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基本信息
- 項目名稱：
- 適用于非常模信號的水下通信常數(shù)模算法
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 與無線電波通信相比，水下聲通信中存在的碼間干擾（ISI）更為嚴(yán)重，造成接收數(shù)據(jù)的高誤碼率。為了消除ISI，常采樣魯棒性強且易于實現(xiàn)的常數(shù)模（盲均衡）算法（CMA），CMA對于常模信號具有零穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)越性能，但是對于非常模信號穩(wěn)態(tài)誤差不為零，致使CMA在水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用受到嚴(yán)重影響。因此，對CMA進(jìn)行改進(jìn)，使其對于非常模信號也具有零穩(wěn)態(tài)誤差性能從而適應(yīng)水下通信環(huán)境是本研究的主要目的。
- 詳細(xì)介紹：
- 以4-PAM和16-QAM非常模信號為例，對其星座圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，找出各星座點幅度模值的相似之處，利用幅度模值變換的方法將非常模信號的多幅度模值轉(zhuǎn)換成單一幅度模值，例如4-PAM非常模信號的多幅度模值變換方式如圖1所示。依照該幅度模值變換方式對CMA代價函數(shù)進(jìn)行修正，新算法的目的是使均衡器的輸出信號幅度模值經(jīng)過相同的變換后，其新幅度模值與新統(tǒng)計模值相等，從而使CMA在對非常模信號進(jìn)行均衡時穩(wěn)態(tài)誤差為零。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 對CMA進(jìn)行改進(jìn)，使其對于非常模信號也具有零穩(wěn)態(tài)誤差性能從而適應(yīng)水下通信環(huán)境是本研究的主要目的。 以4-PAM和16-QAM非常模信號為例，對其星座圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，利用幅度模值變換的方法將非常模信號的多幅度模值轉(zhuǎn)換成單一幅度模值。 新算法的目的是使均衡器的輸出信號幅度模值經(jīng)過相同的變換后，其新幅度模值與新統(tǒng)計模值相等，從而使CMA在對非常模信號進(jìn)行均衡時穩(wěn)態(tài)誤差為零。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處
- 首次在常數(shù)模盲均衡算法中提出“模值變換”，使均衡器輸出誤差為零，并進(jìn)行了理論證明。 CMA對接收信號的調(diào)制類型未知，CMA就無法正常工作。而新算法的幅度模值變換方式同時適用于BPSK、2-PAM、4-PAM、4-QAM和16-QAM這5種不同調(diào)制類型信號。因此新算法不但具有零穩(wěn)態(tài)誤差性能，而且還可以實現(xiàn)信號調(diào)制類型識別。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 新算法穩(wěn)態(tài)誤差近似為零，在有噪水聲信道中新算法的穩(wěn)態(tài)誤差比CMA小50%以上，因此新算法有望在均衡難度較大的水下通信環(huán)境中得到應(yīng)用，如水下機(jī)器人控制、海上石油平臺遙控、水下無纜電話、海洋監(jiān)控等。由于新算法具有一定的信號調(diào)制類型識別能力，因此適合用于一些特殊領(lǐng)域，如政府實施無線頻譜管理、監(jiān)視民用信號；軍事領(lǐng)域中對敵方通信進(jìn)行干擾和偵聽等，因為在這些場合我們無法預(yù)先得知所截獲信號的調(diào)制類型。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 常數(shù)模算法在對非常模信號進(jìn)行均衡時，穩(wěn)態(tài)誤差無法收斂至零，致使CMA在碼間干擾嚴(yán)重的水下通信系統(tǒng)中的應(yīng)用受到嚴(yán)重影響。對常數(shù)模算法中的代價函數(shù)進(jìn)行修正，該代價函數(shù)能將非常模信號的多個幅度模值變換成單一幅度模值，從而使新算法的穩(wěn)態(tài)誤差為零。此外，新方法還具有一定的信號調(diào)制識別能力。理論分析和仿真結(jié)果證明了新算法的優(yōu)良性能。
獲獎情況
- 1、項目階段性研究成果論文《適用于非常模信號的常數(shù)模新算法》已經(jīng)被《通信學(xué)報》（通信領(lǐng)域國家一級期刊，EI刊源）錄用。 2、第十二屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽江西賽區(qū) 優(yōu)秀獎 3、第十二屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校級競賽 二等獎
鑒定結(jié)果
- 江西省科技廳指定查新機(jī)構(gòu)—江西省專利事務(wù)所查新報告：未檢索到與“適用于非常模信號的水下通信常數(shù)模算法”相同和相似、相關(guān)的文獻(xiàn)和專利。
參考文獻(xiàn)
- [1]張玲, 張賢達(dá), “MIMO-OFDM系統(tǒng)的盲信道估計算法綜述”[J], 電子學(xué)報 Vol. 35, No. 6A, pp1-6, 2007. [2]Trasapong Thaiupathump, Lin He and Saleem A. Kassam, “Square contour algorithm for blind equalization of QAM signals”[J], Signal Processing, Vol.86, No.11, pp3357-3370, 2006. [3]Silva M. T. M. and Nascimento V. H., “Improving the Tracking Capability of Adaptive Filters via Convex Combination” [J], IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.56, No.7, pp3137-3149, 2008. [4]劉琚, 何振亞, “盲源分離和盲反卷積”[J], 電子學(xué)報 Vol. 30, No. 4, pp570-576, 2002. [5]Sheikh SA and Fan PZ, “Blind equalization techniques based on improved square contour algorithm” [J], Digital Signal Processing, Vol.18, No.5, pp680-693, 2008. [6]鐘華, 金國平, 鄭林華, 崔健. “改進(jìn)MCMA盲均衡算法”[J]. 信號處理 Vol. 25, No. 5, pp766-770, 2009. [7]Jenq-Tay Yuan and Tzu-Chao Lin, “Equalization and Carrier Phase Recovery of CMA and MMA in Blind Adaptive Receivers” [J], IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.58, No.6, pp3206-3217, 2010.
同類課題研究水平概述
- 在無線通信環(huán)境中，由于多徑傳輸和有限信道帶寬而產(chǎn)生的碼間干擾（Instersymbol interference，ISI）使信號產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，這種現(xiàn)象在水聲信道中尤為嚴(yán)重[1]。為了減小ISI，需要采用自適應(yīng)均衡技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的自適應(yīng)均衡，盲均衡不需要周期地發(fā)射訓(xùn)練序列，提高了信道利用率，因而更適合用于（水下）信道均衡，同時它還是第四代移動通信系統(tǒng)（4G）中完成信道估計的重要方法之一[2]。 在盲均衡算法中，其代價函數(shù)往往由均衡器的輸出信號和發(fā)射信號的統(tǒng)計信息組成，算法通過隨機(jī)梯度下降法對均衡器抽頭系數(shù)進(jìn)行迭代，直至最小化代價函數(shù)。其中，發(fā)射信號的統(tǒng)計信息由發(fā)射信號的星座圖決定，不同的星座決定了不同的統(tǒng)計信息，我們把這個統(tǒng)計信息稱之為“統(tǒng)計模值”。常數(shù)模算法（Constant Modulus Algorithm，CMA）具有強魯棒性和信號眼圖睜開能力并且易于實現(xiàn)[3,4]，是盲均衡技術(shù)中最著名的算法之一。對于常模發(fā)射信號，CMA分?jǐn)?shù)間隔均衡器在無信道噪聲的情況下，均衡器輸出誤差可以收斂至零，而對于非常模發(fā)射信號，誤差卻無法收斂至零[5]。后者誤差無法收斂至零的一個重要原因是發(fā)射信號星座的幅度模值與統(tǒng)計模值不匹配，為此許多文獻(xiàn)都試圖通過改變發(fā)射信號的幅度模值來減小算法的穩(wěn)態(tài)誤差：文獻(xiàn)[6,7]提出了著名的多模算法，對接收信號的實部和虛部分別進(jìn)行均衡，減小了穩(wěn)態(tài)誤差而且一定程度上克服了載波相位旋轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)[8,9]對多模算法進(jìn)行了優(yōu)化，性能得到進(jìn)一步提升，但是發(fā)射信號星座幅度模值與統(tǒng)計模值不匹配的現(xiàn)象仍然存在，穩(wěn)態(tài)誤差依然無法收斂至零；文獻(xiàn)[10~12]針對不同的QAM信號使用匹配的模值進(jìn)行均衡，但是卻受到某些參數(shù)或條件的控制。 因此，研究新的CMA盲均衡算法，該算法在對非常模信號進(jìn)行均衡時穩(wěn)態(tài)誤差能夠收斂至零，使其更適合用于多途干擾嚴(yán)重的水下通信環(huán)境，是本研究的主要目的。
