近年來，對大深度快速運動場景下高譜效水聲通信技術(shù)的需求不斷增加。相干高階調(diào)制方案是實現(xiàn)高譜效水聲通信的主要手段,但要確保可靠通信,關(guān)鍵在于能夠有效地跟蹤并消除快時變信道特性。

在以往的研究中，針對高階調(diào)制信號多采用嵌入鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）的判決反饋均衡器（Decision Feedback Equalizer, DFE）作為接收方案,但是PLL存在相位偏移估計性能隨信號星座圖案增大而降低的問題，在快速移動下僅利用PLL無法補償嚴(yán)重的定時偏差，并且隨著調(diào)制階數(shù)的增加，DFE判決導(dǎo)引可靠性將降低。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)實驗室博士研究生寇旭以及武巖波研究員等人利用后向維納平滑濾波器(backward smoothing, BS)提高高階調(diào)制下相位跟蹤的準(zhǔn)確性，提出了基于逐符號重采樣的定時環(huán)路（Phase-and-Timing-Locked Loop, PTLL）補償Doppler帶來的信號相位扭曲和時間上的拉伸壓縮。并且設(shè)計了一種逐符號的基于自適應(yīng)信道估計的均衡結(jié)構(gòu)(Adaptive Channel-Estimation based Equalizer, ACEE)，利用高階高碼率低譯碼延遲的網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)（Trellis-Coded-Modulation, TCM）逐符號保護高階調(diào)制信號的判決導(dǎo)引，提高均衡的準(zhǔn)確性。相關(guān)研究成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Applied Acoustics。

數(shù)值仿真分析結(jié)果表明，這種接收方案可以容忍高達(dá)2 m/s²的徑向相對加速度，而傳統(tǒng)方案即使在使用多普勒效應(yīng)預(yù)補償?shù)那闆r下也會在徑向相對加速度為0.5 m/s²時表現(xiàn)出退化。在3700 m海區(qū)的試驗中，頻帶為10±2.5 kHz，信噪比為24.06 dB，發(fā)射波束覆蓋范圍為±40°，通過四通道處理，實現(xiàn)了7.25 bps/Hz的頻譜效率，超過134.13kbps×km。較傳統(tǒng)相干水聲通信方案，信噪比要求降低了6dB以上，可以實現(xiàn)更大的距離和角度覆蓋范圍。

本研究得到國家重點研發(fā)計劃（No.2021YFC2800200）、國家自然科學(xué)基金（No.61971472）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（No.XDA22030101）的資助。

圖1 判決反饋模式下所提接收框圖（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）

圖2 四種接收方案在不同均勻加速度運動下的均衡性能（64-QAM）（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）

（a）DFE-PLL （b）ACEE-TCM-PLL （c）ACEE-TCM-BS-PTLL

圖3 解調(diào)后的符號（圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所）

關(guān)鍵詞：高譜效水聲通信；快時變場景；鎖相定時環(huán)路

參考文獻：

Kou X, Wu Y, Zhu M, et al. High-spectral-efficiency underwater acoustic communication with integrated phase tracking and timing resampling in fast time-varying scenarios. Applied Acoustics, 2024, 221: 110031. DOI: 10.1016/j.apacoust.2024.110031

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2024.110031