水声迭代接收机中的超Nyquist技术和速率兼容编码技术
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ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ＯＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｗｈｉｔｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｎｏｉｓｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ａ ｈｉｇｈ ＳＮＲ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆ ｒｏｍ ａ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ （ｕｐ ｔｏ ６ ｋｎｏｔｓ）ｓａｉｌｉｎｇ ｔｒｉａｌ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｒｒｏｒ—ｆｒｅｅ ｂｉｔ ｒａｔｅ ａｎｄ ａ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｆ ｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ １．８ ｂｉｔ／（ｓ ·Ｈｚ） ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｒｉｃｈ ｍｕｈｉｐａｔｈ
摘 要 ：为 良好 水声信道 条件 设计的通信方案在恶劣信道 条件 下无 法工作 ，而为 恶劣水 声信 道条 件设计 的通信 方 案在 良好信 道条件下 虽然 可以有效 工作 ，但 是 系统频谱利 用率极低 ；为提 高系统 的频 带利 用率，通 常的手段是提 高 调 制星座的阶数 ，然而大量 实践研 究工作表明 高阶 的调 制 星座很难 在水 声信道有 效工作 。针对 以上 问题 ，本 文提 出一 种 联 合 超 Ｎｙｑｕｉｓｔ信 号发 射 技 术 和 速 率 兼 容 打 孔 编 码 技 术 的 自适 应 迭 代 接 收 技 术 ；在 低 阶 星 座 条 件 下 通 过 超 Ｎｙｑｕｉｓｔ信号发射技术可提 高系统 的频 带利 用率 ，采 用速 率兼容打 孔卷积码 编码技术可适应信道 变化提 高 系统 的稳 健性 。仿真研 究表 明本 文提 出的方案的频谱 利 用率在较 高信噪 比的加 性 高斯 白噪声信 道 条件 下可 以超过 ＱＰＳＫ 调制的信道容量 ， 湖上 高速（最 高 ６ ｋｎ）走航试验表 明：在浅水 时变的 多途信道条件 下 ，本文提 出的超 Ｎｙｑｕｉｓｔ发射 方 案 可 是 实现 无误 码 率数 据 传 输 ，其 频 谱 利 用 率 为 １．８ ｂｉｔ／（ｓ·Ｈｚ） 关键词 ：迭代接收机 ；水声通信 ；多途扩展 ；多普勒扩展 ；超 Ｎｙｑｕｉｓｔ技术 ；速率兼容打孔编码技术 ；迭代 均衡 ｄｏｉ：１０．１ １９９０／ｊｈｅｏ．２０１５０３００１ 网络 出版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉ１／２３．１３９０．ｕ．２０１６０３０８．１２５７．００８．ｈｔｍｌ 中 图分 类 号 ：ＴＮ９１１．５；ＴＢ５６７ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００６—７０４３（２０１６）０４—０５３８—０６
第 ３７卷第 ４期 ２０１６年 ４月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报
ｅｅｒｉｎ￣ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ 迭 代 接收 机 中的超 Ｎｙｑｕｉｓｔ技 术 和速 率兼 容 编码 技术
张 友 文 一，孙 大 军 ，刘璐 ２
（１．哈尔滨工 程大学 水声技术重点实验室 ，黑龙江 哈尔滨 １５０００１；２．哈尔滨工程大学 水声工程学 院 ，黑龙江 哈尔滨 １５０００１）
ｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＣＯＩＬＳｔｅｌｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｅ—ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｐｕｎｃｔｍ ｅｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｃａｎ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ ａｄｊｕｓｔ ｔｏ ｃｈａｎｇｅｓ
ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅ１．Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｃａｎ ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ
Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｐｅｒ－－Ｎｙｑｕｉｓｔ ａｎｄ ｒａｔｅ－－ｃｏｍ ｐａｔｉｂｌｅ ｐｕｎｃｔｕｒｅｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍ ｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕｗｅｎ 一．ＳＵＮ Ｄａｊｕｎ 一。ＬＩＵ Ｌｕ ，
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｇｏｏｄ ｅｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｄｏ ｎｏｔ ｗｏｒｋ ｗｅｌ Ｊｉｎ ｈａｒｓｈ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． ａｎｄ ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｏｓｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｈａｔ ｓｈ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｇｏｏｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｃｏｍｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ；ｗｈｉｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌ ａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｓｙｓｔｅｍｓ． ｅｍｐｉｒｉｃａ１ ｓｔｕｄｉｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａ ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｄｉｍ ｃｕｈｙ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎ— ｎｅｌｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ—Ｎｙｑｕｉｓｔ ａｎｄ ｒａｔｅ—ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｐｕｎｃｔｕｒｅｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ—Ｎｙｑｕｉｓｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｌｏｗ—ｏｒ—
（１．Ａｃｏｕｓｔｉｃ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｌｅｒ Ａ ｅｏｕｓｔｉｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
摘 要 ：为 良好 水声信道 条件 设计的通信方案在恶劣信道 条件 下无 法工作 ，而为 恶劣水 声信 道条 件设计 的通信 方 案在 良好信 道条件下 虽然 可以有效 工作 ，但 是 系统频谱利 用率极低 ；为提 高系统 的频 带利 用率，通 常的手段是提 高 调 制星座的阶数 ，然而大量 实践研 究工作表明 高阶 的调 制 星座很难 在水 声信道有 效工作 。针对 以上 问题 ，本 文提 出一 种 联 合 超 Ｎｙｑｕｉｓｔ信 号发 射 技 术 和 速 率 兼 容 打 孔 编 码 技 术 的 自适 应 迭 代 接 收 技 术 ；在 低 阶 星 座 条 件 下 通 过 超 Ｎｙｑｕｉｓｔ信号发射技术可提 高系统 的频 带利 用率 ，采 用速 率兼容打 孔卷积码 编码技术可适应信道 变化提 高 系统 的稳 健性 。仿真研 究表 明本 文提 出的方案的频谱 利 用率在较 高信噪 比的加 性 高斯 白噪声信 道 条件 下可 以超过 ＱＰＳＫ 调制的信道容量 ， 湖上 高速（最 高 ６ ｋｎ）走航试验表 明：在浅水 时变的 多途信道条件 下 ，本文提 出的超 Ｎｙｑｕｉｓｔ发射 方 案 可 是 实现 无误 码 率数 据 传 输 ，其 频 谱 利 用 率 为 １．８ ｂｉｔ／（ｓ·Ｈｚ） 关键词 ：迭代接收机 ；水声通信 ；多途扩展 ；多普勒扩展 ；超 Ｎｙｑｕｉｓｔ技术 ；速率兼容打孔编码技术 ；迭代 均衡 ｄｏｉ：１０．１ １９９０／ｊｈｅｏ．２０１５０３００１ 网络 出版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉ１／２３．１３９０．ｕ．２０１６０３０８．１２５７．００８．ｈｔｍｌ 中 图分 类 号 ：ＴＮ９１１．５；ＴＢ５６７ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００６—７０４３（２０１６）０４—０５３８—０６
第 ３７卷第 ４期 ２０１６年 ４月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报
ｅｅｒｉｎ￣ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ 迭 代 接收 机 中的超 Ｎｙｑｕｉｓｔ技 术 和速 率兼 容 编码 技术
张 友 文 一，孙 大 军 ，刘璐 ２
（１．哈尔滨工 程大学 水声技术重点实验室 ，黑龙江 哈尔滨 １５０００１；２．哈尔滨工程大学 水声工程学 院 ，黑龙江 哈尔滨 １５０００１）
ｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＣＯＩＬＳｔｅｌｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｅ—ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｐｕｎｃｔｍ ｅｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｃａｎ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ ａｄｊｕｓｔ ｔｏ ｃｈａｎｇｅｓ
ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅ１．Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｃａｎ ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ
Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｐｅｒ－－Ｎｙｑｕｉｓｔ ａｎｄ ｒａｔｅ－－ｃｏｍ ｐａｔｉｂｌｅ ｐｕｎｃｔｕｒｅｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍ ｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕｗｅｎ 一．ＳＵＮ Ｄａｊｕｎ 一。ＬＩＵ Ｌｕ ，
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｇｏｏｄ ｅｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｄｏ ｎｏｔ ｗｏｒｋ ｗｅｌ Ｊｉｎ ｈａｒｓｈ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． ａｎｄ ａｌｔｈｏｕｇｈ ｔｈｏｓｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｈａｔ ｓｈ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｇｏｏｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｃｏｍｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ；ｗｈｉｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌ ａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｓｙｓｔｅｍｓ． ｅｍｐｉｒｉｃａ１ ｓｔｕｄｉｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａ ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｄｉｍ ｃｕｈｙ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｎ— ｎｅｌｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ—Ｎｙｑｕｉｓｔ ａｎｄ ｒａｔｅ—ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｐｕｎｃｔｕｒｅｄ ｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ—Ｎｙｑｕｉｓｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｌｏｗ—ｏｒ—
（１．Ａｃｏｕｓｔｉｃ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｌｅｒ Ａ ｅｏｕｓｔｉｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）