楊定康，王 彪

(江蘇科技大學(xué) 電信學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

近年來，由于頻譜資源的稀缺和日益增長的傳輸速率要求，高速水聲通信成為研究熱點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。艦船通信、水下航行器（AUV）的信息交換、水下信息的傳輸與探測均為其重要研究方向；而多載波調(diào)制系統(tǒng)也理所當(dāng)然地成為了高速水下通信系統(tǒng)的首選。FBMC傳輸技術(shù)因?yàn)槠漕l譜利用率高、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)受到了研究者的重視。FBMC傳輸技術(shù)由Saltzberg, Chang, Weinstein和Bingha等在20世紀(jì)70年代提出[1]，并逐步受到關(guān)注。近年來，陸續(xù)將該方案應(yīng)用于陸上和水下無線傳輸系統(tǒng)，獲得了相應(yīng)的仿真結(jié)果。文獻(xiàn)[2-4]主要是針對水聲FBMC系統(tǒng)的搭建和仿真。雖然多載波通信可以通過將信號調(diào)制到相應(yīng)的子載波上，從而在一定程度上減少碼間串?dāng)_的影響；但是，水聲信道因?yàn)槎鄰介L度長、稀疏性強(qiáng)，依舊會(huì)對通信系統(tǒng)造成不小的影響。所以，均衡技術(shù)的研究對于水下高速通信來說是十分重要的。文獻(xiàn)[5]采用被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（PTRM）對時(shí)變水聲信道下單載波信號進(jìn)行了均衡，結(jié)果表明，PTRM能夠有效壓縮信道多徑長度。文獻(xiàn)[6]采用頻域判決反饋均衡算法對多載波系統(tǒng)進(jìn)行仿真，獲得了一定的效果。文獻(xiàn)[7]采用多通道判決反饋的方法對移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)進(jìn)行信號復(fù)原，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有著不錯(cuò)的分集接收性能，對系統(tǒng)的均衡效果良好。本文基于水聲FBMC的通信系統(tǒng)，提出被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和雙向判決反饋相結(jié)合的均衡方法。首先采用被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)進(jìn)行稀疏信道壓縮，然后通過雙向判決反饋均衡器消除碼間干擾，降低誤碼擴(kuò)展，仿真結(jié)果表明該方法有著良好的均衡性能，能夠有效降低誤碼擴(kuò)展，對于水聲FBMC通信系統(tǒng)接收端信號的復(fù)原性能有著較好的提升。

1 系統(tǒng)原理

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的FBMC系統(tǒng)模型可知，F(xiàn)BMC水下高速通信系統(tǒng)經(jīng)過QPSK映射之后的復(fù)數(shù)符號的實(shí)部和虛部經(jīng)過分離之后，通過EGF（擴(kuò)展高斯函數(shù)）濾波器進(jìn)行脈沖成型，然后再調(diào)制到不同的子載波上進(jìn)行信號傳輸。等效基帶信號的離散形式可以表示為：

由于FBMC水聲通信系統(tǒng)中采用獨(dú)特的脈沖成型濾波器，能夠很大程度上減少子載波之間的干擾（ICI），同時(shí)也降低了系統(tǒng)對多普勒頻移的敏感性，適合于水下高速通信系統(tǒng)的傳輸。所以，ISI（碼間串?dāng)_）成為了影響系統(tǒng)誤碼性能的一大因素。

2 聯(lián)合被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的雙向判決反饋均衡器原理

水聲FBMC接收端流程如圖1所示，接收信號先經(jīng)過被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)壓縮信道的時(shí)頻特性，串并轉(zhuǎn)換后經(jīng)FFT和脈沖成型濾波，然后在頻域進(jìn)行雙向判決反饋均衡，最后進(jìn)行星座逆映射，解碼得到接收比特。

圖1 水聲FBMC接收端被動(dòng)時(shí)反和雙向判決反饋聯(lián)合均衡流程圖Fig.1 Flowchart of joint equalization combing passive time reversal and bidirectional decision feedback for underwater acoustic FBMC receiver

雙向判決反饋均衡器，是由H.Suzuki和S.Ariyavisitakul在1990年提出，并首次應(yīng)用于無線高速移動(dòng)通信中。結(jié)果表明，雙向判決反饋均衡器能夠利用時(shí)間反轉(zhuǎn)后的信道的差異性來降低判決反饋均衡器（DFE）的誤碼擴(kuò)展特性，能夠獲得較好的均衡性能。

圖2顯示的是聯(lián)合被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的雙向判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，接收端信號經(jīng)過被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的壓縮信道處理之后得到信號，分別經(jīng)過正向?yàn)V波器和反向?yàn)V波器（先經(jīng)過時(shí)間反轉(zhuǎn)器，再通過正向?yàn)V波器）進(jìn)行均衡處理，最后將兩路信號進(jìn)行合并。其中，和表示的前饋濾波器的抽頭系數(shù)；和為反饋濾波器抽頭系數(shù)；和為正向和反向均衡后的信號；和為硬判決后的信號；最后，和分別為合并及判決后的信號。

圖2 聯(lián)合被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的雙向判決反饋均衡器Fig.2 Joint equalizer of passive time reversal and bidirectional decision feedback

最后合并雙向判決反饋輸出信號為:

目前，合并方式主要有2種：雙向任意合并和雙向最佳選擇合并。雙向任意合并是雙向最佳選擇合并的特殊情況，任意選擇兩路信號中效果好的進(jìn)行輸出；而雙向最佳選擇合并則是選擇兩路合并的最佳系數(shù)以達(dá)到最佳的合并效果。本文基于被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡對信號進(jìn)行預(yù)處理，信道經(jīng)過時(shí)反壓縮具有一定的對稱性，當(dāng)?shù)那闆r下，具有較好的合并效果。

3 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)針對水聲FBMC系統(tǒng)進(jìn)行仿真并采用本文所述方法進(jìn)行接收信號的處理。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：發(fā)送端信息碼為20480bit，采用QPSK進(jìn)行映射，子載波數(shù)為512，分為10幀發(fā)送，信號的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。信號通過線性調(diào)頻（LFM）進(jìn)行同步，在信息碼的前后需要插入1024bit的訓(xùn)練序列（共512個(gè)符號），每幀發(fā)送信號的信息碼為2048bit。

圖3 發(fā)送信號的幀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of transmitted signal frame

信道部分采用如圖4所示的水聲離散稀疏特性信道，其特點(diǎn)為稀疏度大，多徑延時(shí)長，信道主徑易受其他多徑影響。

接收端部分采用被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡、基于RLS算法的雙向DFE和雙向最佳選擇合并方式進(jìn)行處理。正向和反向判決反饋均衡器的參數(shù)相同，前饋濾波器長度為，反饋濾波器長度為，遺忘因子=0.995，采用硬判決方式進(jìn)行判決，獲得處理后的結(jié)果如下。

圖4 水聲信道響應(yīng)函數(shù)Fig.4 Acoustic channel response function

圖5 不同信噪比下不同均衡方法誤碼率性能比較Fig.5 Comparison of BER performance for different equalization methods at different signal-to-noise ratios

從圖5可以看出，雖然PTRM在信道壓縮方面有著良好的性能；但信道環(huán)境噪聲復(fù)雜的情況下，PTRM性能受到了影響，通信系統(tǒng)誤碼率依舊較高；結(jié)合判決反饋濾波后，均衡性能有了部分提升，但仍受到誤碼擴(kuò)展的影響。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合雙向判決反饋濾波后，均衡性能又有了進(jìn)一步的提升。如表1所示，SNR=15 dB時(shí)，與僅使用PTRM的均衡方法相比，PTRM和Bi-DFE聯(lián)合的均衡效果有著接近一個(gè)數(shù)量級的效果提升；與PTRM+DFE的均衡方法相比也有著不俗的性能提升。結(jié)果表明，被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和雙向判決反饋的聯(lián)合均衡方法能夠有效降低通信系統(tǒng)的誤碼擴(kuò)展，提高水聲FBMC通信系統(tǒng)的傳輸正確性。

表1 SNR=15 dB時(shí)不同均衡方法誤碼率Tab.1 BER performance of different equalization methods at SNR=15 dB

4 結(jié) 語

被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡對復(fù)雜水聲信道有著良好的信道壓縮性能；但是，被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)會(huì)引入探測信號、環(huán)境噪聲等干擾。所以，被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)后的均衡濾波是必不可少的。判決反饋濾波均衡性能雖好，但存在著誤碼擴(kuò)展的缺點(diǎn)。本文提出的被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和雙向判決反饋聯(lián)合的均衡方法能夠有效地降低被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和判決反饋均衡器的誤碼擴(kuò)展，提高水聲FBMC通信系統(tǒng)的誤碼性能。仿真結(jié)果表明，對于水聲FBMC通信系統(tǒng)來說，雙向判決反饋和被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)聯(lián)合的均衡方法相比于被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)和判決反饋結(jié)合的方法，能夠有效降低誤碼擴(kuò)展，有著較大的誤碼性能提升。