基于激光声通信的信道盲均衡方法研究

2019-01-17费志刚陈宝柱

船电技术 2018年12期

费志刚，彭水，陈宝柱

基于激光声通信的信道盲均衡方法研究

费志刚，彭水，陈宝柱

（91388部队92分队，广东湛江 524022）

为有效克服水声信道的多径效应给激光声通信带来的码间干扰，采用信道盲均衡方法对码间干扰进行抑制。基于激光致声的基本理论和盲均衡技术的基本原理，采用Sato算法对频率调制的激光声信号进行均衡处理，仿真结果表明：激光声经过Sato盲均衡处理后，码间干扰明显减弱，有效提高了通信的可靠性；随着算法迭代次数的增加，均衡器的均方误差迅速减小，最后收敛于一个较低的水平，Sato盲均衡可有效提高激光声通信的性能。

激光声通信盲均衡码间干扰

0 引言

激光与液体介质相互作用可以激发声波，形成的声源称为激光声。作为一种新的水下声源激发方式，它具有激发方式机动灵活、频谱宽等诸多优点。激光声通信是指利用激光声实现空中平台与水下目标之间的通信。激光声通信具有通信机动灵活、隐蔽性强等优点，且结合了空中和水下两种最佳的信道物理场，为实现空中与水下目标间的通信开辟了一条新的技术途径，具有广阔的应用前景[1-2]。

水声信道的多径干扰会使通信的误码率增大，从而影响通信性能。若要保证较高的通信速率而不增大码间干扰，需要对码间干扰现象进行抑制。信道均衡技术正是一种通过匹配信道的多途结构，从而抑制其对通信信号影响的接收信号处理技术[3-4]。本文基于激光致声的理论，采用Sato算法对调制激光声信号进行盲均衡处理，通过数值仿真表明Sato均衡处理可有效抑制码间干扰、提高通信性能。

1 激光致声基本理论

激光在液体中激发声波效应的机理很多，与释放到物质中的能量体积密度和释放的方式有关。主要机理有热膨胀和光击穿等，可分别利用线性理论和非线性理论描述。本文关注的是热膨胀机制。

热膨胀机制是基于液体介质吸收激光能量而发生体积膨胀从而产生声波，其光声转化效率低于0.01%，但产生的声波信号最稳定。激光激发水下热膨胀声波可用以下方程描述：

图1 调制热膨胀激光致声接收信号波形及频谱

该式进行傅立叶反变换可得时域的声压信号。通过控制激光脉冲的载频或激光脉冲重频就可实现对声信号的频率调制，从而产生FSK信号。调频的热膨胀声信号经水声信道传输后的波形及频谱如图1所示[6]。

2 盲均衡的基本原理

热膨胀调制激光致声通信码元宽度在毫秒级，数据传输速率较高。在水声信道中，随机时变的信道对信号的影响较大，若采用盲均衡技术，不依靠重复发送的训练序列，可以保持较高的数据传输速率，实时的跟踪信道的参数变化状态，保持高可靠性传输。盲均衡是一种以盲的或自恢复的形式进行均衡的自适应算法的总称，可通过自适应滤波器实现，通常称这种自适应滤波器为盲均衡器[7-8]，它们完全不用输入准确的期望信号，滤波器的输出仍然在满足某种误差范围内与输入信号相等。

本文采用Sato算法对调制激光声信号进行盲均衡处理，其结构如图2所示。

图2 盲均衡器的结构框图

均衡器的输出为非线性估计器的输入，即

由估计器输出序列和均衡器的输出序列形成的误差信号序列为：

3 结果分析

作为一种自适应均衡算法，Sato盲均衡算法的迭代步长的选择对均衡算法的收敛性能有很大的影响。迭代步长越大，均衡算法的收敛到稳态的速度越快；然而较大的迭代步长可能造成均衡算法的不收敛。迭代步长选取条件为：

式中(0)为矩阵R主对角线上的任一元素。由此，在仿真实验中，均衡器的抽头个数选为M=50，信道的信噪比为20 dB。根据式(9)、式(10)，将均衡器的迭代步长设为=0.002。

根据以上均衡条件，将长度为10000的随机二进制序列通过水声信道，在接收端构建一个Sato盲均衡器，对信道的接收信号进行均衡运算。信道的输出序列的波形如图3所示。均衡器输出的数据波形显示了均衡自适应迭代运算过程，如图4所示。

图3 信道输出序列

由图3可以看出信号经过水声信道后，在码间干扰和信道噪声的影响下，信号的解调和判决具有很大的难度。由图4可以看出均衡器对接收信号的处理情况。在均衡器的作用下，信道的多径效应对信号带来的码间干扰被逐渐削弱，均衡器大大增加了通信的可靠性。

图4 均衡器输出信号序列

定义均衡算法的剩余均方误差为：

式中，为信号的方差，为噪声的方差，C是信道卷积矩阵，上标H表示共轭转置运算，f为均衡器卷积矩阵，为信道和均衡器的合成信道的卷积矩阵。由式（11）绘出Sato算法下均衡器的均方误差收敛曲线如图5所示。在Sato自适应均衡算法下，随着迭代次数的增加，均衡器的均方误差很快减小，最后处于一个较低水平的稳定状态。

4 结束语

本文基于激光致声的理论，采用Sato算法对调制激光声信号进行盲均衡处理，通过数值仿真对信道均衡后的结果进行了分析，可得出以下结论：激光声信号经过Sato盲均衡处理后，码间干扰明显减弱，有效增加了通信的可靠性；随着算法迭代次数的增加，均衡器的均方误差迅速减小，最后收敛于一个较低的水平，可见Sato盲均衡可有效提高激光声通信的性能。

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Study on Equalization Algorithm Based on Opto-acoustic Underwater Communication

Fei Zhigang, Peng Shui,Chen Baozhu

(Unit of 91388, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

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