Ξ两种水声信道模型中信噪比估计算法王海燕,姜吉吉,申晓红,白峻(西北工业大学航海学院,陕西西安710072)摘要:文章研究了水声信道模型和深海垂直信道的信噪比估计的理论和算法,提出了浅海多径信道模型下的信噪比估计算法。利用接收信号对两种水声信道模型下常用数字调制信号和水声跳频信号的信噪比进行估计,用湖测信道对算法进行了仿真。仿真结果表明在实际信噪比为-10～10dB时,两种信噪比估计算法的结果均良好,估计的均值和实际信噪比的误差均小于1dB,算法适应性强,性能稳定。浅海多径信道中算法的估计性能不受多径数目的影响,其估计结果略差于关键词:信噪比估计,深海垂直信道,浅海多径信道中图分类号:TN914文献标识码:A文章编号:100022758(2009)0320368205随着海洋开发事业和水下装备智能化的快速发展,人们利用水声通信系统传送各种信息的需求大为增加,水声通信技术已成为国内外研究的热点。为了提高水声通信质量,各种基于电磁波传播的无线通信系统的理论被应用到水声信道中,并结合水声通信的特点对其进行修正和改进1。无线通信系统中的自适应技术具有适应周围环境变化的能力,因此在通信环境不断变化的场合,自适应技术具有优良的性能,可以保证通信系统的正常工作。由于水声信道的复杂性,水声通信系统是环境背景不断变化的通信系统,将自适应技术引入水声通信中将有助于克服水声信道的随机变化特性,提高通信质量。信噪比在各种自适应技术中是一个很重要的参数,人们可以通过它来控制通信频率或切换调制方式,还可以它为依据进行自适应频率和功率控制2。此外,信噪比的估计结果还可以用来对多普勒频移及目标运动速度等参数进行估计。本文研究了两种水声信道模型中,信噪比估计的理论和算法。结合水声通信的特点,对文献3中的信噪比估计算法进行了改进。在无需训练序列的前提下,利用接收信号对两种水声信道模型下常用数字调制信号和水声跳频信号的信噪比进行估计,对估计结果和算法性能进行了分析和讨论,对不同多径数目对算法性能的影响进行了对比分析。1信号模型111深海垂直信道深海垂直信道通常假设为单途径、无畸变的理想信道。假设s(t)为基带信号x(t)经调制后的信x(t)ej2Πfs(t)=(1)式中,fc为载波频率。s(t)通过加性高斯白噪声(AWGN)信道,接收信号可由下式表示y(t)=s(t)+Ξ(t)式中Ξ(t)是谱密度为N0ƒ2的高斯白噪声。112浅海多径信道(2)浅海多径信道是一个多径衰落信道。假设水声通信从发射端到接收端共有L条不同路径的声线,则接收信号由下式表示Ly(t)=∑Αnexp(j(Ωn(t))s(t-Σn)+Ξ(t)(3)n=1式中,Αn、Ωn和Σn分别为第n条路径的幅度、相位和时延,s(t)、Ξ(t)同上所述。由(3)式可以看出,浅海传输信道可以看作为时变离散多径信道,其时变冲激响应函数模型为L212浅海多径信道文献3利用通信系统的等效基带传输系统对信噪比估计算法进行推导,由于接收信号会通过一个低通滤波器,所以接收信号的自相关函数会包含一个sinc函数,这会为求解信噪比带来困难。由于进行水声通信时的载波频率远低于进行空中无线通信时的载波频率,因此本文提出了不用通信系统的等效基带传输系统,而是直接使用频带传输信号对信噪比进行估计,使自相关函数中的sinc函数变为冲激函数。由于冲激函数当自变量不为零时其值为零,故可大大简化信噪比估计算法。建立估计SNR模型如下:接收信号的自相关函数为<yy(Σ)=E[y(t)y(t+Σ)]h(t,Σ)=∑Αnexp(j(<n(t))∆(Σ-Σn)(4)n=12信噪比估计211深海垂直信道接收信号经采样后由下式表示y(k)=s(k)+Ξ(k)(5)式中Ξ(k)为独立的零均值、复高斯随机过程,且满足E[Ξ(k)ΞH(l)=Ρ2∆k(6)n式中,上标H表示共轭转置,Ρ2表示噪声功率,∆kl表n示Kronecker函数。接收信号的自相关矩阵为Ryy=E{y(k)y(k)H}2E[yQ(t)yI(t+Σ)sin2ΠfcΣ+Ρn∆(Σ)s(n)+Ξ(k)]H}=E{s(k)+Ξ(k)2=<yy(Σ)cos2ΠfcΣ-<yy(Σ)sin2ΠfcΣ+Ρn∆(Σ)=E{s(k)s(k)H}+E{Ξ(k)Ξ(k)H}22(7)=式中,ΡJ0(2ΠFmΣ)cos(2ΠfcΣ)+Ρn∆(Σ)(13)=Rss+RΞΞΡ2为信号功率,Ρ2为噪声功率,J0(x)为第一由该式可知接收信号y(k)的自相关矩阵等于信号s(k)和噪声Ξ(k)的自相关矩阵之和。由自相关矩阵的性质知,Ryy、Rss、RΞΞ均为共轭对称的半正定矩...