（水声工程专业论文）基于变结构盲均衡处理的算法研究.pdf

州j 匕t 业大学硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n s ，t h ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ec a u s e db ym u l t i p a t he f f e c t sd e c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n dt h er a t eo ft h e p r o p a g a t i o no f u n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a l s t os e t t l et h i sp r o b l e m ，a i le f f e c t i v ew a y i s a d o p t i n ga ne q u a l i z e ra t t h er e c e i v e r b u tt h et r a d i t i o n a la d a p t i v ee q u a l i z e r sn e e d p e r i o d i c a l l yr e t r a i n e d ，b e c a u s et h eu n d e r w a t e ra c o u s t i c c h a n n e li sas t o c h a s t i c t i m e v a r y i n gc h a n n e l a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a la d a p t i v ee q u a l i z e ri n c r e a s e st h e r e l i a b i l i t yo ft h ep r o p a g a t i o n ，t h er a t eo fi t i sd e c r e a s e d s ot h e ya l en o tv e r y a p p l i c a b l ei nt h ef i e l do ft h ep r o p a g a t i o no fh i g hr a t es i g n a l st h r o u g ha nu n d e r w a t e r a c o u s t i cc h a n n e l t oo v e r c o m et h ed e f e c to ft h ea d a p t i v ee q u a l i z e r s ，t h i st h e s i sd e a l w i t ht h et e c h n i q u eo ft h eb l i n de q u a l i z a t i o nt h a tn e e dn o tt h et r a i n i n gp e r i o d ，t h i s d i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e sc h a i m e lb l i n de q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa p p l i e dt o u n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n s t h em a i nc o n t r i b u t i d n sa r ea sf o l l o w s ： t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l sa sw e l la st h e i re f f e c t sa c t i n g o nt h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ea n a l y z e df r o mt h ep o i n to f v i e wo fc o m m u n i c a t i o n s ，a n dt h em o d a lo fu n d e r w a t e ra c o u s t i c m u l t i p a t h c h a n n e l sb a s e do nr a yt h e o r yi se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，b o t ht h ep r i n c i p l ea n d t h e a l g o r i t h me v a l u a t i n g c r i t e r i o no fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lb l i n d e q u a l i z a t i o na r ea l s od i s c u s s e d t h i st h e s i si n v e s t i g a t e saf e wo fb l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m st h a ta r eb r o a d l y u s e d t h e s ee q u a l i z e r s s t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i n a d d i t i o n ，i no r d e rt os p e e du pt h ec o n v e r g e n c ep r o c e s s ，am o d i f i e da p p r o a c h n a m e dv a r i a b l es t e pm u l t i m o d u l u sa l g o r i t h mf o re l i m i n a t et h ec h a n n e lr e s u l t i n g m u l t i p a t he f f e c ti sp r o p o s e d ，i tc a na d j u s ts t e pa u t o m a t i c a l l y a n dt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ea l g o r i t h m u s i n gaf r a c t i o n a l l ys p a c e dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r an o n l i n e a rc o n s t a n t m o d u l u sb l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o re q u a l i z a t i o np r o c e s s i n gi n m u l t i p a t ha c o u s t i cc h a m l e l s a n dt h i sa l g o r i t h mg e n e r a l i z e sv o l t e r r am o d a l a l g o r i t h m ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o m b a tt h ew i d e l ye x i s t i n gi s ii nu n d e r w a t e r a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n s ，a n df u r t h e r s u p p r e s s t h es e r i o u s i n t e r - s y m b o l i j q 北1 、 k 人学硕十学位论文 a b s t r a c t i n t e r f e r e n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h el e s s c o m p l e x i t ya n df a s t e r c o n v e r g e n c er a t ea r ea c h i e v e di nt h i sm e t h o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，t h ec o n v e r g e n c e p r o p e r t i e s o ft h e s ee q u a l i z e r sa p p l y i n gi nc e r t a i nu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l sa r ea n a l y z e d m a t h e m a t i c a l l yb yc o m p u t e r s i m u l a t i o n s t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o n sp r o v i d e s a t i s f a c t i o n a ir e s u l t s k e y w o r d s ： b l i n de q u a l i z a t i o n ，v a r i a b l e s t e pa l g o r i t h m ，f r a c t i o n a l l ys p a c e dd e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ，v o l t e r r ac m av a r i a b l es t r u c t u r ea l g o r i t h m p q 北i 业人学硕f 二学位论文第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 通信是通过某种媒体进行的信息传递。古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽 火报警等方式进行信息传递，到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了 无线电，固定电话、移动手机，互联网甚至可视电话等各种通信方式，其功效虽 不可同日而语，但根本任务都是要克服距离上的障碍，尽可能快速准确的传递信 息【l i 。尤其是当今世界已经进入信息时代，随着大规模和超大规模集成电路在通 信领域内的应用，以及计算机技术与通信技术的充分结合，通信已渗透到社会各 个领域，对人们日常生活和社会发展起着同益重要的作用。同时，通信领域中各 个分支均得到迅猛的发展，如无线电通信、卫星通信、移动通信、光纤通信、计 算机通信等，提高了经济的效率，深刻地改变了人类的生活方式和社会面貌。 2 l 世纪是人类向海洋进军的世纪，占地球表面积绝大部分的浩瀚水域作为人 们的宝贵资源，己经成为当今世界沿海国家和地区的重要战略目标，是近几年国 际上激烈竞争的焦点之一，吸引了许多科技工作者在水下通信领域去探索和开发 利用。水下通信是海洋探测技术的主要内容之一，是海洋高新技术研究的重点领 域，它广泛应用于对潜通信、海洋油气开发、潜水员联络、水下机器人、海底勘 测、深海打捞等方面。然而，尽管在人们生活中有大量资源依赖于海洋，人们也 希望对其进行更多的认识与开发，但是由于海水是电的导体，使得电磁波在海水 中衰减很快，相对成熟的无线电技术无法应用于海洋。 声场是水中传播最远的物理场，因此，声波是水中通信的首选媒体，水声通 信也成为人们普遍接受的水中通信方式。水声数字通信开始于8 0 年代初，非相干 检测的频移键控( f s k ) 系统得到了广泛的研究与应用。之后，随着对海洋丌发 事业的发展，利用海洋信道进行信息传输的需求大大增加，如遥测数据，水下机 器人控制水下图像，海上石油平台遥控指令，水下无缆电话，环境污染监测数 据，潜艇间通信等等。水声通信的军用和商用价值，推动了水声通信系统的迅速 发展。从9 0 年代至今，带宽利用率较高的相位相干系统闩趋成熟，使得通信速率 有了较大提高。强有力的接收机算法大大补偿了信道干扰，水声通信也已从简单 的乖亩信道转入复杂的水平信道。水声通信一。方面通过借鉴数字信号处理、无线 两北i 业大学硕十学位论文第一章绪论 电通信、移动通信、卫星通信、扩频通信以及软件无线电技术和声纳技术的成果 来满足相应的技术要求，另一方面，基于水声通信信道自身的特性，人们正在开 发新方法、新技术来满足人们对水声通信系统性能的更高要求。 本章首先介绍水声通信的发展历史和研究现状，然后从自适应均衡技术出 发，论述了研究水声信道盲均衡技术的发展状况及其应用于水声通信中的目的与 意义，并对盲均衡方法进行了概述。最后，简要介绍了本论文的研究内容。 1 2 水声通信的发展历程及研究现状 1 2 1 水声通信的发展历程 第二次世界大战以来，随着海洋开发研究的不断深入以及海洋军事地位的迅 速提高，在海洋信道中利用声波进行水下信息传播的需求大为增加，极大的激发 了人们对水下通信的研究热情。由于人们对声波在海洋中传播规律掌握的不断加 深，以及现代信号处理技术、电子技术和计算机技术的突飞猛进，水声通信技术 有了长足的发展，各种新理论、新技术、新算法不断涌现。 水下通信的历史可以追溯到1 9 0 5 年，在这一年首次采用金属导线对水上和水 下的通信联络进行了可行性实验。而水声通信最早的、也是最惹人注意的成就发 生在1 9 1 4 年。在这一年水声电报系统研制成功，并且被英国海军部安装在巡洋舰 上，这可以看作是水下数字式无线通信的雏形。从那时起，相继研制出了一些水 下信息传输及通信设备，并在军事领域有着广泛的应用。直到今天，这些水声通 信设备仍然是航空反潜和实现对潜通信所不可缺少的重要设备。但是由于技术条 件的限制，从2 0 世纪6 0 年代起的很长一段时间里，水声通信技术没有得到进一步 的发展，与电讯领域日新月异的变化相比，当前的水声通信技术和装备就显得落 伍和陈旧。从2 0 世9 7 0 年代开始，军事领域和民用领域都对水声通信技术产生了 大量的需求，这就使得水声通信进入了一个发展相对迅速的阶段。在军事领域， 随着探潜区域从沿海大陆架延伸到深水区，以及探测距离和精度的提高，要求水 声数据传输系统的传输速率更高，传输距离更远，传输误码率更低。同时，水下 武器系统的日益智能化，要求对其进行控制，例如，对潜通信，对水下航行器实 施监测和导航，以及对水雷的远程声遥控等使得水下通信技术的研究得到人们的 高度重视，水声通信技术的熏要性也| _ = ：| 益突出。在民用领域，随着渔业资源的丌 发利用，海上钻井平台和船只的应急维护，水下机器人的研制，水下资源勘探等 的发展，以及对海洋环境污染的监测等等，也都对水声通信技术提出了新的要求。 ， f i i 北l ：业人学硕士学位论文第一章绪论 从那时起，水声通信玎始取得迅速地发展。 在水声通信技术快速发展的同时，其它领域的技术，尤其是电信、电子和计 算机技术以更为迅猛的速度f 1 新月异地前进，这就极大地促进和支持了水声通信 技术的发展。所以，最近十多年来，水声通信的研究方法、实现方式以及硬件设 备等都产生了根本的变化。 1 2 2 水声通信的研究状况 随着现代化水声设备的迅速发展和数字通信技术的广泛应用，人类在海洋中 的活动越来越频繁，埘传输速率要求也就越来越高。水声高速率数据传输技术已 经成为各类水下载体、水下机器人之间及其与指挥舰船之间等信息传递的重要手 段，也是水声通信设备中的关键技术。因此，如何在水声信道中进行高数据率的 可靠传输，已经成为水声通信系统一项富有挑战性的任务。 目前在水下信息传输探测中声学手段仍然是主要手段，建立可靠的水下通信 系统实际上就是建立可靠的高速水声通信系统( 2 i 【”。我们认为理想的传输信道是 由无损均匀介质构成的无限空闻，声信息在传播过程中不产生任何畸变。但是实 际的海洋声传播十分复杂，海水声速场是分层非均匀介质场，声速不同的海水各 层边界间的声线折射和海面、海底对声波的反射作用，产生了信号多径传播效应， 简称“多径效应”，这势必引起严重的码间干扰( i s i ) 。再加上在水下筑网等 应用巾往往要求远程信息通信，使得水下数据传输的可靠性和数据传输速率都大 大的降低，从而导致由多普勒效应产生的通道漂移更加严重。现有的水下通信系 统为了保证稳定可靠的信息传输一般采用较低数据率，因此要满足水下筑网等应 用的要求，就必须探测新技术来解决水下特殊信道的时变问题，才有可能建立可 能有效的高数据率远程水下通信系统。 直到2 0 世纪8 0 年代初期，由于海洋声信道的时变性以及多径效应，在水声通 信领域高带宽利用率的相干通信技术一直被认为是不可行的，因而，频移键控 ( f s k ) 调制方式被认为是能够克服水声信道多径传播效应的最佳调制方式。在 实际应用中，常常通过这种方式的非相干检测方法来避免多径和相位起伏的问 题。很明显，这一方法在很大程度上降低了系统的综合性能。 1 9 9 1 年i e e e 海洋工程期刊( i e e ej o u m a lo fo c e a n i ce n g i n e e r i n g ) 出版了有 关于海洋数据传输和通信的专刊，标志着水声通信领域的研究工作取得了根本性 的突破。 近年来，在诸如环境数据采集、岸上勘探、污染监测、军事侦察等应用的驱 阳北：r 业_ 人学硕士学位论文第一章绪论 动下，水下网的研究受到越来越多地关注。水下网通常由海底传感器、自主水下 航行器和海面基站组成，并在岸上控制中心进行通信联络。目前水声通信的发展 方向是建立可以在网络节点间进行遥控和视频信号数据交换的自主水下采样网 络( a u t o n o m o u so c e a ns a m p l i n gn e t w o r k ，a o s n ) 。该网络能够实现多个网络节点 问的数据交换功能。网络节点可以是静止型的，也可以是装备于水下航行器的或 机器人上的活动节点，如水昕器、流速计、地震仪、测扫声纳和摄像头等。远程 用户可以通过无线电网络与带有水面浮标的中心网络节点进行信息交换，收集不 同的水下信息等。美国军方己经着手规划建立覆盖近海的、能够传输多种水声信 息，包括图像、数据、控制命令、语音等信息的水声局域网( a c o u s t i cl o c a la r e a n e t w o r k s ，a l a n ) ，在1 9 9 6 年已经提出了相应的协议。a l a n 出海底m o d e m 与水 面节点组成水下通信网络，水面节点再通过无线电链路与岸上进行通信。水声信 道尤其是浅海信道的窄带宽、强多径和大的传输延迟，制约了水下网的发展。在 这样恶劣的环境中，建立低功耗、高吞吐量与高可靠性的水下通信网无疑是一项 极富挑战性的工作。 1 3 水声信道均衡技术 与通常的无线电信道不同，在水下利用声波进行信息传输会受到多种因素的 影响，从而限制了数据传输速率。近年来，高带宽利用率相位相干调制技术用于 水声通信的可行性已得到证实，已经成功研制的一些采用差分相干和相位相干检 测方法的水声通信系统，使水声通信系统的性能大大提高。但是，如果没有相关 的方法或者技术来均衡、补偿具有多径效应等特性的海洋声信道，则一些诸如 t c m 和高调制相干通信技术都不能够可靠地工作了。因此，信道均衡成为水声 通信中的项关键性技术，而利用自适应均衡技术【4 i 【5 1 来提高水声通信系统的传 输速率和频带利用率，也已经成为现代水声通信系统的特征之一。 1 3 1 自适应均衡技术 时问扩展带限信道的多径效应导致了码间干扰( i s i ) 的产生，使发射信号 产生变形，造成接收端的误码，码问干扰被视为水声信道无线高速通信的主要障 碍。实际的水声信道是随机且时交的，那么为准确的补偿信道的传输特性，必须 动态跟踪信道的变化，以便及时调整均衡器参数，具有这种“智能特性”的均衡 器称之为自适应均衡器( a d a p t i v ee q u a l i z e r ) = d 阳，l t 。业人学硕十。学何论义第一章绪论 传统的自适应均衡器一般包括训练和跟踪两种工作模式。在数据传输之前， 首先发射机发射一列已知的固定长度的训练序列，接收机测量出该序列通过信道 后产生的变化或误差，并依据该误差信息对均衡器参数进行自动调整，最终使均 衡器正好补偿信道特性，从而使接收机能够从均衡器输出序列中得到几乎无错的 发送信道，保证数据的可靠传输，该过程称为自动均衡( a u t o m a t i ce q u a l i z a t i o n ) ， 此时的均衡器被称为工作在训练模式。当训练结束时，均衡器参数的调整达到收 敛，判决信号可靠性较高，误码率较小。训练过程结束后，数据开始传输，此时 发送信号是未知的为了动态跟踪信道特性可能发生的变化，接收机将均衡器输 出的判决信号作为参考信号，用来测量信道变化产生的误差，对均衡器输出的信 号继续进行调整，此时被称为判决引导均衡( d e c i s i o n d i r e c t e de q u a l i z a t i o n ) 。 图1 1 给出了一种带自适应均衡器的简化的水声通信系统。 劁1 - 1 带l m s 自适应均衡器的简化的水声通信系统框幽 均衡技术的发展最早可以追溯到1 9 2 8 年，h n y q u i s t 提出了在理想带限信道 判决时刻无码间干扰的充分条件，1 9 6 5 年，r w l u c k y 提出了能够自动跟踪信道 慢变化的自适应均衡器。4 0 多年来，自适应均衡技术的研究成果层出不穷，广 泛用于有线和无线电信道的高速数据通信中。其中一些技术同样可用于水声信 道。 最小均方算法( l m s ) 以其结构简单、计算量小、易于实现等优点，在不同 领域得到了最为广泛的应用，并成为评价其它各种算法性能优劣的基准。之后， 义出现了许多均衡算法，如递归最小二乘( r l s ) 算法、快速r l s 算法、平方 根r l s 算法等等。 根据均衡器输出是否被引入反馈同路，以控制后来的输出，均衡技术通常分 为两大类，即线性均衡器( l e ) 和非线性均衡器。每一类均衡技术都可通过不 e 阳北r 业人学硕十：学位论文第一章绪论 同结构的均衡器来实现，自适应均衡器的结构有横向滤波器与格型滤波器等，而 且，每一种结构又可选用多静均衡算法来自动调节均衡器参数。 但是，自适应均衡技术也暴露出其自身的不足和缺陷，主要有以下几点： ( 1 ) 由于训练序列不传输有用信息，降低了通信系统的有效信息率。 ( 2 ) 对于一个快速时变信道，则必须频繁的发送训练序列，以便不断的更 新信道估计，跟踪信道变化。 ( 3 ) 在通信系统中，由于信道上的干扰或其他因素的影响，有可能使接收 机有时无法跟踪上从而出现通信中断。为了重新建立通信，就需要发送端在发 送训练序列，这就要求系统增加反馈信道，以传递“请求训练信号”，使得系统 复杂，难以实现。 ( 4 ) 在一些特殊应用场合，不可能发送训练序列。 显然，训练序列的传输降低了通讯的传输量，占用了大量本不富裕的水下信 道带宽。因此，盲均衡( b l i n de q u a l i z a t i o n ) 技术应运而生，它能够不借助训练 序列，仅利用接收序列本身的先验信息，便可均衡信道特性，使均衡器的输出序 列尽量接近发送序列，自动跟踪通道变化从而可以在不降低数据率的情况下保 证可靠的数据传输，并有望在水下通信系统中成功使用。 1 3 2 盲均衡技术 盲均衡技术作为一种新兴自适应均衡技术，是指均衡器能够不借助训练序列 ( “盲”) ，仅利用所接收到的信号序列便可以对信道进行均衡，使均衡器的输出 序列尽量接近发送序列 6 1 1 7 1 。换言之，其本身完全不用训练序列，就可以自启动 收敛并防止失锁情况，且能使滤波器的输出与要恢复的输入信号相等。盲均衡从 根本上避免了训练序列的使用，收敛范围大，应用范围广，克服了传统自适应均 衡的缺点，从而降低了对信道和信号的要求，并简化了数传机的设计。传统自适 应均衡器的设计目标是使均衡后的输出序列逼近输入的码元序列，而盲均衡的设 计目标则是使均衡后输出序列的统计量逼近输入码序列的统计量。 1 9 7 5 年，f 本学者y s a t o 8 1 对传统的自适应均衡的均方误差函数进行了简单 改进后，首次提出了应用于多幅度调制数据传输中的“自恢复均衡( s e l f - r e c o v e r i n g e q u a l i z a t i o n ) ( 后称为盲均衡) ”的概念。此后，关于盲均衡算法的研究成为国际 通信界的一个研究热点，各国学者纷纷投入到该研究之中，根据不同的应用背景， 运用新的数学理论和优化方法，提出了多种盲均衡算法和不同的技术流派。到目 前为止，盲均衡可分为以下五大类：基于b u s s g a n g 性质的盲均衡算法、基于高 6 阳北l ：业大学硕士学位论文第一章绪论 阶统计量的亩均衡算法、循环平稳过程的盲均衡算法、基于神经网络和模糊理论 的盲均衡算法以及组合算法等。 ( 1 ) 基于b u s s g a n g 性质的盲均衡算法 基于b u s s g a n g 性质的盲均衡算法是先设计一个代价函数，使得理想系统对 应于该代价函数的极小值点，然后采用某种自适应算法寻找代价函数的极值点。 当代价函数达到极值点后，系统也就成为期望的理想系统。 最早的b u s s g a n g 性质的盲均衡算法是y s a t o 提出的适用于p a m 系统的s a t o 算法。1 9 8 0 年，d n g o d a r d 又提出了g o d a r d 算法【6 】，它是通过调节均衡器的抽 头增益来使得代价函数最小，其代价函数由传输信号的高阶统计特性来构造。当 代价函数中的阶p 为2 时，g o d a r d 算法变为c m a ( 固定常数模念算法) ，该算 法韧性好，基于代价函数的优化，简单易实现，代价函数仅与接收信号的幅值有 关，而与相位无关，但是存在着收敛速度慢，有误收敛现象等，使其应用受到一 定限制。1 9 8 7 年g p i c c h i 等提出s t o p a n d g o 算法，该算法结合了判决法和s a t o 算法的优点，具有计算简单，收敛速度快，稳态剩余误差小等特点。但代价函数 中出现了待定参考，它由实验确定，不易得到它的最佳值，使其应用范围受到一 定限制，不能跟踪像水下声信道这样的快变信道。 ( 2 ) 基于高阶统计量( h o s ) 的盲均衡算法 高阶统计量h o s ( h i g h e r - o r d e rs t a t i s t i c s ) 盲均衡算法【卅充分利用了高阶谱含 有系统的幅度特性的和相位特性这一特点，分为直接法和间接法两种。直接法是 直接从系统接收序列的高阶类计量中获得信道参数，建立序列的高阶累计量和信 道参数之间的关系方程，以解方程的方式获得信道参数。间接法是首先建立一个 含有接收序列高阶累计量的代价函数，然后通过某种自适应算法寻找其极值点， 最后逼近期望得理想系统。 这类算法的代表是t l o n g 等提出的次空间方法和t g b g i a n a k i s 等提出的线 性预编码方法，其它方法基本上是这两种算法的变形和扩展。这类算法的优点是 回答了信道可盲识别的理沦问题，缺点是由于采用了大量高阶统计特性和组合函 数优化，实现起来相当复杂，并且需要大量的数据样本和较高的信噪比，在工程 上不宜采用。 ( 3 ) 基于循环平稳过程的盲均衡算法 在非平稳信号中有一类特殊的时变信号，其统计特性的非平稳性呈现为周期 或多周期的平稳变化，这类信号统称为循环平稳信号c s ( c y - c l o s t a t i o n a r y ) 或 周期平稳信号1 10 1 ，此类盲均衡的核心是过采样，其采样频率是n y q u i s t 采样频率 的整数倍。一般情况下利用二阶统计量不能解决非最小相位系统( 或信道) 的均 阳北l - 业人学硕士学位论文第一章绪论 衡问题，而使用二阶循环平稳统计量可辨识和均衡时不变非最小相位系统。 这类算法是一种相对较新的卣均衡算法，利用调制信号的循环平稳特性，达 到对通信的最佳估计，其数学表达和实现更为复杂，再加上它要求严格的统计半 稳条件，严重限制了这种算法的实际应用。 ( 4 ) 基于神经网络和模糊理论的盲均衡算法 信道均衡可看成分类问题，即把均衡器看成一个判决器，以便尽量精确地重 构发送序列，而拥有强分类功能的神经网络就很适合做均衡器。神经网络的最大 优势是：大规模并行计算处理能力，权重的自适应调整能力，可学习性，适用于 各种信道等，而模糊理论则克服了由于问题描述过程中的不确定性所带来的处理 困难l 。 此类盲均衡研究方兴未艾，主要有基于前馈神经网络和高阶谱的盲均衡算 法，基于多层神经网络与高阶累计量的盲均衡算法，基于递归神经网络的盲均衡 算法，以及基于细胞神经网络的盲均衡算法等。但由于此类方法计算量大，并受 到理论的准确性和硬件集成度的影响，实现起来有些困难。 ( 5 ) 组合算法 目前最有希望在实际工程应用的盲均衡算法，也就是所谓的组合算法，是将 传统的决策反馈型均衡器技术与盲均衡技术进行最优组合，实现通道的实时估计 和快速跟踪。该类算法的典型代表是变结构算法，可以根据环境( 通道) 变化情 况，改变均衡器结构，采用不同的跟踪来获取自适应算法，达到对时变通道的完 美跟踪。这类算法首先由c a d a r o c h a 和o m a c c h i 提出，并经j ，l a b a t ，b k i m 和y w a n g 等人发展和修正。目前已经成为3 g 、4 g 技术的研究热点，有可能应 用在水下高速率通信系统设计中。 1 4 本课题的研究背景 盲均衡算法提出近3 0 年来，吸引了众多的学者，研究思路各异。研究成果 颇多，但都存在着许多不完善之处。而目前随着通信技术的迅速发展，盲均衡技 术的应用领域越来越广，使用价值越来越高，已经成为通信技术中的关键技术。 本课题是在前人研究成果的基础上，针对目前盲均衡技术研究领域的基本算 法b u s s g a n g 类盲均衡算法和组合算法进行研究。针对其机理，具体分析它 们的性能。从而讨论并提出收敛性能好且实用性强的盲均衡算法，这对于补偿信 道的非理想特性，改善接收效果，提高通信质量具有重要的理论意义和实用价值。 同时，本课题紧密跟踪国内外研究动态，具有一定的前沿性和创新性。 r 西北i ：业大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本论文的结构安排 本课题是国家自然科学基金项目。主要研究不需要训练序列的盲均衡算法， 以完成水声信道的均衡，克服信道多径码问干扰，提高信道带宽利用率。主要研 究内容分为6 章： 第1 章为绪论，全面分析了研究盲均衡技术的意义，综述了其发展历史、研 究现状、以及应用领域，指出了本文的研究背景和所做的主要工作。 第2 章论述了水声信道的基本特性和盲均衡的基本原理，是水声信道盲均衡 理论与算法的基础。 第3 章主要研究了基于b u s s g a n g 性质盲均衡算法的基本原理，分析了现有 的b u s s g a n g 性质盲均衡算法。针对g o d a r d 算法中最常用的常数模盲均衡算法， 利用给出的线性结构均衡器进行计算机仿真实验，分析了均衡器不同初始条件下 的性能优越性，为以后改进算法和仿真实验奠定了基础。 第4 章是在传统算法的基础上，针对现有算法中固定迭代步长制约了收敛速 度和收敛精度的不足，讨论分析了变步长盲均衡算法的设计思想，得到了两种变 步长恒模盲均衡算法。接下来研究分析多模算法和加入判决导引后的双模式算 法，克服了适用于常模信号的盲算法对非恒模信号剩余m s e 大的缺点和d d 算 法收敛性能差的缺点，最后通过计算机仿真分析了算法性能。 第5 章主要研究了水声信道非线性判决反馈盲均衡算法的性能，对线性均衡 器和判决反馈均衡器进行研究对比，又分析了分数间隔判决反馈均衡器的两种等 效模型，说明了采用分数间隔盲均衡器的原因。最后在d f e 的基础上采用分数 的方法，讨论了分数间隔判决反馈盲均衡器，并通过计算机仿真，将上述算法进 行了性能对比。 第6 章提出了利用v o l t e r r a 级数算法建立的非递归多项式模型，也就是双线 性均衡算法，来对抗更恶劣的通信条件。为了达到简化的目的，利用变结构双线 性盲均衡算法思想进行改进，在不降低精确度的基础上实现了均衡目的，提高了 水声通信的有效性，计算机仿真也进一步验证了该算法的正确性。 第7 章为全文总结。对全文的主要工作进行了总结，归纳了本文的主要研究 成果，并提出了今后进一步研究的方向。 西北i ：业夫学硕士学位论文 第二章 水声信道及盲均衡基本原理 第二章水声信道及盲均衡基本原理 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、信道和接收设备三部分组成。 传输信道的特征是影响通信质量的主要因素，也是设计通信系统、确定基数方案 所要考虑的主要问题。其中，水声信道是所有通信信道中最为复杂的信道之一， 其衰落、多径效应、时变性等特点使得许多经典的通信技术无法直接应用于水声 信道。因此要开发适合于水声信道的通信技术，就必须对水声信道特性有充分的 研究，只有具备这种知识，才能建立有效而稳健的盲均衡算法。 本章以水声信道盲均衡为研究对象，首先讨论水声信道的基本特性，对水下 声信号的传播特点进行深入全面的研究，建立了水声信道的抽头延迟模型，说明 了水声信道盲均衡的必要性。然后论述了盲均衡的基本原理，分析了其算法评价 标准及完全均衡条件。 2 1 水声信道传播特性及其水声通信的影响 众所周知，理想的通信信道是无损均匀介质构成的无限空间，声信号在传播 过程中不会产生任何畸变。而实际海洋与其边界共同构成了一个有损的非均匀空 间，其内部结构和独特的上下表面会对声波产生许多不同的影响。 近年来，由于水声通信的迅速发展，仅仅用以声纳方程为核心的能量模型对 水声信道进行研究是远远不够的，还需要从时域的角度对信道的传播特性进行研 究，尤其是从通信技术的观点出发对水声信道做透彻的分析。从通信的角度来看， 水声信号传播的主要物理效应有：声能量的传播损失、声传播的多径效应和声信 号的起伏效应i z 】。 2 1 1 声能量的传播损失 声信号从声源向接收点传播过程中，信号能量会发生损失，这在远距离传输 猖高频应用情况下表现的尤为明显。信号能量损失是影响接收机信噪比的重要因 素之一。在水声学中，常采用传播损失来概括海洋中种种能量损失的效应。它定 量的描述海中距声源l 米处的声到远处某一点时衰减的大小，表示为距声源1 米处 曲北l 。业大学硕士学位论文 第一章水声信道及亩均衡基本原理 的声强厶和远处任点处声强，的比值。 t l = 1 0 1 9 争( 地) ( 2 - 1 - 1 ) 若距离的单位用码，参考距离是l 码，, q t l 比以1 米为参考距离的t l 大0 7 8 d b 。 传播损失是出于声能扩展和衰减引起的损失之和。对于无限均衡介质空间， 扩展造成声波能量损失的主要原因，是由于波阵面在传播过程中的不断扩大，使 得在单位时间内单位面积上能量的减小，即平均功率密度减小，也就是声强的减 弱，这种声信号从声源向外传播时声强有规律衰减的几何效应损失称为扩散损 耗。其次，由于实际的海水介质并非是理想介质，在传播过程中将声能吸收而转 换成其它能量( 如热能等) ，声能不可逆的转换成热能而消耗，这种损失称为衰 减损耗。此外，实际的海水介质总是有界的，并且是非均匀的，因而导致声波在 边界面上产生反射，使声能在某种边界面上“泄漏”掉而称为边界损耗。 传播损失是对水声信道传播特性的一种定量描述，并随着距离和频率的增加 而增加，是影响水声通信系统性能的重要因素之一。受传播损失的影响，水声通 信信道的可用带宽随频率和作用距离的增加而急剧下降，因此，通信系统的可用 带宽严重受限。 2 1 2 水声信道的多径传播 由于海水介质空间的非均匀性，水声信道和无线电信道样存在着多径现 象，即就是一定波束宽度内发出的声波沿着几种不同的路径到达接收点，而且声 波在不同路径中传播时路径长度各有差异，到达该点的声波能量和时间也不相 同，从而引起信号的衰落和波形畸变。这种信号多径传播效应( 简称多径效应) ， 一般会造成接收信号在时间上拉长，即码元展宽，产生码间串扰( i s i ) 的失真 现象。 造成多径传播的主要机理是声线弯曲和海底、海面的反射，海水中内部结构 如内波、紊流、潮汐等的影响，以及声源和接收机平台的运动等。当声波在不同 的层、海底和海面j 口j 传播会造成多次的反射和折射，从而形成各个不同的传播路 径。 多径传播是影响水声通信系统性能的重要因素之一。多径传播在单个接收器 上产生信号的幅度和相位起伏，由于沿不同路径的传播时间不同，多路径会导致 信号畸变，并使得信号的持续时间和频带被展宽，信道呈现选择性衰落特性，f 是海水中内部结构( 如内波、水团、湍流等1 的影响，多径结构通常是时变的， 州北r 业人学硕士学位论文 第二：章水卢信道及亩均衡基本原理 并且与通信系统的相对位黄有关。在数字通信系统中，多径传播往往造成码间干 扰。在无线电信道中，码问干扰通常只有几个码元宽度，而在水声信道中，对中、 高数据率的浅海信道码问干扰将高达几十、甚至上百个码元宽度。多径传播造成 的码问干扰是影n 向水声通信系统数据率的主要因素，抑制多径达到高数据率的可 靠传输无疑成为水声通信最富有挑战性的任务。 2 1 3 声传播的起伏效应 声传播的波导效应和多径效应都是基于介质为水平均匀的分层结构，实际上 介质不但在空间分布上不均匀，而且是随机时变的，因此声信号在传播过程中也 将是随机时变的。 造成起伏的主要原因是海面、非均匀介质的温度微结构和内波。湍流和热交 换会产生温度微结构( 温度的不均匀性) ，这些不均匀体已 h 略的看出是具有不 同声速和折射率的不规则水团，声波通过这些水团时，会产生多路径的干涉效应， 从而使声信号产生起伏：由温度微结构产生的起伏，通常以短脉冲系列的振幅起 伏率来表示。 海洋内波是海洋介质中非均匀水层在中立作用形成的随机波动。一般情况 下，对单路径传输过程，内波的影响主要是相位起伏；但对远场条件，存在独立 多径选择性衰落。在这种信道中，相干检测只能用在起伏级足够低的场合，以保 证能进行相干载波提取和跟踪。信道起伏还造成信道脉冲响应的时变性，这种时 变性对通信系统的性能造成了严重的影响。 2 1 4 水声信道的抽头延迟模型 从大多数应用场合看，水声信道可以看成是时变多径相干信道，可以用线性 时变滤波器来描述。在研究对流层散射无线电通信系统时，b e l l o 提出了信道抽 头延迟线模型的概念，并指出通过选择合适的抽头间隔和权值系数，任何实际传 输信道都可以用抽头延迟线滤波器模型来准确描述。由b e l l o 的分析可知，令抽 头问隔小于发射信号带宽b 。的倒数，即满足n y q u i s t 采样率，就可以充分满足精 确建模的需要。因此，传输信道通常可用有限冲击响应( f i r ) 滤波器模型来表 示，抽头被选在信号采样间隔上，并采用复值系数以准确模拟信道脉冲响应。 设s ( ) 为通过信道传输的等效低通信号，s ( 厂) 表示其频谱。忽略加性噪声， 则其等效低通接收信号为 两北，i ：业人学硕十学位论文第- 二章水声信道及身均衡基本原理 ，( f ) = ：h ( t ，r ) s ( t r ) d r = f ! h ( t ，f ) s ( f ) e 脚 ( 2 1 2 ) 如果s ( f ) 的带宽b ，远远小于信道相干带宽，即b 。( c b 。，则s ( f ) 所有的频 率分量通过传输信道时，会产生相同的衰减和相移。这意味着，在s ( f ) 占用的 带宽b 。内，信道时变传递函数h ( t ，f ) 为常数，不随频率的变化而变化，该信道 被称作非频率选择性衰落信道。在这种情况下，通过信道会对传输信号产生一个 时变乘积效应，信道多径成分不明显。因此，当b ， b 。时，信道响应中的多径分量，在经历1 b ，的延迟时方 可分辨，此时，可使用采样定理来表示可辨接收信号分量。这样，时变信道响应 可表示为 监 h ( t ，f ) 2 h 。( f ) 占( r n w ) ( 2 - 1 _ 3 ) h = i 相应的时变传递函数为 。 h ( t ，) = h 。脚 ( 2 1 4 ) j l = l 式中 。( f ) 为第月个多径分量的复值信道增益，而帆为可辨多径分量个数。 由于多径扩展为l ，多径时间分辨率为l 曰。，则 帆= i v 。e j + 1 ( 2 - 1 5 ) 其中j f 表示向下取整。 具有式( 2 一l 一3 ) 所使脉冲响应的信道可由抽头延迟线模型来表示，其抽头数为 。，复值时变拙头系数为 h 。( ，) 。图2 - 1 给出了频率选择性衰落信道的抽头延 迟线模型，随机时变抽头增益为 h 。( t ) = a 。( f ) p7 q “，n = 1 , 2 ，- 一，n 。 ( 2 - 1 6 ) 式中k ( f ) 表示幅度，p 。( ，) 表示相应的相位，而时变抽头增益弘。( f ) ) 通常 被认为是宽平稳非相关随机过程。 两北l ：业大学硕十学能论文第二章水声信道及盲均衡基本原理 图2 - 1 抽头延迟线信道模型 信道抽头延迟线模型也称作横向滤波器模型，易于计算机仿真，并能较为真 实的反映水声信道对传输信号的作用，因此在水声通信信号处理中很常用的。 综上所述，水声信道是一种极为复杂的时变多径衰落无线