基于時鏡反轉(zhuǎn)的深水對潛通信抗干擾算法*

孫　波　王　睿

(92763部隊裝備部　大連　116041)

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基于時鏡反轉(zhuǎn)的深水對潛通信抗干擾算法*

孫波王睿

(92763部隊裝備部大連116041)

摘要深水對潛通信表現(xiàn)為一種擴展頻譜通信,在接收端對通信信號進行擴頻碼序列生成過程中容易產(chǎn)生碼間干擾,需要進行碼間干擾抑制,降低比特序列接收的誤碼率。傳統(tǒng)方法采用時頻聚焦濾波算法進行碼間干擾濾波,由于對潛通信信號時頻特征具有非線性,導(dǎo)致干擾濾除性能不好。提出一種基于被動時鏡反轉(zhuǎn)的深水對潛通信碼間干擾抑制算法。構(gòu)建深水對潛通信的擴頻信道模型和通信信號模型,采用時鏡反轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)對信道的有效估計,調(diào)整通信信息傳輸中接收陣元的多徑分量,將干擾信號分解成正信號和時鏡反轉(zhuǎn)負(fù)信號,再進行符號拼接,實現(xiàn)多徑信號的時間壓縮,并獲得了聚焦增益,消除了碼間干擾。仿真結(jié)果表明,采用該算法進行深水對潛通信抗干擾濾波,能有效提高對潛通信系統(tǒng)輸出沖激響應(yīng)的聚焦性能,降低通信誤比特率。

關(guān)鍵詞被動時鏡反轉(zhuǎn); 對潛通信; 抗干擾; 濾波

Anti Interference Algorithm for Deep Water Submarine Communication Based on Time Reversal Mirror Inversion

SUN BoWANG Rui

(Equipment Department, No. 92763 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractDeepwater submarine communication is a spread spectrum communication. Inner symbol interference can be genetrated in the process of spread spectrum code sequence generation at the recieving end, which needs to suppress inner symbol interference and reduce the bit error rate of the recieved bit sequence. In the traditional method, the time-frequency focusing filtering algorithm is used to filter inter-code interference. Because of the nonlinearity of the time-frequency characteristics of the secondary communication signal, the filtering performance is not good. A suppression algorithm for the interference suppression of the deep water to the submarine communication is proposed based on the passive mirror inversion. Deepwater submarine communication spread spectrum channel model and a communication signal model are constructed, the mirror reversal technology is used to achieve efficient estimation of the channel, and the communication information transmission receiving array element of the multipath components are adjusted to decompose the interference signals into signal and time reversal mirror negative signal, and then sign splicing, multipath signal compression to get the focusing gain and eliminate inter symbol interference(ISI). The simulation results show that the proposed algorithm can improve the focusing performance of the potential communication system and reduce the bit error rate.

Key Wordspassive mirror inversion, submarine communication, anti interference, filtering

Class NumberTN911

1引言

深水對潛擴頻通信通常處于復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下,在干擾環(huán)境下構(gòu)建無線通信系統(tǒng),實現(xiàn)深水對潛通信,這種通信方式按照波長劃分為長波通信[1],長波通信受到的信道碼間干擾較為嚴(yán)重,當(dāng)前方法主要采用普通噪聲分離對噪聲干擾進行抑制,對于高信噪比的干擾具有一定的抑制,但對于強干擾環(huán)境下,效果提升并不理想[2～3]。對此,相關(guān)文獻(xiàn)進行了算法改進設(shè)計,其中,文獻(xiàn)[4]提出一種基于Hilbert變換和時頻分析的長波擴頻通信干擾濾波抑制算法,采用時頻分析方法提取通信信號的時頻特征實現(xiàn)空間增益聚焦,提高系統(tǒng)的抗干擾性,但是該算法計算量較大,實現(xiàn)較為困難;文獻(xiàn)[5]提出一種基于反鏡PTRM級聯(lián)均衡的擴頻通信信道均衡和碼間干擾抑制算法,可以一定程度上消除殘余信號的碼間干擾,具有較好的抑制干擾的效果,但該算法在低信噪比下的收斂性不好,需要進行改進設(shè)計。分析傳統(tǒng)方法可見,當(dāng)前方法主要是采用時頻聚焦濾波算法進行碼間干擾濾波,由于對潛通信信號時頻特征具有非線性,導(dǎo)致濾除性能不好[6～10]。

針對上述問題,本文提出一種基于被動時鏡反轉(zhuǎn)的深水對潛通信碼間干擾抑制算法。首先構(gòu)建深水對潛通信的擴頻信道模型和通信信號模型,采用被動時鏡反轉(zhuǎn)方法進行碼間干擾濾波設(shè)計,設(shè)計級聯(lián)自適應(yīng)均衡器實現(xiàn)信道均衡,改善了通信質(zhì)量,降低通信的誤碼率,仿真實驗進行了性能驗證,展示了本文算法在進行深水對潛通信抗干擾濾波中的優(yōu)越性能。

2深水對潛通信的信道模型和信號模型構(gòu)建

2.1問題的提出及深水對潛通信的信道模型

深水對潛擴頻通信的信道為帶寬受限信道,為了實現(xiàn)對潛通信的調(diào)制解調(diào),采用編碼及調(diào)制的方法實現(xiàn)獨立碼序列的信道時間擴展,在研究深水對潛擴頻通信系統(tǒng)的信道均衡和抗干擾設(shè)計之前,需要首先給出深水對潛擴頻通信的通信系統(tǒng)和信道模型。在深水對潛擴頻通信系統(tǒng)中,頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列完成,在通信信道中,假設(shè)每個發(fā)射源信號的豐度都小于預(yù)設(shè)值,而依據(jù)直擴系統(tǒng)判斷碼間干擾是否存在,得到一個唯一的單一統(tǒng)計點。根據(jù)上述分析,構(gòu)建深水對潛擴頻通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　深水對潛擴頻通信系統(tǒng)組成框圖

結(jié)合圖1分析可見,深水對潛擴頻通信中多徑信道模型采用BPSK調(diào)制碼元的分布設(shè)計,存在碼間干擾和非線性失真,本文采用時鏡反轉(zhuǎn)技術(shù)(passive time reversal mirror,PTRM)進行改進設(shè)計,通過PTRM技術(shù)實現(xiàn)對信道的有效估計,對得到的估計信息進行參數(shù)自適應(yīng)調(diào)制,調(diào)整通信信息傳輸中接收陣元的多徑分量。首先構(gòu)建對潛通信的水聲信道模型,海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì),在一定的水域,聲到遠(yuǎn)處某一點時衰減的大小為

TL=n·10lgr+αr

(1)

式(1)中,TL為深水對潛通信信道傳播損失(dB),n為傳播因子,r為衰減聲強,a為水聲散射系數(shù)(dB/km);水對潛擴頻通信過程中,由于擴展損失隨距離變遠(yuǎn)而增加,通過探測信號對水聲信道進行估計,然后根據(jù)估計出的信道信息,假設(shè)通信系統(tǒng)的輸入初始碼元為C0=CN/2=0、CN-n=Cn*,n=0,1,2,…,N/2-1,信道信息功率為

CIC濾波器是一種基于零極點相消的FIR濾波器,經(jīng)常運用于高速抽取系統(tǒng)中。對于CIC濾波器和FIR濾波器,Altera 公司提供抽取率可變且參數(shù)可配置的IP核,通過MATLAB中的FDATOOL濾波器設(shè)計工具,將濾波器的原型參數(shù)設(shè)計好,然后根據(jù)這些參數(shù)進行濾波器的IP核參數(shù)配置。本文采用IP核設(shè)計的方式可有效縮短開發(fā)周期。

(2)

水聲信道為緩慢時變、空變的相干多途信道,采用Hession矩陣判斷擴頻信號的時間壓縮性能,為

(3)

式(3)中,λS為采樣時刻同相位疊加訓(xùn)練長度,p2D為非有限帶寬下的深水對潛通信信道聚焦增益,傳播損失可由不同精度的射線模型來預(yù)測,得到水聲信道的子載波表達(dá)為

(4)

式(4)中,Dis(A)表示擴展損失,Dis(B)表示通信的碼間干擾。從時域看,根據(jù)不同的傳播條件,n取不同的數(shù)值,碼間干擾在通信信道中進行偏移向量糾正,衰減損失得到均衡處理,計算直線傳播球面波的擴展損失,表達(dá)式為

(5)

由于吸收和散射引起的傳播損失經(jīng)常同時存在,利用PTRM的時間壓縮和空間聚焦特性,可以有效地重組多徑信號、擬制碼間干擾,得到通信信道子載波間的正交性相關(guān)頻譜,系統(tǒng)函數(shù)的特征傳遞函數(shù)為

(6)

經(jīng)過FFT處理實現(xiàn)信號的時頻分解,由此實現(xiàn)了深水對潛擴頻通信的信道模型構(gòu)建,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　深水對潛擴頻通信的信道模型

2.2通信信號模型及干擾模擬

將深水對潛擴頻通信信號分解為正信號和負(fù)信號,構(gòu)建通信信號模型,深水對潛擴頻通信的脈沖響應(yīng)

(7)

式(7)中,ai(t)為對潛擴頻通信各路徑的歸一化幅度,τi(t)為時間延遲,Nm為通信信道路徑的條數(shù)。對接收陣元中的多徑分量進行調(diào)整,實現(xiàn)多徑分量的重構(gòu),得到深水對潛通信的OFDM信號為

(8)

(9)

利用相位駐定原理,引入限幅噪聲,求出盲源分離的分離點后,需要對盲源分離的系統(tǒng)進行信噪分離權(quán)值調(diào)整,以確保得到一個完整的源信號,選擇加權(quán)系數(shù)

(10)

3對潛通信抗干擾算法改進實現(xiàn)

3.1被動時鏡反轉(zhuǎn)技術(shù)的提出

分析上述信道模型和通信信號模型可見,在深水對潛通信過程中,在接收端對通信信號進行擴頻碼序列生成過程中容易產(chǎn)生碼間干擾,需要進行碼間干擾抑制,降低比特序列接收的誤碼率。對此,本文提出一種基于被動時鏡反轉(zhuǎn)的深水對潛通信碼間干擾抑制算法。PTRM技術(shù)可以分為主動和被動兩種方式,其分類依據(jù)是根據(jù)時間反轉(zhuǎn)鏡是否需要收發(fā)合置來確定。對于主動式時間反轉(zhuǎn)鏡來說,它可以將海洋等傳輸信道看作為一個匹配濾波器。由于信號兩次在海洋等信道中進行傳輸互易,其通信的等待時間有所增加,導(dǎo)致了通信效率的降低。在通信過程中是采用的雙向傳輸,收發(fā)合置的要求較高。發(fā)射功率不得不增加,同時系統(tǒng)的復(fù)雜性被提高。在時反鏡PTRM后面級聯(lián)自適應(yīng)均衡器,其效果優(yōu)于僅用時反鏡要有所提高和改進。對此,本文采用被動時鏡反轉(zhuǎn)技術(shù)進行干擾濾波和信道均衡設(shè)計。

3.2算法實現(xiàn)

在上述通信信道模型中,調(diào)整通信信息傳輸中接收陣元的多徑分量,探測信號對水聲信道進行估計,根據(jù)估計出的信道信息對接收陣元中的多徑分量進行調(diào)整,采用PTRM技術(shù),發(fā)射陣元首先發(fā)射p(t),采用單周控制方法,得到同時刻同相位疊加的通信信號的負(fù)信號消波幅度表示為

(11)

(12)

pri(t)=p(t)*hi(t)+npi(t)

(13)

(14)

r(t)=r′(t)*p(t)

=S(t)*p(-t)*δ(t)*p(t)+n(t)

?S(t)*δ(t)+n(t)

(15)

式中n(t)=n1(t)*p(t)為噪聲干擾項,由此可以通過被動時鏡反轉(zhuǎn),進行碼間干擾失真單周控制方法,實現(xiàn)對潛通信干擾抑制,提高通信系統(tǒng)的空間增益,實現(xiàn)信道均衡。最后,設(shè)計級聯(lián)自適應(yīng)均衡器實現(xiàn)信道均衡,算法實現(xiàn)流程框圖如圖3所示。

圖3　算法實現(xiàn)框圖

4仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)深水對潛通信中碼間干擾抑制性能,進行仿真實驗。仿真中需要得出不同處理增益下的PTRM直擴系統(tǒng)的均衡性能,并結(jié)合DS系統(tǒng)具有較強的抗多徑干擾的能力,在海試中,給出連續(xù)五個1s時間點對應(yīng)的水聲監(jiān)測信道,水聲探測信號采用頻帶為3kHz～15kHz、時寬為4ms的線性調(diào)頻信號。以此為仿真場景,構(gòu)建了PTRM直擴仿真通信系統(tǒng)。對PTRM分別結(jié)合DS、DS、PTRM三種系統(tǒng)進行仿真研究,且統(tǒng)計出了在不同信噪比、不同處理增益下三種系統(tǒng)的誤碼率情況。通信信號的采樣時間間隔為0.02s,前向跟蹤或后向估計時的相對鏡像平移速度為6m/s,尺度因子為0.9656,通過計算得到接收到的探測信號的碼間干擾混疊矩陣為

A=

(16)

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定和模型構(gòu)建,進行深水對潛通信的抗干擾仿真實驗,得出通信信號的時間序列波形如圖4所示。

圖4　通信信號的時間序列波形

以上述通信信號為研究樣本,進行抗干擾濾波設(shè)計,得到被動時鏡反轉(zhuǎn)抗干擾處理后的對潛通信系統(tǒng)輸出沖激響應(yīng)頻譜如圖5所示,從圖可見,采用本文算法能有效實現(xiàn)對潛通信的碼間干擾抑制,輸出頻譜具有較好的空間增益和聚焦性能。

圖5　對潛通信系統(tǒng)輸出沖激響應(yīng)頻譜

為了進一步定量分析本文算法在改善通信質(zhì)量方面的性能,采用誤比特率(Bit error rate,BER)為測試指標(biāo),采用100000次蒙特卡洛實驗,得到不同算法下在不同信噪比SNR誤比特率對比結(jié)果如圖6所示,從圖可見,采用本文算法,通過PTRM進行抗干擾設(shè)計,降低了通信誤比特率,性能得到改善。

圖6　誤比特率對比

5結(jié)語

深水對潛擴頻通信通常處于復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下,在接收端對通信信號進行擴頻碼序列生成過程中容易產(chǎn)生碼間干擾,需要進行碼間干擾抑制,本文提出一種基于被動時鏡反轉(zhuǎn)的深水對潛通信碼間干擾抑制算法。首先構(gòu)建深水對潛通信的擴頻信道模型和通信信號模型,采用被動時鏡反轉(zhuǎn)方法進行碼間干擾濾波設(shè)計,設(shè)計級聯(lián)自適應(yīng)均衡器實現(xiàn)信道均衡,改善了通信質(zhì)量,降低通信的誤碼率。仿真結(jié)果表明,采用本文算法具有較好的抗干擾性能,對潛通信的誤比特率比傳統(tǒng)方法得到明顯降低。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號TN911

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.011

作者簡介:孫波,男,工程師,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。王睿,男,工程師,研究方向:對潛水聲通信。

*收稿日期:2015年8月1日,修回日期:2015年9月24日