多径效应下水声通信波特间隔均衡算法*

孙　波　王　睿

(92763部队装备部　大连　116041)



多径效应下水声通信波特间隔均衡算法*

孙波王睿

(92763部队装备部大连116041)

摘要在水下航行器水声通信中,由于水声信道的快速时变衰落特性导致多径效应,通信信道难以均衡。对多径效应下的水声通信信道进行均衡设计,改善通信环境和质量。传统方法采用分块均衡算法,对待发送的通信信号进行分块处理,这一过程中可能导致分块不均和非线性失真,信道均衡效果不好。提出一种基于波特间隔均衡的多径效应下水声通信信道均衡算法。分析了水声通信信道的特性和信道均衡原理,建立一个时变衰落、多径和加性干扰的水声信道模模型,在自适应均衡算法的基础上,引入波特间隔均衡技术,实现水声通信信道均衡算法的改进。仿真结果表明,采用该算法能有效实现水下航行器水声通信的信道均衡,提高输出信噪比,降低通信误码率,展示了较好的应用价值。

关键词水下航行器; 水声通信; 信道均衡; 波特间隔

Potter Interval Equalization Algorithm for Underwater Acoustic Communication

SUN BoWANG Rui

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

AbstractIn underwater acoustic communication, because of the fast time varying fading of underwater acoustic channel, the multipath effect is difficult to be balanced. A balanced design of underwater acoustic communication channel is carried out to improve the communication environment and quality. In the traditional method, the block equalization algorithm is used to deal with the transmitted signal, which may lead to uneven and nonlinear distortion. The channel equalization effect is not good. A channel equalization algorithm for underwater acoustic communication based on Potter’s space equalization is proposed. Underwater acoustic communication channel characteristics and channel equalization theory are analyzed, and establish a time-varying fading, multipath and interference of underwater acoustic channel model, in the adaptive equalization algorithm based on, baud spaced equalization technology is introduced, to achieve the improvement of channel equalization algorithm of underwater acoustic communication. The simulation results show that the proposed algorithm can effectively achieve the channel equalization of underwater vehicle underwater acoustic communication, improve the output SNR and reduce the communication error rate, and show the good application value.

Key Wordsunderwater vehicle, underwater acoustic communication, channel equalization, potter interval

Class NumberTN929.3

1引言

现代通信是采用信号传输和数据编码方式实现信息传递和交流的方式。在水下航行器水声通信中,水下航行器通常处于深水区,需要进行深水通信,深水环境下的水声通信通常为一种扩展频谱通信,简称扩频通信。它是用编码及调制的方法进行信息解调、解扩,把通信信号扩展成很宽的频带,对扩展的信号频谱进行分析,在水声信号发射端对通信信号进行扩频码序列生成,在接收端用同样的码进恢复所传信息数据的通信方式。扩频通信在北斗卫星导航、对潜通信、水声长波通信等领域具有较为广阔的应用前景[1]。对水下航行器的水声通信是利用声波在海水里传播实现的,这种通信技术是扩频通信的一种,在水声通信中,由于水声信道的快速时变衰落特性导致多径效应,通信信道难以均衡。研究水声通信的信道均衡算法在改善通信质量,提高通信信噪比方面具有重要的意义[1]。

水声信道是一个典型的时变多途衰落信道,具有多径结构,水声信道的多径结构复杂,时间压缩性能的敏感性较强,需要具有较好的抗多径干扰的能力。多径信号到达接收端,由于利用了伪随机码的相关特性,只要多径时延大于一个伪随机码的切谱宽度,则通过相关处理后,可消除这种多径干扰的影响,甚至还可以利用这些多径干扰的能量,提高系统的信噪比,改善系统的性能[2～4]。为了保证水声通信的质量,需要尽可能地降低通信误码率,但是由于多径结构的影响,信道均衡性能不好,需要进行改进设计。传统方法采用分块均衡算法,对待发送的通信信号进行分块处理,这一过程中可能导致分块不均和非线性失真,信道均衡效果不好[5～7]。为了克服传统方法的弊端,本文提出一种基于波特间隔均衡的多径效应下水声通信信道均衡算法。首先分析了水声通信信道的特性和信道均衡原理,建立水声信道模型,在自适应均衡的基础上,引入波特间隔均衡技术,实现水声通信信道均衡算法的改进,最后通过仿真实验进行了性能验证,验证了本文算法在实现水下航行器水声通信信道均衡,提高输出信噪比方面的优越性,得出了有效性结论,展示了较好的应用价值。

2水声通信的传播特性及信道模型构建

2.1水下航行器水声通信的传播特性

图1　水声信道中的声场示意图

本文研究水声通信信道均衡技术,需要首先给出水下航行器水声通信的传播特性,为进行算法设计提供理论和模型基础,水声通信技术诞生于20世纪中叶[8],水声通信包括了浅海通信和对潜通信等技术,主要用于潜艇之间的通信。由于水下航行器水声通信通常采用扩频通信技术,扩频通信的优点是抗干扰能力强,因此,本文以扩频通信为研究对象,假设水声通信信道中带宽的截面积为S1,海水对声信号接收的声道长度为D。水声信道中的声场示意图如图1所示。

图1中,水声信道中的声场为缓慢时变、空变的相干多途信道[9],由于带宽受限的影响,得到水声通信的多普勒频移为

pi=piaej(wt-kx),vi=viaej(wt-kx)

(1)

其中,k=w/c,c0为水声信道的介质声速。多普勒频移造成浅海水声信道的多径效应,多径效应起始于x=D处,表示为

pt=ptaej[wt-k(x-l)],vt=vtaej[wt-k(x-l)]

(2)

对高速水声通信系统,在x=0与x=D处,海水对声信号的吸收速度连续条件得:

pia+p1ra=p2ta+p2ra

S1(via+v1ra)=S2(v2ta+v2ra)

p2tae-jkD+p2raejkD=pta

S2(v2tae-jkD+v2raejkD)=S1vta

(3)

将海洋水声信道模拟为是平面波,并在同一介质中进行声场传播,传播损失为

制定具体的急救护理流程以及风险管理体系，规范护理流程，对护理人员实行相应的急救流程以风险管理培训，落实具体的防范措施；院前接诊治疗要采取常规方式，接诊前要对患者的病情评估以及预先性的处理。首先将胸痛患者划分高危型胸痛和非高危型胸痛。患者资料需要在5分钟内获取，同时保障资料的准确性，对患者进行详细的体格检查。对于辅助检查，除了心电图检查以外，还需要对患者实行其他相应的检查，例如血常规、血生化、血气分析、心肌坏死标志物、D-二聚体以及胸部X线、血管CT、心超等检查，必要时行胸腹部CT增强或磁共振增强检查。

(4)

通过拷贝相关法和脉冲相关法可以推出在x=D处的透射波与x=0处的入射波的海洋水声信道多径幅值之比:

(5)

式中:

(6)

不同水域的信道状况下,进一步可得多径效应小的水声通信透射波与入射波衰减幅值之比,即水声通信的声强衰减系数为

(7)

可以看出水声通信的声强衰减与声场的面积比有关,还与水声信道的相干多途长度D与声波的波长之比有关,即kD=2πD/λ。当kD=(2n-1)π/2,即D=(2n-1)λ/4,相干多径信道的波长为码元速率的奇数倍时,n=1,2…,各路径与直达路径之间的夹角达到极小值:

(8)

通过上述分析,描述了水下航行器水声通信的传播特性,得到多径效应下的水声通信信道通信信号传输投影图如图2所示。

图2　多径效应下的水声通信信道通信信号传输投影图

在上述水下航行器水声通信的传播特性描述的基础上,构建水声信道模型,根据本文研究的水下航行器水声通信的特点,需要建立时变衰落、多径和加性干扰的水声信道模型[10]。

水声信道的多径结构取决于海底的地形,假设水听器节点由N=2P个阵元组成,构成波特间隔均衡的阵列,间隔距离平均分布为d,水声通信系统的信号接收模型为

(9)

其中,si(t)为水下航行器水声通信信号在多径信道分量中第i个波特率,xm(t)为阵元m接收的信源矢量宽度,水声信道模型表达为

(10)

其中,an(t)是第n条路径上的水声衰减传播损失,τn(t)为第n条多径路径上的信源的波长,通过横向时域滤波进行转换,得到水声信道模型结构如图3所示。

图3　水下航行器水声信道模型结构

3波特间隔信道均衡算法改进

由于水声信道的快速时变衰落特性导致多径效应,通信信道难以均衡。对多径效应下的水声通信信道进行均衡设计,改善通信环境和质量。传统方法采用分块均衡算法,对待发送的通信信号进行分块处理,这一过程中可能导致分块不均和非线性失真,信道均衡效果不好。为了克服传统算法的弊端,本文提出一种基于波特间隔均衡的多径效应下水声通信信道均衡算法。假设海水的声速c0=1500m/s,当声波从水中斜入射到通信信道中,纵波声速为

cL=6100m/sc0=1500m/s

(11)

在水声通信中,反射波中仅有纵波传播则:

θiL=0.2484rad=14.24°

(12)

通过横向时域滤波进行转换得到各条路径的相位偏移:

x(t)=As(t)ri+n(t)θi

(13)

式中,ri,θi分别为码元速率fs与直达路径之间的夹角,水听器阵列流行向量中的第i个近场源的冲击响应可以表示为:

(14)

(15)

波特间隔均衡器对输入信号以码率即波特率进行采样,采用自适应均衡器进行信道均衡的抽头间隔自适应调整,得到波特间隔均衡的频率响应:

(16)

其中,ck为均衡器抽头系数,N为信号采集数量,P为补偿了接收信号中的信道畸变特征,另外,T′=MT/N。对来自电磁波和相干信号的干扰因素进行混叠补偿:

(17)

采用波特间隔均衡,完成了匹配滤波器和波特间隔均衡器的共同作用,均衡后的频谱方位信息为

a(θi,ri)=[exp(j[(-P+1)γi+(-P+1)2φi]),

exp(j[(-P+2)γi+(-P+2)2φi]),

(18)

模拟信号频谱为X(f),采样信号频谱为YT′(f),采用波特间隔均衡技术进行变步长修正,采用FSE补偿了接收信号中的信道畸变,得到通信系统输出为

(19)

(20)

根据上述参量估计结果,以瞬时量代替统计平均量,采用匹配滤波器和一个T间隔抽头的均衡器,以构成一个最好的自适应匹配滤波器,实现比特间隔信道均衡。根据上述设计,本文提出的波特间隔均衡器(FSE)的结构示意图如图4所示。

图4　水声信道波特间隔均衡器(FSE)的结构示意图

4仿真实验与性能测试

为了测试本文算法在进行多径效应下水声通信的信道均衡改善中的性能,进行仿真实验。实验环境为Intel Corei530,1G内存的Windows 7系统,仿真软件为Matlab 7.0,水下航行器水声通信信号频带分别为3kHz～5kHz、2kHz～4kHz、4kHz～8kHz、5kHz～10kHz,水下航行器水声阵列传感器进行数据采集中,水听器的收发端距离为4.7km,采集信号通过A/D采用得到一组单频脉冲信号,信号的带宽为3899Hz～4210Hz,时宽为1s,采样频率为50kHz。水声通信的单频脉冲信号为s(t)=exp(j2πf0t),通信信道模型中,信道的码元速率为1kBaud,通信信号的载波频率为3kHz,采用每三个周期的载波波形表示一个码元,得到水下航行器水声通信系统在多径信道模型下的信号波形如图5所示。

图5　多径信道模型下的信号波形

对上述多径信道模型下的信号波形进行波特间隔均衡处理,得到不同多径时延信道下的码元宽度如图6所示。从图可见,采用本文算法能有效实现信道均衡,信号幅值有的很小或是接近于零,起到了波特间隔均衡的效果。

为了进一步验证本文算法性能,计算波特间隔的DFE的学习曲线,得到结果如图7所示,从图可见,采用本文算法具有较好的学习收敛性能,提高了水声通信的抗干扰能力,定量分析可知,采用本文算法,相比传统算法,输出信号的信噪比提高了13dB,误码率降低3.65%,展示了优越性能。

图6　波特间隔均衡输出

图7　学习曲线分析

5结语

水声信道是一个典型的时变多途衰落信道,具有多径结构,水声信道的多径结构复杂,时间压缩性能的敏感性较强,由于水声信道的快速时变衰落特性导致多径效应,通信信道难以均衡。对多径效应下的水声通信信道进行均衡设计,改善通信环境和质量。本文提出一种基于波特间隔均衡的多径效应下水声通信信道均衡算法。在自适应均衡的

基础上,引入波特间隔均衡技术,实现水声通信信道均衡算法的改进,研究结果表明,采用本文算法能有效实现对多径效应下的水声通信信道均衡,提高输出信噪比,降低通信误码率。

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] 袁永,段奇智,张毅,等.油井数据采集及高效DLL函数数据传输性能实现[J].计算机与数字工程,2013,41(10):1628-1631.

[3] 孙志.卫星信道判决反馈模糊控制多模盲均衡算法[J].科技通报,2014,30(8):173-175.

[4] 程艳合,杨文革.压缩域直扩测控通信信号伪码跟踪方法研究[J].电子与信息学报,2015,37(8):2028-2032.

[5] 余晓东,雷英杰,岳韶华,等.基于粒子群优化的直觉模糊核聚类算法研究[J].通信学报,2015,(5):78-84.

[6] 梁华东,韩江洪.采用双谱多类小波包特征的雷达信号聚类分选[J].光子学报,2014,43(3):158-165.

[7] 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.

[8] 侯森,罗兴国,宋克.基于信息源聚类的最大熵加权信任分析算法[J].电子学报,2015,43(5):993-999.

[9] 王瑞,马艳.基于分数阶傅里叶变换的线性调频脉冲信号波达方向估计[J].兵工学报,2014,35(3):421-427.

[10] 焦义文,王元钦,马宏,等.群时延失真对天线组阵合成信噪比的影响分析[J].信号处理2015,31(2)145-153.

中图分类号TN929.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.034

作者简介:孙波,男,工程师,研究方向:通信与信息系统。王睿,男,工程师,研究方向:对潜水声通信。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月29日