基于碼內(nèi)干擾抑制的短波通信信道均衡算法

邸珩燁

摘 要：短波通信中，由于波特率采樣混疊會造成碼內(nèi)干擾，影響信道均衡。為此，文中提出了一種基于碼內(nèi)干擾抑制的短波通信波特間隔信道均衡算法。該算法將構(gòu)建短波通信信道模型，并設(shè)計(jì)碼內(nèi)干擾抑制算法，同時基于前向?yàn)V波和反向?yàn)V波設(shè)計(jì)波特間隔均衡器，以實(shí)現(xiàn)短波通信信道的波特間隔信道均衡算法改進(jìn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該算法能有效抑制短波通信的碼內(nèi)干擾，改善通信質(zhì)量，均衡性能較好，可有效降低通信碼元的誤碼率。

關(guān)鍵詞：短波通信；波特率；信道均衡；抑制算法

中圖分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

短波通信技術(shù)是通信工程領(lǐng)域的重要分支，無論是在軍事防衛(wèi)領(lǐng)域還是在民事領(lǐng)域，短波通信都有著廣闊的發(fā)展前景。短波通信是波長在100～10 m之間，頻率范圍3～30MHz的一種無線電通信技術(shù)。短波通信廣泛應(yīng)用在飛行導(dǎo)航、雷達(dá)控制、無線電傳輸和遙感探測等領(lǐng)域。短波通信發(fā)射電波要經(jīng)電離層的反射才能到達(dá)接收設(shè)備，通信距離較遠(yuǎn)，是遠(yuǎn)程通信的主要手段[1]。短波通信中，由于波特率采樣混疊會造成碼內(nèi)干擾，影響信道均衡，因而需要進(jìn)行碼內(nèi)干擾抑制和信道均衡設(shè)計(jì)，研究短波通信的信道均衡算法在提高通信性能方面具有重要意義。傳統(tǒng)方法主要采用的是匹配濾波方法抑制信道畸變，以實(shí)現(xiàn)信道均衡，但不能有效抑制因?yàn)椴ㄌ芈什蓸釉斐傻幕殳B效應(yīng)產(chǎn)生的碼內(nèi)干擾[2]。針對這一問題，本文提出了一種基于碼內(nèi)干擾抑制的短波通信波特間隔信道均衡算法，并通過算法設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，展示了本文算法的優(yōu)越性能，提高了短波通信質(zhì)量。

1 短波通信信道模型構(gòu)建和碼內(nèi)干擾抑制算法

1.1 短波通信信道模型構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)短波通信信道均衡，需要首先進(jìn)行信道模型構(gòu)建，短波通信信道復(fù)雜，短波信道的多徑結(jié)構(gòu)取決于無線電傳輸頻率和空間增益[3]，得到短波通信信道模型表達(dá)為：

（1）

其中，an（t）是第n條路徑上沖激響應(yīng)特性，τn（t）為第n條路徑的傳播延時，fc為信道碼間干擾頻率，sl（t）為需要短波傳輸?shù)男畔?。信道對信號的畸變將更加的?yán)重，基于自適應(yīng)均衡設(shè)計(jì)進(jìn)行通信信號調(diào)制解調(diào)，對經(jīng)過多徑信道和噪聲污染后的信號進(jìn)行解調(diào)，假定信道的沖激響應(yīng)是寬平穩(wěn)（WSS）隨機(jī)過程，即滿足：

（2）

假定不同時延（路徑）的短波通信信號的幅度和相位值不相關(guān)（US， Uncorrelated Scattering）[4]，聲通信然后PS等待一段時間T，發(fā)射信息信號S（t），根據(jù)聲線理論，計(jì)算出接收機(jī)處的本征聲線，可得到短波多徑信道的脈沖響應(yīng)為：

（3）

其中ai和τi分別是對應(yīng)于不同路徑（即不同的本征聲線）的傳播衰減系數(shù)，由于在短波通信信道中，無線電電離層的高度和密度容易受晝夜、季節(jié)、氣候等因素的影響，離散多徑信道中的每條徑可看作是大量散射成分共同作用的結(jié)果，所以短波通信的穩(wěn)定性較差，本文提取通信信號的脈沖響應(yīng)為：

（4）

其中，τ為時延，α為碼元速率，進(jìn)而得到WSSUS信道的自相關(guān)函數(shù)可表示為：

（5）

采用旁瓣波束形成算法進(jìn)行信號功率放大。并由此實(shí)現(xiàn)短波通信信道的模型構(gòu)建，從而為進(jìn)行信道均衡算法設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1.2 碼內(nèi)干擾抑制算法

短波通信中由于波特率采樣混疊造成碼內(nèi)干擾，影響信道均衡，本文設(shè)計(jì)碼內(nèi)干擾抑制算法，信道沖擊響應(yīng)可以表示為：

（6）

無線電通信信道為一個時變多途衰落信道，信道多徑分量存在相位偏移，由該信道傳輸后的接收信號加入多徑分量的相位偏移，使均衡器的頻率特性等于信道頻率特性的逆，得到碼內(nèi)干擾下的信道沖擊響應(yīng)輸出為：

（7）

假設(shè)輸入信號s（t）的帶寬為W，在輸入端周期性地發(fā)送超過信道脈沖響應(yīng)長度的數(shù)據(jù)訓(xùn)練序列，根據(jù)抽樣定理，其等效低通信號可以表示為：

（8）

其中，B=W/2為等效基帶信號帶寬，采樣間隔T=1/2B=1/W。通過上述分析，從而間接獲得信道的寬帶特性，這樣就可以消除碼內(nèi)干擾。

2 短波通信波特間隔信道均衡算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

在上述進(jìn)行碼內(nèi)干擾抑制的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于碼內(nèi)干擾抑制的短波通信波特間隔信道均衡算法，由于無線通信信道存在著嚴(yán)重的碼內(nèi)干擾現(xiàn)象，采用波特間隔均衡器對通信信號進(jìn)行最佳采樣，在多徑信道中，等價于匹配濾波器后跟隨一個最佳采樣符號，輸出等效低通信號為：

（9）

短波通信信道對于信號產(chǎn)生的相位偏移作用會產(chǎn)生多徑效應(yīng)，在短波通信信道中，波特間隔多徑分量達(dá)到對于所有的ω，等于一個碼元寬度，即|V（ejω）|=1，而采用PSK技術(shù)可使短波通信的波特檢測均衡調(diào)制總是保持最佳的狀態(tài)，可見，本文設(shè)計(jì)的波特間隔信道均衡表現(xiàn)為一種時變特性和均衡特性，每一條路經(jīng)的衰減具有時變自相關(guān)特性，自相關(guān)函數(shù)為：

（10）

式中，WT為最佳分?jǐn)?shù)間隔。通過上述算法可設(shè)計(jì)一個以碼元速率取樣為T的波特間隔均衡器，包括兩個抽頭延遲濾波器：一個是前向?yàn)V波器（FFF），另一個是反向?yàn)V波器（FBF）[5]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 波特間隔均衡器

結(jié)合圖1分析可見，采用本文方法，充分利用有限的短波通信信道帶寬和空間沖激響應(yīng)，通過碼內(nèi)干擾抑制，可實(shí)現(xiàn)波特間隔信道均衡。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文算法在提高短波通信信道均衡性能方面的優(yōu)越性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺建立在Matlab 7仿真軟件的基礎(chǔ)上，仿真信號為BPSK調(diào)制信號，由于BPSK調(diào)制信號具有多徑時變寬帶特征，所以可以作為短波通信系統(tǒng)的仿真信號，短波通信中碼元速率為1 kBaud，短波通信載波頻率為3kHz，信號采樣頻率為10倍載波頻率。構(gòu)建短波通信的信道模型，設(shè)定碼內(nèi)干擾幅度為-2～10 dB，得到在短波通信多徑信道中的通信信號模型如圖2所示。

圖2 短波通信信號波形

根據(jù)上述信號采樣，以不同多徑時延信道下的BPSK 信號波為實(shí)驗(yàn)樣本，進(jìn)行短波通信仿真，分別在碼元1/3和2/3處進(jìn)行抽樣，前饋濾波器階數(shù)為24，采樣本文方法進(jìn)行碼內(nèi)干擾抑制，最后實(shí)現(xiàn)短波通信信號輸出，為了對比算法性能，分析傳統(tǒng)PTS-Clipping信道均衡算法和本文算法進(jìn)行短波通信的誤碼率BER隨信噪比的變化，得出的仿真結(jié)果如圖3所示。從圖可見，采用本文算法，通過信道碼內(nèi)干擾抑制，使得在采用本文的誤碼率比傳統(tǒng)方法有大幅度的降低，隨著碼內(nèi)干擾進(jìn)一步抑制，信噪比ω的不斷增大，誤碼率降低為0，從而展示了本文算法在改善短波通信性能方面的優(yōu)越性能。

圖3 短波通信誤碼率性能分析

4 結(jié) 語

本文研究了短波通信的信道均衡問題，提出了一種基于碼內(nèi)干擾抑制的短波通信波特間隔信道均衡算法，該算法首先進(jìn)行短波通信信道模型構(gòu)建和碼內(nèi)干擾抑制算法設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)波特間隔均衡器，再實(shí)現(xiàn)短波通信信道的波特間隔信道均衡算法改進(jìn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文算法能有效抑制短波通信的碼內(nèi)干擾，改善通信質(zhì)量，均衡性能較好，可有效降低通信碼元的誤碼率。

參考文獻(xiàn)

[1]趙威.基于魚雷自導(dǎo)的艦船尾流回波模型建立方法[J].艦船電子工程，2013，33（4）：81-83.

[2]喬瑩，賀玉成，周林.新型信道自適應(yīng)編碼協(xié)作體制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2015， 35（5）： 1218-1223.

[3]石鑫，周勇，胡光波.基于信號峰脊陡變調(diào)制的雷達(dá)測距算法[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（4）：12-14.

[4]陸許明，戴建強(qiáng)，譚洪舟.高效的多徑衰落信道系系及其硬件實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2014，26（1）：197-201.

[5]胡香娟.可見光通信中LED失真負(fù)信號消波抑制算法[J].科技通報，2014，30（8）：143-145.