Page 182 - 《应用声学》2025年第2期
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                                                               统，缺少对高阶MQAM-FTN水声通信系统的研究，
             0 引言
                                                               这主要是由于高阶 MQAM-FTN 系统对均衡算法
                 水声通信在水下探测和研究中发挥着重要作                           的检测性能要求较高，且消除高阶调制FTN信号的
             用。随着人们对海洋环境感知、科学应用和商业                             ISI 所需计算复杂度较高         [15] 。基于向量近似消息传
             活动的兴趣日益浓厚，需要具有更高信息传输速                             递 (Vector approximate message passing, VAMP)
             率的数字声学通信系统            [1−2] 。在海水中声波的频             算法的均衡器能够在保证均衡器性能的前提下降
             率越高，声吸收衰减越严重。水声信道是典型的                             低计算复杂度       [16−18] ，在性能和收敛性方面均接近
             带宽受限信道，水声通信可用频率范围只有几十                             贝叶斯最优。探索 VAMP 均衡算法在 FTN 水声通
             千赫兹   [3] 。为了提高水声通信系统的传输容量，可                      信系统中的应用，对实现高速率高阶 MQAM-FTN
             以采用多进制正交幅度调制 (Multiple quadrature                 传输具有重要研究意义。
             amplitude modulation, MQAM)技术     [4−6] 。然而通          单频或窄带通信系统的多普勒近似等效为载
             信系统的调制阶数越高，对信道的信噪比要求越高。                           波偏移，可以由载波同步技术和锁相环来恢复。水
             受水声信道环境特性限制，当系统调制阶数难以                             声通信是宽带系统，多普勒在每个载频分量上的偏
             增大时，可以从非正交角度提高频谱效率 (Spectral                      移不同，且多普勒随收发端相对运动和波浪等抖动
             efficiency, SE)。常规通信系统为避免符号间干扰                      而存在时变性，这种宽带时变多普勒在时域上的影
             (Inter-symbol interference, ISI) 通常采用奈奎斯特         响表现为接收信号符号间隔的扩展或压缩                      [19−20] ，
             (Nyquist)信号，确保发送脉冲波形在采样点处满足                       在频域上表现为时变相位偏移。对信号多普勒影响
             正交性。而超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist, FTN)              的有效补偿有利于后续的均衡模块进一步消除信
             传输技术通过成形滤波器压缩符号间隔，打破这种                            号失真。为了补偿高阶MQAM-FTN信号的多普勒
             正交性，并在接收端利用均衡技术消除 ISI，从而提                         影响，需要准确估计每个符号的定时偏移量。相关
             升通信系统的 SE 和通信速率。FTN 通信技术能与                        峰sinc插值技术利用具有理想低通性能的sinc函数
             现有通信模块良好兼容，引起了水声通信领域学者                            对离散的信号匹配相关结果进行插值重构                      [21−22] ，
             的关注   [7−10] 。                                    在相关峰点附近实现升采样，得到更精确的分数间
                 在水声通信中，水声信道具有严重的多径                            隔的匹配峰值，可以用来对FTN信号多普勒分数定
             传播特性和多普勒效应             [11] ，这种时延多普勒双             时偏移进行估计。
             扩展信道给 FTN 通信带来新的挑战。为消除水                               从多普勒补偿和符号均衡角度，对高阶调制
             声信道对 FTN 信号的干扰，张友文等                 [12]  采用递     的 MQAM-FTN 水声通信系统设计接收机。为恢
             归最小二乘直接自适应 Turbo 均衡 (Direct adap-                 复时变宽带多普勒对信号造成的时间缩放和相位
             tive Turbo equalization, DATE) 级联多普勒插值            偏移，设计一种基于相关峰 sinc 插值的连续定时估
             器，在湖试高速走航试验中实现正交相移键控                              计(sinc interpolation based continuous timing esti-
             (Quadrature phase shift keying, QPSK)调制下SE        mation, SICTE)方法，估计每个FTN信号的定时偏
             为1.8 bits/(s·Hz)的FTN信号无差错传输。Li等            [13]   移量，并根据估计结果对每个FTN信号进行重采样
             考虑了水声信道的稀疏特性，采用基于改进比例                             和相位补偿。针对MQAM-FTN信号提出基于噪声
             归一化最小均方算法的 DATE，并通过数据重用                           重构的 VAMP 信道估计 Turbo 均衡 (Noise recon-
             (Data reuse, DR) 多次利用有限长度的训练序列，                   struction VAMP based channel-estimated Turbo
             提高了均衡算法在低信噪比下的性能。Qing 等                    [14]   equalization, NR-VAMP-CETE)，通过信道估计
             在 QPSK-FTN 系统下提出具有 3 层信道估计的低                      结果来重构噪声并估计噪声方差，重构噪声中包含
             复杂度软信息交互 Turbo 均衡器，将前中后 3 次信                      水声信道和 FTN 信号的共同影响，VAMP 软均衡
             道估计的算术平均作为最终估计的信道，湖试证                             器通过自迭代挖掘符号增益，消除 MQAM-FTN 信
             明该算法具有较强的抗 ISI 能力，且比基于时域的                         号的ISI。最后，将所提高阶MQAM-FTN通信系统
             自适应 Turbo 均衡器具有更低复杂度。综上所述，                        在南海进行垂直通信试验，验证所提接收机在处理
             水声通信FTN系统的研究主要针对QPSK-FTN系                         FTN信号上的性能。
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