水声通信系统中双向turbo均衡算法

提出了一种水声通信系统中直接自适应双向turbo均衡算法。摒弃了信道估计步骤,采用基于直接自适应的turbo均衡器,并利用内嵌数字锁相环的判决反馈均衡器结构跟踪时变信道,采用最速优化算法自适应调整迭代步长,使得收敛速度和算法性能得到很好折中。此外,利用最小均方误差准则,得到最优权重因子,对正向与反向turbo均衡结果加权求和,消除误差传播效应。仿真和湖上实验验证了方法的正确性,双向均衡的性能优于单向均衡。湖上实验结果表明,基于直接自适应算法相比于基于信道估计的算法,对时变信道不敏感,能获得更低的误比特率。     

相干水声通信系统中均衡器长度设计方法

基于自适应均衡技术的相干通信被证明是有效的水声通信方式之一。在均衡器设计过程中,确定均衡长度的方法主要是经验确定与搜索算法,前者依赖于特定的环境,后者一般计算量较大。本文提出一种应用于相干水声通信系统的根据信道冲激响应确定均衡长度的设计方法。仿真及试验结果证明了该方法可以有效地提高通信的可靠性。     

浅海环境中的时间反转多用户水声通信

在无线电通信中,多用户通信可以采用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或者码分多址(CDMA)技术来实现,在水声通信中,信道的多途传播特性带来的空间差异,提供了另外的多用户通信手段。时间反转(或相位共轭)技术,能够实现对空间中指定点的聚焦接收和多途压缩,它为空间位置不同的多个用户提供了相互独立的通信通道,能够很好地克服用户之间的同道干扰(CI)。本文在垂直阵接收的基础上,利用时间反转技术来实现不同用户在同一信道中的同时通信,结合带锁相环的自适应判决反馈均衡技术来消除残余的多途码间干扰,并进行了初步的海上试验,实现了两个不同深度上用户的同时通信。     

水声通信近似L0范数约束的BP网络均衡器*

针对稀疏水声信道的长时延扩展及梯度下降的权值迭代方案导致的神经网络均衡器收敛速度慢的问题,提出了近似L₀范数约束的BP神经网络均衡器。首先在传统BP网络均衡器基础上增加判决反馈项,然后在代价函数中对均衡器输入层到隐含层的权值增加L₀范数约束,构造新的代价函数,利用高斯族函数近似L₀范数约束,并根据不同隐层神经元节点输出权值的L₂范数设定近似参数。仿真结果表明,稀疏信道条件下,本方法相比传统的BP网络均衡器收敛速度更快,误码率更低,可以有效提升神经网络均衡器的性能。     

一种水声信道均衡器的混合算法

水声高速相干通信中使用自适应均衡对抗信道在接收信号中产生的码间串扰。目前,1/2分数间隔采样的判决反馈均衡器结构得到了广泛的应用。本文分析了几种自适应算法在此种均衡器结构下的性能,结合浅海水声信道的特点,提出了一种快速卡尔曼滤波和快速自优化最小均方的混合算法,模拟及海试结果表明,该混合算法在计算复杂度、收敛速度以及稳定性方面都有很好的性能,已经应用到了水声实时高速通信系统当中。     

水声通信技术综述

文章介绍了水声学中的基础研究领域水下声传播影响因素和研究进展,分析了海洋环境因素对水下声传播的影响机理,给出了不同类型海域以及不同季节的水下声传播特征。文章还列举了目前水下声传播研究的热点问题：水下三维声传播和复杂海洋环境下的水下声传播不确定性研究,并阐述了它在目标探测研究中的应用。最后文章着重讨论了水下声传播的重要应用之一——自适应匹配场处理技术。     

水声信道线性均衡的研究

本文在对LMS和稀疏权自适应均衡算法进行分析的基础上，将其引入到水声数据传输中，利用LMS算法对时不变信道和慢变信道进行了仿真实验；利用稀疏权自适应均衡算法对深海信道进行了仿真实验，并获得了仿真结果。     

UMFSK水声通信技术研究

在MFSK基础上,本文提出了UMFSK信道编码方法。采用窄带调频和跳频调制技术,故在一定程度上抑制了由多途效应引起的码内/码间干扰;提出了基于UMFSK的实时信道标校技术,可对信道进行稳键均衡,抗信道多途引起的码内干扰。进行了湖试,取得了试验数据并进行了数据分析。分析表明：UMFSK可抑制码元相消干涉引起的码内干扰,其效果随码元调频带宽的增大而变好;信道标校技术可对信道进行稳键均衡,并由于结构简单,可做到实时实现。基于UMFSK的误码率为10^-3（通信带宽2kHz,速率100-150bps)。     

块稀疏水声信道的改进压缩感知估计

压缩感知信道估计可利用信道稀疏特性提高估计性能,但对于具有典型块稀疏分布的水声信道,经典的l₀或l₁范数无法很好地描述块稀疏特性。利用水声信道块稀疏分布规律特性提出一种能够识别块稀疏结构的块稀疏似零范数,并在稀疏恢复信道估计算法中引入块稀疏似零范数约束项,进一步推导了复数域块稀疏似零范数恢复迭代算法,该算法通过对块稀疏似零范数进行梯度下降迭代并将梯度解投影至解空间来获得水声信道的块稀疏似零范数估计。数值仿真和海上水声通信实验结果表明该算法相对经典的稀疏信道估计算法有较明显的性能改善。通过算法推导、仿真和实验可获取结论:利用水声信道的块稀疏特性进行压缩感知重构可有效提高信道估计性能。     

水声通信低复杂度最大似然联合均衡译码方法

现有Turbo均衡采用迭代联合均衡译码结构,这一迭代过程在信噪比高于某一门限后才能产生正向的迭代增益,当信道码间干扰较为严重或者采用高阶调制方式时,该信噪比门限较高;同时,现有Turbo均衡的性能还受限于其交织器长度,故当码块长度较短时,其性能并不理想。针对以上问题,提出了一种基于Spinal码的联合均衡译码方法。首先,该方法采用非迭代的最大似然联合均衡译码结构,有效避免了Turbo均衡迭代结构所带来的信噪比门限高问题;其次,该方法采用信息混合能力更强的Spinal码,有助于提高码块长度受限时的误码率性能;最后,该方法利用Spinal码可以有效增加相似信息序列间汉明距离的特点,将联合均衡译码时间复杂度降低为仅随信息序列长度与信道响应长度呈线性增长,解决了本方法难以实际应用于实时水声通信的难题。在抚仙湖湖试中,同样实现速率为3.34kbps数据通信,该方法的误码率优于Turbo均衡方法两个数量级以上。时变水声信道下的仿真以及湖试结果表明,该方法在码长受限的情况下仍在复杂水声信道中表现出更好性能,其所需的最低输入信噪比显著低于现有Turbo均衡方法。     

水声通信中基于信道辨识的盲turbo均衡方法

水声信道多途效应明显,造成接收信号存在严重的码间干扰(ISI,Intersymbol interference)。基于最小均方误差(MMSE,Minimum mean square error)准则的turbo均衡器级联了均衡和信道译码,能够有效去除ISI,并获得优良的性能。由于水声信道的时变性,传统MMSE-turbo均衡需要周期性的训练序列,以实现连续可靠的通信。训练序列虽然提高了通信的可靠性,但降低了信息的有效传输速率。因此,为提高通信效率,本文提出了一种盲turbo均衡方法,该方法通过引入新的盲信道辨识器来同时获得信道估计响应和已去除部分ISI的初步均衡输出信号,并为turbo均衡提供初始的响应参数和比特软信息。与水声通信中应用较多的盲判决反馈均衡器(DFE,Decision feedback equalizer)相比,海上实验结果证明本文提出的盲turbo均衡方法抗信道多途衰落的能力较强,并且与传统MMSE-turbo均衡相比无需训练序列,因此提高了信息的有效传输速率。     

Experimental assessment of a multicarrier underwater acoustic communication system

This paper presents a multicarrier communication system which transmits information on independent subcarriers to achieve an increased data rate. For this system, a passive-phase conjugation (PPC) based receiver structure is assessed by processing data collected in sea trials. Based on temporal diversity (pulse compression) exploited by PPC processing, an adaptive multichannel decision feedback equalizer is used to remove intersymbol interference, where spatial diversity is exploited by adaptive multichannel combination. The digital phase-locked loop (DPLL) technique is implemented for carrier-phase tracking. In the scenario of low input signal-to-noise ratios (SNRs), the receiver structure achieved superior performance using a common DPLL. In a depth-fluctuated environment, two sea experiments were conducted over ranges of 2 km and 4 km, respectively, and this communication system was assessed with a data rate of 4 kbps. In terms of mean square error, output SNR and bit error rate, this receiver structure has demonstrated its performance for the multicarrier communication system.     

Adaptive and efficient nonlinear channel equalization for underwater acoustic communication

We investigate underwater acoustic (UWA) channel equalization and introduce hierarchical and adaptive nonlinear (piecewise linear) channel equalization algorithms that are highly efficient and provide significantly improved bit error rate (BER) performance. Due to the high complexity of conventional nonlinear equalizers and poor performance of linear ones, to equalize highly difficult underwater acoustic channels, we employ piecewise linear equalizers. However, in order to achieve the performance of the best piecewise linear model, we use a tree structure to hierarchically partition the space of the received signal. Furthermore, the equalization algorithm should be completely adaptive, since due to the highly non-stationary nature of the underwater medium, the optimal mean squared error (MSE) equalizer as well as the best piecewise linear equalizer changes in time. To this end, we introduce an adaptive piecewise linear equalization algorithm that not only adapts the linear equalizer at each region but also learns the complete hierarchical structure with a computational complexity only polynomial in the number of nodes of the tree. Furthermore, our algorithm is constructed to directly minimize the final squared error without introducing any ad-hoc parameters. We demonstrate the performance of our algorithms through highly realistic experiments performed on practical field data as well as accurately simulated underwater acoustic channels.     

单载波频域均衡中的水声信道频域响应与噪声估计

本文对单载波频域均衡(SC-FDE)中的信道和噪声估计进行研究,理论分析了形成误码率平台的可能原因,提出了基于Chu序列的联合信道时频域响应和噪声功率估计算法.利用水声信道响应的稀疏特性和门限确定信道能量集中区域,进行信道估计的去噪处理和噪声功率计算.借助于水声射线模型对所提出的算法进行了仿真,分析了噪声估计对SC-FDE性能的重要影响.仿真结果表明,所提出的信道和噪声估计算法可以有效减缓或消除SC-FDE中的误码率平台.     

近程高速水声毫米波通信仿真与试验验证*

水声信道的严重双扩特性极大地限制了水声高速通信的稳健性。针对近程高速水声通信技术的需求,该文基于水声毫米波频段,提出了一种基于超奈奎斯特发射技术及高阶调制技术的单载波的水声毫米波通信技术。而超奈奎斯特发射技术以及高阶调制给接收机带来了极大的挑战:一是超奈奎斯特发射技术引入了严重的符号间干扰,二是高阶调制系统的符号检测对信道估计的精度要求很高。针对以上问题,该文提出了一种基于迭代信道估计技术的迭代软反馈DFE接收机技术。仿真实验表明:采用128QAM高阶调制时,在较为严重的多途衰落信道条件下,采用所提出的接收机可以在15 dB时实现无误码传输。信道水池试验证明:当通信带宽为300 kHz,通信符号率为300k符号/秒且采用64QAM调制时,在发射平台慢速运动的条件下可以实现900 kbps的净数据率,其相应的频谱利用率高达6 Bits/s/Hz。     

接近非相干水声通信信道容量的信号处理算法

恶劣情况下的非相干水声通信信道模型为随机相位Rayleigh衰落,推导了该模型的信道容量曲线。为实现接近非相干信道容量的可靠通信,提出多进制低密度校验码(LDPC)和恒重码级联码的多进制非相干概率域迭代处理算法。在信道幅度和相位完全未知的情况下,根据矩估计得到信号和噪声频点幅度的统计参量,进而得到恒重码的码字后验概率,再对多进制LDPC码进行因子图迭代译码。仿真证明本算法与现有的最大能量检测非迭代译码算法相比,与信道容量曲线的差距从4.5dB缩小至1.5dB。给出了实际海试湖试通信效果,频段为6~10kHz,数据速率为357bps,海试时近似垂直通信距离为5km,湖试时水平通信距离近3km、多径超过50mS,两种情况下无差错通信的信噪比门限为2dB,验证了本算法的优势。