Page 71 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 胡承昊等： 基于 Polar 码的水声通信信源信道联合译码方法 67

于2020年12月在千岛湖开展了一次水声通信实验。 phase shift keying, QPSK) 调制得到通信信号，并
实验采用单发单收模式，实验水域水深约为 45 m。 利用换能器发送，其中，发射中心频率为 7.5 kHz，
发射端通过在实验平台上吊放水声换能器的方式 带宽为 5 kHz，发送符号速率为 2500 符号每秒，通
发射通信信号，吊放深度约为 10 m。接收端利用 信速率为 4000 bit/s。在发射信号前端加入长度为
摩托艇在预设通信距离处吊放水听器进行接收，接 600 bit的训练序列用于DFE抽头系数的训练阶段，
分别占两种信号发送信息总数的1.5%和0.7%。
收深度约为 15 m。实验期间的通信距离在 200 ∼
4000 m之间。图8为实验整体示意图。 接收端，接收信号经过解调后利用DFE补偿水
声信道 ISI，采用递归最小二乘算法作为 DFE 中的
实验共发送两种类型的信号。第一种信号 T 1
发送的信源为 DPCM 图像编码序列。从 USC-SIPI 自适应算法。作为对比，对均衡后的结果分别利用
图像数据集中选取28张灰度图构建图像训练集。将 传统分离译码和本文所提方法进行译码。在所提方
训练集中的每张图像均拆分为若干个 32 × 32 的子 法的译码过程中，令参数 B = 4、α = 1.5。在分离
图，对每个子图分别进行DPCM编码并统计信源先 译码过程中，令 SCL 译码的列表大小 L = 32。当传
验信息。取各子图信源先验信息的平均值用于后续 输图像序列时，译码结果再经过DPCM译码恢复出
的编译码。编码时，对图9所示的灰度图像以同样的 图像。
方式进行 DPCM编码，根据从训练集中获取的信源 4.2 实验结果
先验信息进行Huffman编码生成信息序列。第二种
为了更加清晰地展示发送图像序列时所提方
信号T 2 发送的信源为随机序列，采用与仿真相同的
法的性能，以通信距离 277 m 处的接收信号为例
方式随机产生，其信源先验信息由图9统计得到。随
进行分析，该信号对应的信号类型为 T 1 。图 10(a)、
机产生的信源序列经Huffman编码得到信息序列。
图 10(b) 分别展示了该接收信号的时变信道冲击响
应估计结果和瞬时信道冲击响应估计结果。可见，

ࠄᰎࣱԼ ୕੬ᓙ 该信号对应的信道响应长度可达 50 个符号间隔以
10 m 15 m 上，且存在时变性。在均衡过程中，令前馈滤波器阶
45 m ૱ᑟ٨ ඵզ٨ 数为80，反馈滤波器阶数为60，遗忘因子λ = 0.998。

图 11(a)、图 11(b) 分别为传统分离译码和所提方
法译码所恢复的图像，其对应的误比特率分别为
2.7×10 −2 和0。此时，由于误码的产生，传统分离译
图 8 实验示意图
码恢复的图像中存在大量噪点，而所提方法能够完
Fig. 8 The experimental configuration
整地恢复原始图像。
对通信距离 200 ∼ 4000 m 处接收信号的误比
特率进行统计，结果如表 3 所示。对于信号T 1 ，所提
方法在所有通信距离上实现了无误码通信，而传统
分离译码方法的 BER 仍然为 3.7×10 −3 。对于信号
T 2 ，所提方法可将系统BER由传统分离译码方法的
1.9×10 −2 降低至 4.0×10 −4 ，降幅可达一个数量级
以上。可见，所提方法能够有效利用信源符号间相
关性导致的残留冗余抵抗信道差错，在不降低通信
速率的情况下提高水声通信系统可靠性。
图 9 实验发送的灰度图
表 3 实测误比特率
Fig. 9 The grayscale image transmitted in the
Table 3 Measured bit error rate
experiment
两 种 信 息序 列 经 过 码 长 N = 1024、 码 率 信号类型 T 1 T 2
R = 4/5 的Polar码编码生成码字，其中，Polar码采 SSCD 3.7×10 −3 1.9×10 −2
用高斯近似法构造，构造参考比特信噪比为2.5 dB。 P-JSCD 0 4.0×10 −4
发送信息比特数 713120 321008
码字经过交织后利用正交相移键控 (Quadrature