一种单载波高速水声通信方法与流程

1.本发明属于水声通信技术领域，主要是一种单载波高速水声通信方法。


背景技术：

2.水声技术作为21世纪海洋开发的主导技术之一，将拥有十分广阔的发展空间，而水声技术中的一个重要的研究领域便是水声通信。水声通信在水下定位、导航、探测等方面发挥着至关重要的作用，目前已成为水下综合信息感知与信息交互的主要手段。自20世纪90年代后期水声通信调制技术完成了从非相干调制技术到相干调制技术的转变以来，水声通信技术得到了相对快速的发展。在相干水声通信中，具有里程碑意义的是m.stojanovic成功将锁相环(phase locked loop，pll)应用在判决反馈均衡器(decision feedback equalization,dfe)中。在此之前判决反馈均衡器对相干水声通信信号一直无法有效处理，其主要原因来自于接收信号相位受海洋环境影响发生跳变。内嵌锁相环的判决反馈均衡器很好应对了相位和码间干扰对接收信号的影响，从而使相干水声通信系统性能得到了显著提升。时至今日，内嵌锁相环的判决反馈均衡器仍然应用在单载波水声通信中，并作为单载波水声通信的基础技术得到了广泛的发展。然而，单载波水声通信在实际应用中仍然面临着许多问题，首当其冲的便是不同水文环境下信道的多途扩展干扰不同导致判决反馈均衡器工作极其不稳定。采用多个阵元接收，通过获取空间分集增益的方式来提高单载波接收端解码性能是目前常用的方式，但该方式需要多个阵元对应的水声信道具有较大的差异，若多阵元接收孔径较小，无法获取足够的空间差异性，则单载波解码性能将显著下降。本发明设计提出了一种频域迫零均衡方法，可在接收端无法获取足够空间差异条件下仍然实现单载波稳健解码，从而显著提高单载波高速水声通信的可靠性和环境适应能力。


技术实现要素：

3.本发明针对高速单载波水声通信中面临的码间干扰问题，提供了一种基于频域迫零均衡的单载波水声通信方法：通过在频域构建一个加权矩阵并与接收信号相乘实现对码间干扰的抑制，结合判决反馈均衡器在时域完成最终解码。该方法可显著提高单载波水声通信系统的可靠性。
4.本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种单载波高速水声通信方法，该方法包括如下步骤：
5.(1)、单载波信号编码调制，发射端将原始信息序列进行串并转换并映射到qpsk相位集中，然后再映射后的相位序列前加入训练序列后经载波调制后即可发送出去；
6.(2)、信道估计，接收端完成信号检测与同步后，利用本地已知的训练序列对信道进行估计；
7.(3)、频域迫零均衡处理，利用估计得到的信道在频域构建权矩阵，并与接收信号相乘，实现对信道的均衡处理；利用频域迫零均衡处理后可显著抑制水声信道的多途扩展干扰，从而判决反馈均衡解码的可靠性。
8.(4)、判决反馈均衡处理，频域迫零均衡处理后的信号逆傅里叶变换回时域并利用内嵌锁相环的判决反馈均衡器进行最终解码处理。接收信号首先转换到频域，利用迫零均衡处理后再将信号转换到时域，在时域利用内嵌锁相环的判决反馈均衡器进行最终解码处理，判决反馈均衡器的滤波器系数可在大多数水声环境下保持不变，不需要人为动态调整，显著提升了系统的环境适应能力。
9.本发明的有益效果为：本发明提供的一种单载波高速水声通信方法，根据实际水声环境构建频域权矩阵，与接收信号在频域相乘后可对信道多途扩展带来的码间干扰影响进行有效抑制，结合判决反馈均衡器可在时域完成稳定可靠解码处理。该方法具有较高的环境适应性，可有效解决判决反馈均衡器参数选取问题，从而显著提升单载波高速水声通信系统性能。
附图说明
10.图1是发射端通信编码流程图；
11.图2是接收端信息处理流程图；
12.图3是实际海试数据下的信道估计结果；
13.图4是频域迫零均衡前后训练序列匹配相关峰对比结果；
14.图5是内嵌锁相环的判决反馈均衡器原理图；
15.图6是水声通信解码结果。
具体实施方式
16.下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
17.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
18.本发明实施例提供的一种单载波高速水声通信方法，发射端实现流程如图1所示，发射端原始信息序列经过串并转换映射到qpsk相位集中，然后在相位信息序列前端加入训练序列后经过载波调制发送出去。接收端实现流程如图2所示，接收信号经同步后首先利用训练序列进行信道估计，然后利用估计到的信道在频域构建权矩阵并与接收信号相乘，最后在时域利用内嵌锁相环的判决反馈均衡器完成最后解码处理。具体包括如下步骤：
19.单载波信号编码调制，发射端将原始信息序列进行串并转换并映射到qpsk相位集中，然后再映射后的相位序列前加入训练序列后经载波调制后即可发送出去。
20.在本实施例中，设原始发送序列为a
n
(a
n
∈[
‑
1,1])。首先将a
n
进行串并转换得到b
n
：
[0021][0022]
将b
n
映射到qpsk相位集中([1+i,1
‑
i,
‑
1+i,
‑1‑
i])得到
[0023]
[0024]
式中，
‘
*’表示矩阵相乘。在前加入信息序列后即可通过载波调制发送出去：
[0025][0026]
式中，f
c
为载波中心频率，tr
n
为训练序列。
[0027]
信道估计，接收端完成信号检测与同步后，利用本地已知的训练序列对信道进行估计。
[0028]
在本实施例中，接收端采用多个阵元接收(阵型不限)，设第i个阵元接收的信号进过解调和降采样处理后的信号为其中ld为训练序列长度，则接收信号可以以矩阵形式给出：
[0029]
r
i
＝sh
i
+n
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0030]
式中，为第i个接收阵元对应的水声信道；为噪声干扰；
[0031][0032]
则利用最小二乘法即可得到估计信道
[0033][0034]
图3给出了基于实际数据的信道估计结果。
[0035]
频域迫零均衡处理，利用估计得到的信道在频域构建权矩阵，并与接收信号相乘，实现对信道的均衡处理。
[0036]
在本实施例中，设估计得到的第i个阵元对应的水声信道的频域形式为h
i
，则在频域构建的权矩阵为：
[0037][0038]
式中，则接收信号经过频域迫零均衡处理后的结果为：
[0039][0040]
式中，图4给出了均衡前后训练序列匹配输出结果，可以看到均衡后信道的多途扩展干扰已被显著抑制。
[0041]
判决反馈均衡处理，频域迫零均衡处理后的信号逆傅里叶变换回时域并利用内嵌锁相环的判决反馈均衡器进行最终解码处理。
[0042]
在本实施例中，首先将频域均衡处理后的信号通过逆傅里叶变换转化为时域信号y，然后将时域信号y送入内嵌锁相环的判决反馈均衡器进行最终均衡解码处理。由于频域迫零均衡后水声信道的多途扩展干扰被显著抑制，因此判决反馈均衡器的前馈和反馈滤波器系数可以相对固定，无需根据实际水声信道的多途扩展大小动态调整。在本实施例中，判决反馈均衡器反馈系数为20，前馈系数为24。采用rls算法，遗忘因子选用0.998。图5给出了
内嵌锁相环的判决反馈均衡器原理图，接收信号y首先与锁相环输出相位相乘抑制随机起伏相位对符号判决的影响，然后经过前馈滤波器。判决反馈均衡器已判决的符号经过反馈滤波器，并与前馈滤波器输出结果，并以此为输入计算误差e。符号判决器、二阶锁相环和rls算法分别根据计算得到的误差e判决和调整当前符号、修正相位以及前馈和反馈滤波器系数。图6给出了实际海试数据的单载波通信解码结果，通信速率6kbps，通信距离12km。
[0043]
本发明提供的一种单载波高速水声通信方法，通过在频域根据实际信道条件构建权矩阵与接收信号相乘，可有效抑制水声信道的多途扩展干扰。频域均衡输出信号的码间干扰将大大降低，从而保证判决反馈均衡器可稳定工作，从而显著提升单载波高速水声通信性能和环境适应能力。
[0044]
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0045]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。