水聲信道常數模盲均衡 理論、算法與仿真 肖瑛 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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肖瑛 著

圖書標籤:

• 水聲通信
• 盲均衡
• 信道估計
• 信號處理
• 自適應濾波
• OFDM
• 水聲信道
• 理論研究
• 算法設計
• 仿真分析

店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 人民郵電齣版社

ISBN：9787115389589

商品編碼：29331477768

包裝：平裝

齣版時間：2015-07-01

基本信息

書名：水聲信道常數模盲均衡 理論、算法與仿真

定價：78.0元

作者：肖瑛

齣版社：人民郵電齣版社

齣版日期：2015-07-01

ISBN：9787115389589

字數：314000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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1.本書內容豐富，從理論分析到算法仿真實驗，融入瞭大量交叉學科內容。
　　2.作者及其所在科研團隊多年在該領域積纍的技術和成果的呈現；
　　3.理論和實踐的結閤。

內容提要

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本書以水聲通信係統中的盲信道均衡技術為研究對象，係統分析瞭常數模盲均衡的理論體係。結閤水聲信道特點，提齣瞭大量改進算法並進行瞭仿真實驗分析。結閤虛擬接收機技術和融閤技術，提齣瞭基於虛擬接收機的水聲信道盲均衡方案。

目錄

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作者介紹

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肖瑛，大連民族大學副教授，從2004年攻讀博士學位開始至今一直從事水聲信道盲均衡技術研究，至今在外期刊發錶學術論文30餘篇，主持完成國傢自然科學基金項目1項，完成省部級項目5項。曾參與編寫《時頻分析技術及其工程應用》一書。

文摘

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序言

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水聲信道特性與均衡技術研究：從理論到實踐 水聲信道，作為信息傳播的獨特媒介，承載著海洋探測、水下通信、海洋資源開發等諸多關鍵應用。然而，其固有的非平穩性、時變性、多徑效應、噪聲乾擾以及帶寬受限等特性，極大地阻礙瞭高效可靠的水聲信息傳輸。在這樣的背景下，對水聲信道特性的深刻理解以及針對性的均衡技術研究，顯得尤為重要。本文將聚焦於水聲信道的關鍵常數模特性，並圍繞其均衡展開深入探討。 一、 水聲信道的復雜性與常數模特性 水聲信道的復雜性源於海洋環境的動態變化。聲波在水中傳播時，會受到海麵反射、海底反射、海水中不同密度層的摺射、散射等多種因素的影響，形成復雜的時域和頻域響應。這些影響共同導緻瞭多徑傳播現象，即同一信號會以不同的路徑、不同的到達時間抵達接收端，造成信號的嚴重失真，錶現為碼間乾擾（ISI）。此外，水溫、鹽度、深度、海流、海洋生物活動等因素的變化，使得信道特性呈現齣顯著的非平穩性和時變性，即信道參數會隨著時間和空間的變化而改變。 在這種復雜多變的信道環境下，信息信號的幅度往往會受到嚴重衰減和失真。然而，對於許多數字調製方案而言，其信息主要編碼在信號的相位上，而幅度信息則相對固定或變化範圍有限。例如，一些相位調製（如BPSK、QPSK）和少數幅度相位聯閤調製（如8PSK）方案，其信號星座點在幅度上可能僅有有限的幾種取值，甚至在理想情況下，相位調製方案的幅度恒定。這種“常數模”（Constant Modulus，CM）的特性，在信道均衡中扮演著至關重要的角色。 常數模信號的優勢在於，其能量集中在恒定的幅度上，這使得接收端在接收信號時，可以利用這一固有的幅度信息來輔助均衡。例如，通過設計一個均衡器，使其輸齣信號的幅度能夠趨近於預設的常數模值，從而補償信道對信號幅度的扭麯，並間接達到糾正相位失真的目的。這一特性為開發高效的盲均衡算法提供瞭理論基礎。 二、 常數模信號的均衡理論基礎 常數模信號的均衡理論核心在於如何利用信號的常數模特性來估計和補償信道的瞬時響應。傳統的信道均衡方法，如綫性均衡器（LE）、決策反饋均衡器（DFE），通常需要已知信道衝激響應（CIR）或者信道狀態信息（CSI），例如使用訓練序列來估計信道。然而，在水聲這種時變且難以發送訓練序列的場景下，訓練序列的方法效率低下，甚至不可行。因此，盲均衡技術應運而生。 盲均衡算法是指在不知道信道瞬時衝激響應的情況下，僅憑接收到的含有失真信號的觀測序列來恢復原始信號的均衡技術。其基本思想是利用接收信號中隱藏的統計特性或信號本身的結構性信息來推斷信道特性，並進行相應的均衡。 對於常數模信號，盲均衡的核心在於設計一個代價函數（Cost Function），該代價函數能夠衡量均衡器輸齣信號與理想常數模信號之間的偏差。通過最小化這個代價函數，可以迭代地調整均衡器的參數，使其能夠有效地補償信道失真。 最經典的常數模盲均衡（Constant Modulus Algorithm，CMA）算法，由G. Picchi和G. Prati於1985年提齣，至今仍是該領域的研究基石。CMA的基本原理是最小化以下代價函數： $J(mathbf{w}) = E[(|y(n)|^2 - R^2)^2]$ 其中，$y(n)$是均衡器的輸齣信號，$R$是信號的常數模值（通常設為1），$mathbf{w}$是均衡器的濾波器係數。該代價函數的目標是使均衡器輸齣信號的幅度平方盡可能接近$R^2$。通過梯度下降等優化方法，可以迭代更新均衡器係數，使其逼近最優均衡器。 CMA算法的優勢在於其簡單性和無需訓練序列。然而，它也存在一些局限性，例如對初始值的敏感性，可能陷入局部最優解，以及在信道具有零點（Zeros）時收斂速度較慢或無法收斂。 三、 常數模盲均衡的改進與發展 為瞭剋服CMA的局限性，研究人員提齣瞭多種改進算法。這些改進主要體現在以下幾個方麵： 對代價函數的改進： 引入更精細的代價函數，例如考慮信號的相位信息，或者引入更強的懲罰項來提高收斂性能。例如，多模常數模算法（Multi-Modulus Algorithm，MMA），能夠處理具有多個幅度取值的信號，通過區分不同的幅度層級來改進均衡效果。廣義常數模算法（Generalized Constant Modulus Algorithm，GCMA）則進一步放寬瞭常數模的要求，能夠處理幅度變化但仍然具有一定結構的信號。 對算法結構的改進： 結閤綫性均衡和決策反饋均衡的思想，形成混閤均衡器。例如，常數模盲決策反饋均衡（CM-DFE），將CMA的思想應用到前饋濾波器（Feedforward Filter，FFF）中，而反饋濾波器（Feedback Filter，FBFF）則基於符號判決來補償由FFF未能完全消除的碼間乾擾。這種結構在一定程度上能夠改善信道零點對均衡性能的影響。 自適應算法的改進： 采用更高效的梯度計算方法或優化算法，例如最小均方（Least Mean Square，LMS）、歸一化最小均方（Normalized LMS，NLMS）、遞歸最小二乘（Recursive Least Squares，RLS）等，來更新均衡器參數。結閤隨機梯度下降（SGD）和更高級的優化器（如Adam、RMSprop）在深度學習框架下的應用，也能顯著提升均衡器的學習效率。 利用統計特性的盲均衡： 除瞭常數模信息，還可以利用信號的統計特性，例如高階統計量（Higher-Order Statistics，HOS）來輔助盲均衡。HOS對非高斯信號具有敏感性，能夠提供更多的信道信息。 聯閤均衡與解調： 將均衡過程與解調過程緊密結閤，形成聯閤均衡與解調（Joint Equalization and Demodulation，JED）算法。這種方法能夠充分利用信號的調製信息，例如信號星座點的幾何結構，來優化均衡和解調的聯閤性能。 四、 常數模盲均衡在水聲通信中的應用與挑戰 在水聲通信係統中，常數模盲均衡技術展現齣巨大的應用潛力： 1. 提高通信速率和可靠性： 通過有效的信道均衡，可以補償水聲信道的失真，減少碼間乾擾，從而提高信號的信噪比（SNR）和誤碼率（BER）性能，允許在相同的SNR下使用更高階的調製方式，或者在較低的SNR下實現可靠通信，進而提高通信速率。 2. 降低對信道先驗知識的要求： 盲均衡的特性使得係統在部署時無需預先測量和瞭解信道特性，大大簡化瞭係統的設計和部署流程，尤其是在動態變化的水聲環境中。 3. 適應時變信道： 許多自適應盲均衡算法能夠實時跟蹤信道的變化，並相應地調整均衡器參數，從而有效應對水聲信道的非平穩性。 然而，將常數模盲均衡技術成功應用於實際水聲通信係統仍然麵臨諸多挑戰： 水聲信道的極端復雜性： 盡管常數模特性為均衡提供瞭便利，但水聲信道的強多徑效應、嚴重的衰減、低比特率以及非平穩性等問題，依然對均衡算法的性能提齣瞭嚴峻的考驗。例如，當信道存在嚴重的“陷波”（Nulls）時，常數模信號的幅度信息可能被完全壓製，導緻均衡器難以收斂。 計算復雜度： 一些性能優越的盲均衡算法，其計算復雜度較高，這對於資源受限的水聲通信設備而言，可能是一個難以逾越的障礙。需要在性能和計算復雜度之間進行權衡。 收斂速度與魯棒性： 在快速變化的信道環境下，均衡算法需要具備快速的收斂速度和良好的魯棒性，以保證通信的實時性和可靠性。 低信噪比（SNR）下的性能： 水聲信道通常伴隨著較低的SNR，這會進一步削弱信號的可用信息，使得盲均衡算法的性能受到嚴重影響。 長距離傳輸： 隨著傳輸距離的增加，水聲信道的纍積效應會更加顯著，對均衡器的設計提齣瞭更高的要求。 五、 仿真與實驗研究的意義 為瞭剋服上述挑戰，理論研究與實際仿真、實驗研究是不可或缺的。 仿真研究是檢驗和優化均衡算法性能的關鍵手段。通過建立精確的水聲信道模型，模擬各種典型的水聲環境，例如不同海況、深度、距離下的信道特性，並在仿真平颱上實現不同的常數模盲均衡算法，可以係統地評估算法的性能指標，如收斂速度、誤碼率、對信道參數變化的敏感性等。仿真還可以方便地對比不同算法的優劣，為實際應用提供理論依據。例如，可以模擬存在顯著多徑效應的信道，分析CMA、MMA、CM-DFE等算法在不同信道條件下的錶現，並根據仿真結果選擇最適閤的算法。 實驗研究是將理論和仿真成果應用於實際的關鍵步驟。通過在真實水聲環境中進行通信實驗，部署實際的水聲通信設備，並運行相應的均衡算法，可以真實地檢驗算法在復雜海洋環境下的魯棒性和有效性。實驗數據能夠提供比仿真更接近實際的反饋，揭示仿真模型可能忽略的細節問題。例如，可以利用開源的水聲通信數據集，或者在特定海域進行現場實驗，采集真實的水聲信號，並在接收端應用不同算法進行均衡，分析實際通信效果。實驗研究還可以為算法的參數優化提供寶貴的指導，例如調整均衡器的長度、步長等參數，以達到最佳的性能。 未來展望 隨著信號處理和機器學習技術的不斷發展，未來水聲信道常數模盲均衡的研究將更加聚焦於以下幾個方嚮： 深度學習在水聲盲均衡中的應用： 利用深度神經網絡（DNNs）強大的非綫性映射能力，構建端到端的盲均衡模型，有望在復雜水聲信道下取得突破性的性能提升。 聯閤優化多重約束： 在滿足常數模特性的同時，考慮能量效率、計算復雜度、實時性等多種約束，設計更加全麵的優化算法。 考慮更精細的水聲信道模型： 引入更精確的水聲信道模型，例如考慮非綫性效應、散射、瑞利衰落等，來提升均衡算法的魯棒性。 與其他通信技術的融閤： 將盲均衡技術與認知無綫電、協作通信等技術相結閤，進一步提升水聲通信係統的智能化和自適應能力。 總之，水聲信道常數模盲均衡是實現高效可靠水聲信息傳輸的關鍵技術之一。深入理解其理論基礎，不斷探索和發展新的均衡算法，並通過嚴謹的仿真和實驗研究加以驗證，將為海洋探索和水下應用的發展提供堅實的技術支撐。

評分☆☆☆☆☆

這部著作堪稱水聲信道常數模盲均衡領域的百科全書，它以一種極其詳盡和深入的方式，為讀者呈現瞭該領域的全貌。作者在理論層麵，對水聲信道模型進行瞭細緻入微的刻畫，並在此基礎上，對常數模盲均衡的數學基礎進行瞭紮實的闡述。這種嚴謹的理論鋪墊，為後續算法的介紹打下瞭堅實的基礎。我尤其喜歡書中對於不同類型盲均衡算法的分類和介紹，作者不僅清晰地解釋瞭每種算法的工作原理，更重要的是，對它們在水聲環境下的適用性和局限性進行瞭深入的分析。例如，對於算法的魯棒性、計算復雜度以及在實際應用中的部署難易程度，都進行瞭細緻的考量。仿真部分更是令人印象深刻，作者通過大量的仿真實驗，生動地展示瞭理論的實際應用效果，並對結果進行瞭深入的解讀。這些仿真結果不僅驗證瞭理論的正確性，也為讀者提供瞭寶貴的工程參考。本書的寫作風格非常專業，但又不失條理清晰，對於希望在水聲通信領域進行深入研究的讀者而言，這本書無疑是一份不可或缺的寶貴財富。

評分☆☆☆☆☆

這本書為我打開瞭一扇通往水聲通信“盲區”的窗戶。在此之前，我對“常數模盲均衡”這一概念隻知其然，而不知其所以然。通過細讀本書，我不僅理解瞭其核心原理，更對其在水聲信道這一特殊環境下的復雜性有瞭深刻的認識。作者在介紹理論部分時，並沒有止步於公式的羅列，而是著重解釋瞭這些公式背後的物理意義以及它們如何反映水聲信道的特性。例如，對於水聲信道的非平穩性，書中是如何通過特定的均衡算法來應對的，這一點讓我頗受啓發。在算法部分，作者係統地介紹瞭多種主流的常數模盲均衡算法，並且對每種算法的優劣勢進行瞭詳盡的比較分析。其中，對於一些創新性算法的介紹，更是讓我看到瞭該領域的前沿發展趨勢。仿真章節則提供瞭豐富的實例，通過對不同參數設置下的仿真結果進行深入解讀，我能夠更直觀地理解理論知識的應用，並且學會如何根據實際需求選擇最閤適的算法。這本書的邏輯清晰，結構嚴謹，對於任何想要深入瞭解水聲通信領域的研究者或工程師來說，都具有極高的參考價值。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我對水聲通信的奧秘有瞭全新的認識。它不僅僅是一本技術書籍，更像是一次深入水下世界的探險。作者的敘述風格非常獨特，既有嚴謹的學術深度，又不失生動的形象比喻，讓原本枯燥的理論變得鮮活起來。在探討水聲信道常數模盲均衡的挑戰時，作者巧妙地將復雜的水聲物理環境，如多徑效應、衰減、噪聲等，與均衡算法的設計緊密結閤。讓我印象深刻的是，書中對不同類型盲均衡算法在實際應用場景中的適用性和局限性的分析，例如，某一種算法在低信噪比環境下錶現齣色，而另一種則對信道變化更為魯棒。作者通過大量的仿真實例，細緻地展示瞭這些算法的性能指標，如誤碼率、收斂速度等，並對影響這些指標的因素進行瞭深入剖析。這種理論與實踐相結閤的方式，極大地提升瞭閱讀體驗。這本書不僅為我打開瞭水聲通信研究的大門，更激發瞭我對這一領域未來發展的無限遐想。我尤其期待看到這些算法在未來的水下探測、水下通信網絡等方麵的實際應用。

評分☆☆☆☆☆

這是一本非常引人入勝的著作，深入探討瞭水聲信道常數模盲均衡這一復雜而至關重要的領域。從理論基礎的梳理到各種先進算法的解析，再到實際仿真的展示，作者以一種係統性的方式構建瞭對該主題的理解。讀到這本書，我仿佛置身於一個由數學公式、信號處理原理和工程實踐交織而成的知識殿堂。作者在理論部分，對常數模盲均衡的數學模型進行瞭嚴謹的推導，清晰地闡述瞭其背後的物理意義和工程挑戰。尤其是在討論各種盲均衡算法時，作者不僅介紹瞭經典算法的原理，還詳盡地分析瞭它們在水聲環境下的優缺點，以及如何針對水聲信道的非綫性和時變性進行改進。例如，文中對DFE（決策反饋均衡器）和ZF（零迫均衡器）的變種以及一些基於梯度下降和最大似然估計的方法的闡述，都讓我受益匪淺。仿真部分更是這本書的一大亮點，通過豐富的仿真結果，讀者可以直觀地看到不同算法的性能錶現，並能與理論分析進行對照，加深理解。這本書的邏輯性非常強，層層遞進，讓初學者也能逐步掌握復雜的概念，同時對於有一定基礎的研究者而言，也提供瞭寶貴的理論參考和算法靈感。

評分☆☆☆☆☆

一本難得的佳作，它讓我對水聲通信中的“常數模盲均衡”這一關鍵技術有瞭係統而深刻的理解。書中的內容詳實，從基礎理論到前沿算法，再到實際仿真，可謂麵麵俱到。作者的敘述風格非常嚴謹，但又不失可讀性。在理論部分，對水聲信道的建模以及常數模盲均衡的數學原理的講解，讓我對這個看似抽象的概念有瞭清晰的認識。尤其是作者對一些關鍵假設的討論，以及這些假設在實際水聲環境下的有效性，都展現瞭作者深厚的功底。算法部分，則是我認為本書最精華的部分之一。作者不僅介紹瞭經典的盲均衡算法，還對一些近年來提齣的新型算法進行瞭深入的探討，並且分析瞭它們在水聲信道下的性能錶現。我尤其欣賞書中對算法復雜度和收斂速度的分析，這對於實際工程應用至關重要。仿真部分則為理論和算法提供瞭有力的支撐，通過豐富的圖錶和數據，讀者可以直觀地感受到不同算法的性能差異，並能從中學習如何進行有效的仿真實驗。總而言之，這本書是水聲通信領域研究者不可多得的參考書，其嚴謹的學術態度和前沿的知識內容，都令人贊嘆。