水声通信加权反馈双向Turb均衡器

为了提升自适应双向Turbo均衡器的收敛速度及降低误比特率,提出了采用加权反馈的双向Turbo均衡算法。首先在单个均衡器反馈输入中采用后验均值与先验均值混合的反馈方案,有效提升一轮迭代中均衡器输出的准确性;其次通过后验均值与先验均值的加权合并作为另一均衡器反馈的非因果项输入,在提升反馈输入准确性的同时提升了数据的利用率;最后在权值迭代中采用优化的比例归一化最小均方算法,提升训练阶段均衡器收敛速度。千岛湖试验中,在同样3.75 kbps通信速率的情况下,该方法误比特率仅为传统双向Turbo均衡器的1/3。仿真和试验数据表明,均衡器要达到同样的误比特率,本方法所需迭代轮数更少,在时变信道中系统稳定性更好,误比特率更低,提升了水声通信效率。     

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。     

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。     

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)。     

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。     

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。     

相干水声通信幅相加权空间分集均衡算法

水声信道的典型特点为多普勒频移严重、可利用带宽窄以及强多径干扰。空间分集均衡技术是相干水声通信中克服信道多径干扰,消除码间干扰的一种有效手段。为了极大化地输出阵增益,结合无源相位共轭方法和多通道均衡算法,本文设计了组合信噪干比的全新信道评价方法。利用改进的Sigmoid函数对各通道接收信号的幅度进行加权处理;采用二阶锁相环跟踪各通道信号的相位变化,实现各通道信号同相累加。将各通道低通滤波后的信号能量归一化,采用了分数阶-判决反馈分集均衡器,加入各通道权重系数实现了水声通信系统的分集均衡接收。仿真结果和湖试数据处理结果均表明,优化的幅相加权分集均衡接收算法能抵消多径和噪声的干扰,性能优于等增益合并接收算法。湖试数据处理结果误码率降低了1.8%。     

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.     

OFDM水声通信系统中基于中继选择的资源分配算法

针对水声通信中继系统中系统容量和中继选择问题,本文提出了一种基于中继选择的资源分配算法。首先将每条中继链路的信道增益等效为虚拟直传链路的信道增益,然后在等功率分配的前提下,根据信道信息最佳原则,提出了一种中继选择及资源分配的多用户迭代算法,以实现对每个用户的传输链路进行选择和子载波分配,最后通过线性迭代注水算法进行功率分配。仿真结果表明,所提算法在保证目标速率的前提下,提升了系统容量。     

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.     

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。     

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.     

最大似然参数估计水声通信帧同步技术研究

水声通信中传统帧同步方法仅仅依赖于匹配滤波输出的相关系数,在复杂信道条件下,容易出现误触发和漏同步。针对这一问题,分析了水声信道中噪声、多普勒和多径对帧同步的影响,提出了一种基于参数估计的帧同步方法.在同步过程中引入参数估计,将信号参数作为检测判决依据,以降低误触发率和漏检率;同时对最大似然估计算法进行适当简化,以降低实现复杂度。计算机仿真实验验证了新的帧同步方法相对于传统方法在定时精度和相关系数方面的优势。实际水声通信实验结果表明,无论是静止平台还是移动平台之间的通信,新的帧同步方法均能有效提高匹配滤波器输出的相关系数,提升接收机检测能力,从而避免出现误触发和漏同步。     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,基于扩频序列优良的相关特性,提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端,根据输入信息对基本波形进行循环移位编码;在接收端,利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究,在15 km距离,2 kHz带宽内,总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计