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一、研究目的及意义

海洋占地球表面积的70%，拥有广阔的空间和丰富的矿产与生物资源，在人类的活动中占有越来越重要的地位。而在对海洋进行的每一项军事与民用开发活动中，都离不开通信与数据传输作为保障。由于海水是电的导体，在混浊、含盐的海水中，光波与电磁波的衰减都很大，传播距离十分有限。只有频率在30hz~300hz 的超低频电磁波才能够在海水中远距离传播[1]，这样的频率范围要求巨大的天线和发射功率，且只能实现从空气到水下的单工通信。相比之下，声波在水中的传播特性就好得多。利用深海声道效应，甚至远在五千公里以外，人们也能清晰地接收到由几磅tnt炸药爆炸所辐射的声信号[2]。迄今为止，声波是在海水介质中进行远距离无线通信唯一有效的信息载体。

在水声数字通信系统中，由于声波传播的多途效应造成的码间干扰是获得高速数据传输的主要障碍，有效的解决方法是在接收机中使用均衡器。采用传统的自适应均衡技术抑制多途效应的影响，需要周期地发送训练序列，降低了水声信道的带宽利用率。WWw.11665.cOM而盲均衡技术不需要训练序列，可有效地提高信息的传输速率[3]，因此，研究相应的盲均衡算法在水声信道中的性能是非常必要的。

时变衰落信道水声信道的多途效应和多普勒效应都很严重，在某些情况下，接收端和发射端之间的漂移以及传输介质的改变，都会引起严重的相位起伏，相位在0°～360°之间随机分布，给相干接收带来很大的困难，必须进行信道均衡和相位跟踪，否则无法进行正确的解码。因此相干水声通信中的载波同步与恢复对数据解调至关重要。过去人们研究一个衰落信道的均衡问题时，都是以信号载波已经得到恢复为前提的，而且接收机的载波恢复和信道均衡分开进行，然而这种做法对时变性很强的水声信道来说是不合适的[4]。

传统的cma算法性能稳定且容易实现，但由于cma的代价函数中只利用了信号的幅度信息，而没有相位信息，因此对相位而言是“盲”的[5]，难以完成载波恢复。为了克服相位误差引起的性能下降，均衡后必须使用载波跟踪环路来恢复载波相位。

综上所述，载波恢复盲均衡算法的研究对提高水声通信质量是非常必要和有实际意义的。

二、研究现状

最初解决这类问题的方案是由均衡器和一个单独的载波跟踪环组成[4]，如一阶锁相环(pll)。盲均衡算法与载波相位无关，因此能够在载波恢复环路锁定之前进行快速的初步收敛，使信号星座较为正常，有利于进行载波恢复和相位信号检测[12]。

后来，由falconer提出将载波恢复系统和自适应均衡器的参数调整相联合，使二者的功能相互补充，从而提高相干水声通信系统的性能[6]。随后又陆续提出了一些常数模与载波恢复联合的算法[8-10]，如文献[8]中提出的修正的常数模算法(mcma)、文献[11]中提出的改进的载波恢复cma算法、他和amin提出的利用信号星座图匹配误差的算法[7]等。

文献[13]根据16qam信号星座图的特点，通过对修正的常数模算法(mcma)的性能进行分析，在cma代价函数的基础上进行修改，得到了一种具有相位纠正能力的误差函数。使用该误差函数进行冷启动，算法收敛能力较强，收敛速度与cma接近。进一步地，当判决错误率达到足够低的水平时，再切换到判决导引算法模式，并采用判决域的方式进行切换，降低了算法的稳态误差。

文献[14]提出了一种用于qpsk信号的快速载波恢复常数模盲均衡算法fcrcma(fastcarrierrecoveryconstantmodulusalgorithm)。首先根据qpsk信号的特点和“归一化lms算法”的思想，提出了一种能够快速收敛的误差函数，用所构造的新的误差函数代替mcma算法的误差函数，得到了一种新的载波恢复盲均衡算法。

文献[15]利用极性算法能将乘法运算变为比较运算，将多位运算变为一位运算的特点，将极性算法引入到一种基于统计特性均衡准则的线性均衡器与判决引导均衡器中，并与锁相环(phase-locked loop，pll)技术相结合，提出一种基于联合极性迭代的载波相位恢复盲均衡算法。 该算法利用极性算法来减小计算量， 利用判决引导算法来减小均方误差， 利用锁相环技术来克服多径衰落信道引起的载波相位旋转，兼具了线性均衡器、判决引导算法、极性算法及锁相环的优良性能。

三、研究内容

(1)研究水声信道的物理特性，如传播损失、多径扩展和多普勒扩展等以及水声信道的数学模型。

(2)研究抗多径盲均衡理论的置零准则和最小均方误差准则，分析两种准则下均衡器的性能。

(3)研究载波相位恢复盲均衡的原理。

(4)对经典的载波恢复算法进行分析研究和性能对比。

(5)针对所研究的载波恢复算法的性能缺陷进行分析，并提出相应的性能改进(降低均方误差、降低误码率、加快收敛速度或降低运算量等)方法。

四、研究方案与路线

(1)研究几种深海信道和浅海信道模型，分析每种信道的多途特征，确定相应的抗码间干扰的方法。进一步地，分析信道引起的相位旋转问题。

(2)研究修正的常数模算法mcma、正方形等高线算法sca、多模算法mma等代价函数，从理论上说明其完成载波相位恢复的机理。

(3)研究载波恢复盲均衡算法代价函数的凹性，了解算法是否收敛到局部最小值、能否收敛到全局最优等。

(4)分析基于小波变换的盲均衡、基于支持向量机的盲均衡等方法的特点。

(5)在前面分析研究的基础上，分析以上各载波恢复盲均衡算法的性能，找出其不足并提出相应的改进算法。

(6)通过计算机仿真检验所有算法的性能。

五、主要参考文献

[1] m　stojanovic.underwater acoustic communications[c]. oceans'95 conference proceedings， 1995：435-440.

[2] 刘伯胜，雷家煜.代写硕士论文水声学原理[m].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002.

[3] m stojanovic.recent advances in high-speed underwater acoustic communications [j].ieee journal of oceanic engineering (s0364- 9059)，1996,，21(2)：125-136.

[4] tsai k d ，yuan j t. a modified constant modulus algorithm(cma) for joint blind equalization and carrier recovery in two-dimensional digital communication systems. signal processing and its applications,proceedings. seventh international symposium on，volume 2，july 1-4;2003：563–566

[6] kocic m，brady d ，stojanovic m. sparse equalization for real-time digital underwater acoustic communications. oceans '95 conference proceedings，vol. 3：1417-1422

[5] mathis h.nonlinear functions for blind separation and equalization.ph.d.dissertation. swiss federal institute of technology，001

[7] he l，amin m.a dual mode technique for improved blind equalization for qam signals.ieee signal processing letters， 2003;10(2)：29-31

[8] godard d n.self-recovering equalization and carrier tracking in two-dimensional data communication systems. ieee transactions on communications，1980;28(11)：1867-1875

[9] oh k n， chin y o. modified constant modulus algorithm：blind equalization and carrier phase recovery algorithm. ieee international conference on 'gateway to globalization', seattle，1995;vol.1：498-502

[10] lin j c ，lee l s. a modified blind equalization technique based on a constant modulus algorithm.ieee international conference on conference record， 1998; vol.1：344-348

[11] lin j c. http://www.51lunwen.com/shuoshikait/ blind equalization technique based on an improved constant modulus adaptive algorithm.proc.iee， 2002;149(1)：45-50

[12] johnson c r jr, schniter p， endres j t，et al.blind equalization using the constant modulus criterion：a review. proceedings of the ieee, 1998;86(10)：1927-1949

[13] yecai guo.blind equalization algorithm suitable for 16qam signals for carrier recovery of underwater acoustic channel，2008

[14] yanping zhang.a fast blind equalization　algorithm　for carrier recovery of underwater acoustic channel，2004

[15] yecai guo. mixed sign iteration based blind equalization algorithm

for carrier phase recovery of qam signals

二、论文工作实施计划

(一) 论文的理论、硬件要求、应达到的程度和结果

水声信道的物理特性，如传播损失、多径扩展和多普勒扩展等以及水声信道的数学模型。抗多径盲均衡理论的置零准则和最小均方误差准则，载波相位恢复盲均衡的原理。对经典的载波恢复算法进行分析研究和性能对比。针对所研究的载波恢复算法的性能缺陷进行分析，并提出相应的性能改进(降低均方误差、降低误码率、加快收敛速度或降低运算量等)方法，通过计算机仿真检验所有算法的性能。在学术期刊发表学术论文。

(二)论文工作的具体进度与安排

起讫日期 工作内容和要求 备注

2010.4-7 翻阅资料，了解水声通信的原理及特点

2010.7-10 翻阅资料，了解载波相位恢复和盲均衡的原理和特点。

2010.11-12 翻阅论文，完成开题报告。

2011.1-3研究几种深海信道和浅海信道模型，分析每种信道的多途特征，确定相应的抗码间干扰的方法。进一步地，分析信道引起的相位旋转问题。

2011.4-6 研究修正的常数模算法mcma、正方形等高线算法sca、多模算法mma等代价函数，了解其完成载波相位恢复的机理。

2011.7-10 研究载波恢复盲均衡算法代价函数的凹性，了解算法是否收敛到局部最小值、能否收敛到全局最优等。

2011.11-2012.2 在前面分析研究的基础上，分析以上各载波恢复盲均衡算法的性能，找出其不足并提出相应的改进算法。

2012.3-2012.5 完成硕士论文