水声通信信道均衡理论与关键技术研究

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海洋信道通信带宽窄,时-空-频变复杂,而且多途扩展严重,在较高速率通信下,时延扩展能够覆盖几十甚至上百个码元符号,造成严重的码间干扰(intersymbol interference,ISI),为实现可靠有效通信带来一定的难度。均衡技术能够消除ISI,恢复出原始发送信号,是实现可靠通信的一个重要技术手段。  基于信道自相关匹配DFE和基于最小均方误差(minimum mean square error,MMSE)准则的turbo均衡器是目前水声通信中性能良好的两种均衡方法。基于信道自相关匹配DFE将时间反转(time reversal,TR)技术和DFE联合起来共同消除ISI,而且即使海洋环境变化,均衡器中的DFE都能采用固定的阶数,无需人为调整,可以实现自主工作。MMSE-turbo均衡将均衡器和信道译码器输出的比特软信息在两者之间多次循环迭代,从而实现最优的抗信道多途衰落的性能。  在时变水声信道下,基于信道自相关匹配DFE和MMSE-turbo均衡都需要周期性的训练序列以跟踪信道的变化并实现连续可靠的通信。训练序列的加入降低了信息的有效传输速率,因此,为解决这一问题,本文提出了两种新的盲均衡方法,既能保证通信的可靠性,又能提高通信效率。本文的主要研究内容如下:  1、提出了一种基于信道自相关匹配的盲均衡方法。该方法无需训练序列,能够有效去除ISI,提高了通信的有效性;而且可以利用被动时反的物理机制,均衡器能够采用固定的阶数,无需人为调整,实现了自主工作。基于信道自相关匹配的盲均衡器首先从线性均衡结构入手,采用盲算法实现均衡响应参数的初始化;然后当均衡输出信号的可信度较高时,调整均衡器的结构,得到基于信道自相关匹配DFE,可基于MMSE准则实现参数更新,以实现快速收敛。仿真结果和海上实验表明,在非严重衰落的平稳信道下,该盲均衡器能够获得与传统的基于信道自相关匹配DFE基本相当的抗信道多途衰落的性能,从而既保证了通信的可靠性,又提高了有效性;在突变信道下,该盲均衡器能够跟踪信道的变化,并去除ISI,而传统的基于信道自相关匹配DFE由于没有训练序列跟踪信道的突变,不能有效去除ISI,从而进一步表明了本文的盲均衡器能够提高通信的有效性。  2、提出了一种基于信道辨识的盲turbo均衡方法。该方法无需训练序列,便能够实现turbo均衡。该盲turbo均衡从均衡器的最优响应与信道响应的关系入手,通过一种新的盲信道辨识方法实现均衡器响应参数的初始化,提高了盲turbo均衡的收敛速率;而且由于联合了信道译码器输出的比特软信息,在低信噪比信道下,该盲turbo均衡仍能够有效对抗信道的多途衰落,提高了通信的可靠性。海上实验验证了,在浅海、深海会聚区以及深海声影区等不同的水声信道下,盲turbo均衡都表现出了良好的性能:与盲自适应DFE和基于信道自相关匹配盲均衡相比,盲turbo均衡抗信道多途衰落的能力更强,尤其在深海声影区信道下,信道多途扩展严重且信噪比低,盲turbo均衡仍然能够实现可靠通信,而另外两种盲均衡已不能有效去除ISI;与传统MMSE-turbo均衡器相比,盲turbo均衡无需训练序列便可以达到与之基本相当的误码率,既保证了通信的可靠性,又提高了通信的有效性。
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