激光聲通信的信道盲均衡方法探究范文

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摘要：為有效克服水聲信道的多徑效應(yīng)給激光聲通信帶來(lái)的碼間干擾，采用信道盲均衡方法對(duì)碼間干擾進(jìn)行抑制。基于激光致聲的基本理論和盲均衡技術(shù)的基本原理，采用Sato算法對(duì)頻率調(diào)制的激光聲信號(hào)進(jìn)行均衡處理，仿真結(jié)果表明：激光聲經(jīng)過(guò)Sato盲均衡處理后，碼間干擾明顯減弱，有效提高了通信的可靠性；隨著算法迭代次數(shù)的增加，均衡器的均方誤差迅速減小，最后收斂于一個(gè)較低的水平，Sato盲均衡可有效提高激光聲通信的性能。

關(guān)鍵詞：激光聲通信；盲均衡；碼間干擾

0引言

激光與液體介質(zhì)相互作用可以激發(fā)聲波，形成的聲源稱(chēng)為激光聲。作為一種新的水下聲源激發(fā)方式，它具有激發(fā)方式機(jī)動(dòng)靈活、頻譜寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。激光聲通信是指利用激光聲實(shí)現(xiàn)空中平臺(tái)與水下目標(biāo)之間的通信。激光聲通信具有通信機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)合了空中和水下兩種最佳的信道物理場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)空中與水下目標(biāo)間的通信開(kāi)辟了一條新的技術(shù)途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。水聲信道的多徑干擾會(huì)使通信的誤碼率增大，從而影響通信性能。若要保證較高的通信速率而不增大碼間干擾，需要對(duì)碼間干擾現(xiàn)象進(jìn)行抑制。信道均衡技術(shù)正是一種通過(guò)匹配信道的多途結(jié)構(gòu)，從而抑制其對(duì)通信信號(hào)影響的接收信號(hào)處理技術(shù)[3-4]。本文基于激光致聲的理論，采用Sato算法對(duì)調(diào)制激光聲信號(hào)進(jìn)行盲均衡處理，通過(guò)數(shù)值仿真表明Sato均衡處理可有效抑制碼間干擾、提高通信性能。

1激光致聲基本理論

激光在液體中激發(fā)聲波效應(yīng)的機(jī)理很多，與釋放到物質(zhì)中的能量體積密度和釋放的方式有關(guān)。主要機(jī)理有熱膨脹和光擊穿等，可分別利用線性理論和非線性理論描述。本文關(guān)注的是熱膨脹機(jī)制。熱膨脹機(jī)制是基于液體介質(zhì)吸收激光能量而發(fā)生體積膨脹從而產(chǎn)生聲波，其光聲轉(zhuǎn)化效率低于0.01%，但產(chǎn)生的聲波信號(hào)最穩(wěn)定。激光激發(fā)水下熱膨脹聲波可用以下方程描述：22221,,,ppHxyztpctCt(1)式中：p為聲壓，c為水下聲速，為體膨脹系數(shù)，Cp為水的比熱，H(x,y,z,t)為單位時(shí)間吸收并轉(zhuǎn)化為熱量的電磁能量密度。文獻(xiàn)[5]給出了聲壓的頻域表達(dá)式：22022222222cos,,2cos+sinexp4jkrpAIaecPrCrcaIc(2)該式進(jìn)行傅立葉反變換可得時(shí)域的聲壓信號(hào)。通過(guò)控制激光脈沖的載頻或激光脈沖重頻就可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的頻率調(diào)制，從而產(chǎn)生FSK信號(hào)。調(diào)頻的熱膨脹聲信號(hào)經(jīng)水聲信道傳輸后的波形及頻譜。

2盲均衡的基本原理

熱膨脹調(diào)制激光致聲通信碼元寬度在毫秒級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸速率較高。在水聲信道中，隨機(jī)時(shí)變的信道對(duì)信號(hào)的影響較大，若采用盲均衡技術(shù)，不依靠重復(fù)發(fā)送的訓(xùn)練序列，可以保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)時(shí)的跟蹤信道的參數(shù)變化狀態(tài)，保持高可靠性傳輸。盲均衡是一種以盲的或自恢復(fù)的形式進(jìn)行均衡的自適應(yīng)算法的總稱(chēng)，可通過(guò)自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)，通常稱(chēng)這種自適應(yīng)濾波器為盲均衡器[7-8]，它們完全不用輸入準(zhǔn)確的期望信號(hào)，濾波器的輸出仍然在滿(mǎn)足某種誤差范圍內(nèi)與輸入信號(hào)相等。本文采用Sato算法對(duì)調(diào)制激光聲信號(hào)進(jìn)行盲均衡處理sgn為無(wú)記憶非線性估計(jì)器，其中：10sgn10zzz(3)常數(shù)為均衡器的增益，定義為：2ExnExn(4)對(duì)于Sato算法盲均衡器，采用線性橫向均衡器結(jié)構(gòu)，并且采用自適應(yīng)算法來(lái)更新均衡器的抽頭權(quán)值。假設(shè)均衡器有M個(gè)抽頭，其中第i個(gè)的權(quán)值為wi(n)，由圖2有：10Miiynˆwnuni(5)均衡器的輸出為非線性估計(jì)器的輸入，即ˆxnsgnyn(6)由估計(jì)器輸出序列和均衡器的輸出序列形成的誤差信號(hào)序列為：enˆxnyn(7)均衡器的第i個(gè)抽頭權(quán)值在第n步為：0ˆ1ˆiiwnwnunien(8)其中0為迭代步長(zhǎng)。

3結(jié)果分析

作為一種自適應(yīng)均衡算法，Sato盲均衡算法的迭代步長(zhǎng)的選擇對(duì)均衡算法的收斂性能有很大的影響。迭代步長(zhǎng)越大，均衡算法的收斂到穩(wěn)態(tài)的速度越快；然而較大的迭代步長(zhǎng)可能造成均衡算法的不收斂。迭代步長(zhǎng)選取條件為：20trR(9)式中R是均衡器輸入序列un的M階（M為抽頭個(gè)數(shù)）的相關(guān)矩陣，trR代表矩陣R的跡。也可利用近似求法：trRMr0(10)式中r(0)為矩陣R主對(duì)角線上的任一元素。由此，在仿真實(shí)驗(yàn)中，均衡器的抽頭個(gè)數(shù)選為M=50，信道的信噪比為20dB。根據(jù)式(9)、式(10)，將均衡器的迭代步長(zhǎng)設(shè)為=0.002。根據(jù)以上均衡條件，將長(zhǎng)度為10000的隨機(jī)二進(jìn)制序列通過(guò)水聲信道，在接收端構(gòu)建一個(gè)Sato盲均衡器，對(duì)信道的接收信號(hào)進(jìn)行均衡運(yùn)算。信道的輸出序列的波形。均衡器輸出的數(shù)據(jù)波形顯示了均衡自適應(yīng)迭代運(yùn)算過(guò)程。信號(hào)經(jīng)過(guò)水聲信道后，在碼間干擾和信道噪聲的影響下，信號(hào)的解調(diào)和判決具有很大的難度。看出均衡器對(duì)接收信號(hào)的處理情況。在均衡器的作用下，信道的多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)帶來(lái)的碼間干擾被逐漸削弱，均衡器大大增加了通信的可靠性。定義均衡算法的剩余均方誤差為：22HHanMSEhCfhCfff(11)式中，2為信號(hào)的方差，2n為噪聲的方差，C是信道卷積矩陣，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，f為均衡器卷積矩陣，h為信道和均衡器的合成信道的卷積矩陣。由式（11）繪出Sato算法下均衡器的均方誤差收斂曲線。在Sato自適應(yīng)均衡算法下，隨著迭代次數(shù)的增加，均衡器的均方誤差很快減小，最后處于一個(gè)較低水平的穩(wěn)定狀態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于激光致聲的理論，采用Sato算法對(duì)調(diào)制激光聲信號(hào)進(jìn)行盲均衡處理，通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)信道均衡后的結(jié)果進(jìn)行了分析，可得出以下結(jié)論：激光聲信號(hào)經(jīng)過(guò)Sato盲均衡處理后，碼間干擾明顯減弱，有效增加了通信的可靠性；隨著算法迭代次數(shù)的增加，均衡器的均方誤差迅速減小，最后收斂于一個(gè)較低的水平，可見(jiàn)Sato盲均衡可有效提高激光聲通信的性能。

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作者:費(fèi)志剛 彭水 陳寶柱 單位:91388部隊(duì)92分隊(duì)