassive mirror inversion, submarine communication, anti interference, filtering

Class NumberTN911

1引言

深水对潜扩频通信通常处于复杂电磁干扰环境下,在干扰环境下构建无线通信系统,实现深水对潜通信,这种通信方式按照波长划分为长波通信[1],长波通信受到的信道码间干扰较为严重,当前方法主要采用普通噪声分离对噪声干扰进行抑制,对于高信噪比的干扰具有一定的抑制,但对于强干扰环境下,效果提升并不理想[2～3]。对此,相关文献进行了算法改进设计,其中,文献[4]提出一种基于Hilbert变换和时频分析的长波扩频通信干扰滤波抑制算法,采用时频分析方法提取通信信号的时频特征实现空间增益聚焦,提高系统的抗干扰性,但是该算法计算量较大,实现较为困难;文献[5]提出一种基于反镜PTRM级联均衡的扩频通信信道均衡和码间干扰抑制算法,可以一定程度上消除残余信号的码间干扰,具有较好的抑制干扰的效果,但该算法在低信噪比下的收敛性不好,需要进行改进设计。分析传统方法可见,当前方法主要是采用时频聚焦滤波算法进行码间干扰滤波,由于对潜通信信号时频特征具有非线性,导致滤除性能不好[6～10]。

针对上述问题,本文提出一种基于被动时镜反转的深水对潜通信码间干扰抑制算法。首先构建深水对潜通信的扩频信道模型和通信信号模型,采用被动时镜反转方法进行码间干扰滤波设计,设计级联自适应均衡器实现信道均衡,改善了通信质量,降低通信的误码率,仿真实验进行了性能验证,展示了本文算法在进行深水对潜通信抗干扰滤波中的优越性能。

2深水对潜通信的信道模型和信号模型构建

2.1问题的提出及深水对潜通信的信道模型

深水对潜扩频通信的信道为带宽受限信道,为了实现对潜通信的调制解调,采用编码及调制的方法实现独立码序列的信道时间扩展,在研究深水对潜扩频通信系统的信道均衡和抗干扰设计之前,需要首先给出深水对潜扩频通信的通信系统和信道模型。在深水对潜扩频通信系统中,频带的扩展是通过一个独立的码序列完成,在通信信道中,假设每个发射源信号的丰度都小于预设值,而依据直扩系统判断码间干扰是否存在,得到一个唯一的单一统计点。根据上述分析,构建深水对潜扩频通信系统组成框图如图1所示。

图1　深水对潜扩频通信系统组成框图

结合图1分析可见,深水对潜扩频通信中多径信道模型采用BPSK调制码元的分布设计,存在码间干扰和非线性失真,本文采用时镜反转技术(passive time reversal mirror,PTRM)进行改进设计,通过PTRM技术实现对信道的有效估计,对得到的估计信息进行参数自适应调制,调整通信信息传输中接收阵元的多径分量。首先构建对潜通信的水声信道模型,海水介质是一种不均匀的非理想介质,在一定的水域,声到远处某一点时衰减的大小为

TL=n·10lgr+αr

(1)

式(1)中,TL为深水对潜通信信道传播损失(dB),n为传播因子,r为衰减声强,a为水声散射系数(dB/km);水对潜扩频通信过程中,由于扩展损失随距离变远而增加,通过探测信号对水声信道进行估计,然后根据估计出的信道信息,假设通信系统的输入初始码元为C0=CN/2=0、CN-n=Cn*,n=0,1,2,…,N/2-1,信道信息功率为

CIC滤波器是一种基于零极点相消的FIR滤波器,经常运用于高速抽取系统中。对于CIC滤波器和FIR滤波器,Altera 公司提供抽取率可变且参数可配置的IP核,通过MATLAB中的FDATOOL滤波器设计工具,将滤波器的原型参数设计好,然后根据这些参数进行滤波器的IP核参数配置。本文采用IP核设计的方式可有效缩短开发周期。

(2)

水声信道为缓慢时变、空变的相干多途信道,采用Hession矩阵判断扩频信号的时间压缩性能,为

(3)

式(3)中,λS为采样时刻同相位叠加训练长度,p2D为非有限带宽下的深水对潜通信信道聚焦增益,传播损失可由不同精度的射线模型来预测,得到水声信道的子载波表达为

(4)

式(4)中,Dis(A)表示扩展损失,Dis(B)表示通信的码间干扰。从时域看,根据不同的传播条件,n取不同的数值,码间干扰在通信信道中进行偏移向量纠正,衰减损失得到均衡处理,计算直线传播球面波的扩展损失,表达式为

(5)

由于吸收和散射引起的传播损失经常同时存在,利用PTRM的时间压缩和空间聚焦特性,可以有效地重组多径信号、拟制码间干扰,得到通信信道子载波间的正交性相关频谱,系统函数的特征传递函数为

(6)

经过FFT处理实现信号的时频分解,由此实现了深水对潜扩频通信的信道模型构建,系统结构如图2所示。

图2　深水对潜扩频通信的信道模型

2.2通信信号模型及干扰模拟

将深水对潜扩频通信信号分解为正信号和负信号,构建通信信号模型,深水对潜扩频通信的脉冲响应

(7)

式(7)中,ai(t)为对潜扩频通信各路径的归一化幅度,τi(t)为时间延迟,Nm为通信信道路径的条数。对接收阵元中的多径分量进行调整,实现多径分量的重构,得到深水对潜通信的OFDM信号为

(8)

(9)

利用相位驻定原理,引入限幅噪声,求出盲源分离的分离点后,需要对盲源分离的系统进行信噪分离权值调整,以确保得到一个完整的源信号,选择加权系数

(10)

3对潜通信抗干扰算法改进实现

3.1被动时镜反转技术的提出

分析上述信道模型和通信信号模型可见,在深水对潜通信过程中,在接收端对通信信号进行扩频码序列生成过程中容易产生码间干扰,需要进行码间干扰抑制,降低比特序列接收的误码率。对此,本文提出一种基于被动时镜反转的深水对潜通信码间干扰抑制算法。PTRM技术可以分为主动和被动两种方式,其分类依据是根据时间反转镜是否需要收发合置来确定。对于主动式时间反转镜来说,它可以将海洋等传输信道看作为一个匹配滤波器。由于信号两次在海洋等信道中进行传输互易,其通信的等待时间有所增加,导致了通信效率的降低。在通信过程中是采用的双向传输,收发合置的要求较高。发射功率不得不增加,同时系统的复杂性被提高。在时反镜PTRM后面级联自适应均衡器,其效果优于仅用时反镜要有所提高和改进。对此,本文采用被动时镜反转技术进行干扰滤波和信道均衡设计。

3.2算法实现

在上述通信信道模型中,调整通信信息传输中接收阵元的多径分量,探测信号对水声信道进行估计,根据估计出的信道信息对接收阵元中的多径分量进行调整,采用PTRM技术,发射阵元首先发射p(t),采用单周控制方法,得到同时刻同相位叠加的通信信号的负信号消波幅度表示为

(11)

(12)

pri(t)=p(t)*hi(t)+npi(t)

(13)

(14)

r(t)=r′(t)*p(t)

=S(t)*p(-t)*δ(t)*p(t)+n(t)

≅S(t)*δ(t)+n(t)

(15)

式中n(t)=n1(t)*p(t)为噪声干扰项,由此可以通过被动时镜反转,进行码间干扰失真单周控制方法,实现对潜通信干扰抑制,提高通信系统的空间增益,实现信道均衡。最后,设计级联自适应均衡器实现信道均衡,算法实现流程框图如图3所示。

图3　算法实现框图

4仿真实验与结果分析

为了测试本文算法在实现深水对潜通信中码间干扰抑制性能,进行仿真实验。仿真中需要得出不同处理增益下的PTRM直扩系统的均衡性能,并结合DS系统具有较强的抗多径干扰的能力,在海试中,给出连续五个1s时间点对应的水声监测信道,水声探测信号采用频带为3kHz～15kHz、时宽为4ms的线性调频信号。以此为仿真场景,构建了PTRM直扩仿真通信系统。对PTRM分别结合DS、DS、PTRM三种系统进行仿真研究,且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。通信信号的采样时间间隔为0.02s,前向跟踪或后向估计时的相对镜像平移速度为6m/s,尺度因子为0.9656,通过计算得到接收到的探测信号的码间干扰混叠矩阵为

(16)

根据上述参数设定和模型构建,进行深水对潜通信的抗干扰仿真实验,得出通信信号的时间序列波形如图4所示。

图4　通信信号的时间序列波形

以上述通信信号为研究样本,进行抗干扰滤波设计,得到被动时镜反转抗干扰处理后的对潜通信系统输出冲激响应频谱如图5所示,从图可见,采用本文算法能有效实现对潜通信的码间干扰抑制,输出频谱具有较好的空间增益和聚焦性能。

图5　对潜通信系统输出冲激响应频谱

为了进一步定量分析本文算法在改善通信质量方面的性能,采用误比特率(Bit error rate,BER)为测试指标,采用100000次蒙特卡洛实验,得到不同算法下在不同信噪比SNR误比特率对比结果如图6所示,从图可见,采用本文算法,通过PTRM进行抗干扰设计,降低了通信误比特率,性能得到改善。

图6　误比特率对比

5结语

深水对潜扩频通信通常处于复杂电磁干扰环境下,在接收端对通信信号进行扩频码序列生成过程中容易产生码间干扰,需要进行码间干扰抑制,本文提出一种基于被动时镜反转的深水对潜通信码间干扰抑制算法。首先构建深水对潜通信的扩频信道模型和通信信号模型,采用被动时镜反转方法进行码间干扰滤波设计,设计级联自适应均衡器实现信道均衡,改善了通信质量,降低通信的误码率。仿真结果表明,采用本文算法具有较好的抗干扰性能,对潜通信的误比特率比传统方法得到明显降低。

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中图分类号TN911