一种扩频水声通信的导频序列干扰抵消方法与流程

本发明涉及水声通信技术领域，主要是一种扩频水声通信的导频序列干扰抵消方法。

背景技术：

水声信道存在严重的多径干扰，浅海环境多径扩展为几十至上百毫秒范围，深海环境多径扩展长达几秒，严重的多径干扰给均衡器的设计带来巨大挑战，一些依赖信道均衡的通信技术，在复杂多径条件下往往较难保证通信的稳健性。扩频水声通信利用伪随机序列的良好正交性，有效减轻多径干扰，扩频通信常采用rake接收机实现多径分集合并，避免使用复杂的均衡器，把多径干扰“变废为宝”，获得多径分集增益，结合伪随机扩频序列的自身处理增益，有效提高了扩频水声通信的抗干扰能力，扩频技术还具有很好的保密性，在水声通信获得广泛应用，成为海军水声通信装备首选的通信技术。

rake接收机是扩频水声通信中的核心技术之一，通过对导频序列(也可称作测量序列)匹配滤波处理，实现信道的多径时延和强度等参数测量，利用信道多径参数测量结果设计线性组合的加权网络，对信息序列的相关输出进行分离、合并，实现多径分集合并。但在实际中，导频序列与信息序列很难保证严格正交，即使是同族的伪随机序列(如gold序列或kasami序列)情况，两者互相关值非0，尤其是序列长度较短时，导频序列对信息序列的干扰不可忽略。在编码调制的扩频水声通信系统中，信道编码增益进一步降低了扩频通信的最低可通信信噪比，为提高导频序列在低信噪比条件下的信道多径参数测量精度，导频序列长度常设计为数倍于信息序列长度，导致伪随机序列的不同族，进一步增加了导频序列对信息序列的干扰。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种扩频水声通信的导频序列干扰抵消方法，在水声定位通信节点和低频远程水声通信声纳研制获得应用，采用本发明的方法，有效降低导频序列对信息序列的干扰,，提高了水声通信的解码性能。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。

本发明针对扩频水声通信中导频序列与信息序列互相关值非0，信息序列相关解扩处理将引入导频序列的干扰，提供一种基于序贯最小二乘(ls)的导频序列干扰抵消方法，该方法不需要矩阵求逆运算，复杂度低，可适应多径严重的水声信道，具有很好实用性。

本发明主要包括以下步骤：

(1)导频序列的时间同步与载波同步

在进行导频序列干扰抵消前，需要对扩频符号进行时间同步与载波同步，使得接收序列与本地拷贝的导频序列同频、同相。在扩频水声通信的接收端，接收序列经过粗同步后，由于通信收、发端时钟偏差和相对运动引起的多谱勒伸缩效应，随着时间的累积，有必要进一步精确地对扩频符号时间与载波同步，完成时间同步偏差与多谱勒修正。导频序列一般选择伪随机序列，具有图钉形时频模糊特性，采用接收序列与多个不同多谱勒扩展因子的导频序列副本匹配滤波处理，输出的峰值位置为同步时刻，峰值对应的多谱勒扩展因子即为多谱勒估计。截取同步时刻对应的扩频符号，利用多谱勒扩展因子估计值，通过插值重采样处理，完成扩频符号载波同步。

(2)序贯ls的导频序列干扰抵消

导频序列与信息序列互相关值非0，给信息序列解扩引入了干扰，当导频序列和信息序列长度较短，或者两者不同族，导频序列对信息序列解扩的干扰不可忽略，需要进行导频序列干扰抵消与抑制处理。经过步骤1，获得与本地拷贝的导频序列同频、同相的接收序列，但由于接收序列是多径信号相干叠加的结果，不能直接相减消除导频序列的干扰，因此本地拷贝的导频序列需要经过滤波与接收序列相匹配。本发明基于ls准则，设计滤波器hn(z)的抽头系数，使得每个时刻如式(1)，其中u[n]为本地拷贝的导频序列，l为导频序列的长度，hn[l]为滤波器在时刻n的第l个抽头系数，为自适应信道冲击响应的变化，式(1)加入了“遗忘因子”λ。通过最小化j(n)，可获得的解。

本发明采用序贯ls估计式(1)中的令u[n]＝[u[n]u[n-1]lu[n-p+1]]^h，[·]^h为共轭转置操作，由正交原理，

式(2)中

σ[n]＝(1-k[n]h^h[n])σ[n-1](5)

式(3)的v[n]为经过精确时间与载波同步后的接收序列，e[n]为v[n]与本地拷贝的导频序列经过滤波相减的结果，即为导频序列干扰抵消处理后的输出。式(4)的k[n]为增益因子，式(5)的σ[n]为p×p维协方差矩阵，由于采用序贯递推的方式计算，避免了矩阵求逆运算，具有较强的实用性。

本发明的有益效果为：扩频水声通信中导频序列与信息序列很难保证严格正交，导致信息序列解扩含有导频序列的干扰，本发明针对该问题，提出一种基于序贯ls的导频序列干扰抵消方法，无需矩阵求逆运算，自适应更新滤波器系数，可适应多径干扰严重的水声信道，具有较好的实用性。

附图说明

图1为扩频符号结构。

图2为导频序列的时间同步与载波同步框图。

图3为自适应导频序列干扰抵消原理框图。

图4为序贯ls的滤波器系数估计框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

图1为常见的扩频符号结构，图中的n≥1，由图1生成的扩频信号可表示为

式(1)中，u[n]为导频序列的第n个码片值，l为导频序列的长度，qm[n]第m个信息序列的第n个码片值，l′为信息序列的长度，t为码片的时间长度，g(t)为码片的脉冲成形函数，若为矩形窗时，可表示为

图2是导频序列的时间同步与载波同步框图，接收信号r(n)与载波混频，如式(3)，fc为载波频率，fs为采样频率，再对x(n)低通滤波处理，如式(4)，获得复包络信号y(n)，b(n)为低通滤波器系数，然后对y(n)进行q倍抽取，获得基带接收序列z(n),如式(5)。

x(n)＝r(n)exp(-j2πfcn/fs)(3)

z(n)＝y(m)δ(m-qn)n,m＝0,1,2,l(5)

导频序列一般选择伪随机序列，具有图钉形的时频模糊特性，接收端预先保存多个不同多谱勒扩展因子的导频序列频域副本si，与基带导频序列进行多通道的匹配滤波处理，式(6)为第i个通道匹配滤波输出，其中(·)^*为共轭操作，通过寻找匹配滤波输出的最大峰对应的位置和通道号，估计出导频序列到达时间与多谱勒扩展因子截取同步时刻对应的基带导频序列，利用多谱勒扩展因子估计值进行插值重采样处理，获得多谱勒修正后的扩频序列v(n)。

ri＝ifft(si·(fft(v))^*)(6)

经过如图2所示的时间同步与载波同步后，获得与本地拷贝的导频序列同频、同相的接收序列v(n)，但由于水声信道的多径效应，v(n)为多个扩频序列多径相干叠加的结果，不能直接与本地拷贝的导频序列u[n]相减消除u[n]的干扰，考虑到水声信道冲击响应随时间变化，本发明采用自适应干扰抵消技术，如图3，通过设计自适应滤波器，使得u[n]经过自适应滤波处理后与v(n)匹配，再相减，即可抵消u[n]的干扰。

本发明采用序贯ls估计方法，通过使式(7)的代价函数最小化，估计出滤波器hn(z)的抽头系数使得每个时刻为自适应信道冲击响应的变化，式(1)引入了“遗忘因子”λ，0<λ<1，以调低j(n)中以前误差的权重。

图4为序贯ls的滤波器系数估计框图，滤波器系数的序贯lse表示为

由正交原理，

式(8)中e[n]为估计量的新息数据，也是v[n]与本地拷贝的导频序列经过滤波相减的结果，即为导频序列干扰抵消处理后的输出。k[n]为增益因子，是一个p×1的矢量，如式(10)，u[n]为p×1维本地拷贝的导频序列，如式(11)，σ[n]为p×p维协方差矩阵，如式(12)，由于采用序贯递推的方式计算，避免了矩阵求逆运算，具有较强的实用性。经过干扰抵消后，误包数和误码率均获得改善，证明本方法的有效性。

u[n]＝[u[n]u[n-1]lu[n-p+1]]^h(11)

σ[n]＝(1-k[n]h^h[n])σ[n-1](12)

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。