CN105827556A - 双向turbo均衡方法及系统,水声通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向turbo均衡方法及系统,水声通信系统;该双向turbo均衡方法包括获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将所述均衡处理结果输出;接收所述均衡处理结果并进行权重求和后输出;将所述权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,所述输出信号包括第一输出信号和第二输出信号。本发明提出的双向turbo均衡算法稳定性强、检测精度高、算法收敛快、复杂度低,在实际水声通信系统中具有一定实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信领域,特别涉及一种双向turbo均衡方法及系统,水声通信系统。
背景技术
水声通信中由多径效应造成的码间干扰是影响通信质量的主要因素。一般在接收机中会采用均衡器来消除码间干扰,比如极大后验概率(MAP)均衡器和极大似然序列检测(MLSE)均衡器。但这些均衡器需要知道信道冲激响应,且计算复杂度随着信道冲激响应的长度呈现指数增长,并不适合实际使用。取而代之的是一些次优均衡器,如最小均方(LMS)均衡器、递归最小二乘(RLS)均衡器和判决反馈均衡器(DFE)等。
turbo均衡算法利用迭代的思想,通过译码器向均衡器传递外信息,以此作为均衡器的先验信息,使得均衡结果更加可靠。现有技术中的turbo均衡算法分为以下两种:基于直接自适应turbo均衡(DA-TEQ)和基于信道估计的turbo均衡(CE-TEQ)。
现有技术中的双向turbo均衡方法都是基于信道估计的,计算复杂度过高,不利于数据的实时处理,而且如果信道估计不准确,会导致整个均衡器失效,代价过大。因此需要提出一种高效、稳健的均衡算法,以满足实际水声通信需求。
针对复杂多变的水声信道环境和高速水声通信的需求,现有技术中均衡方法的缺点主要在于以下几个方面:
(1)现有技术中的双向turbo均衡方法都是基于信道估计的,根据估计出的信道冲激响应和最小均方差误差(MMSE)算法实现解卷积,其中涉及了大维度矩阵的相乘以及求逆操作,计算复杂度过高,不利于数据的实时处理。
(2)现有技术中的turbo均衡方法过分的依赖于信道估计的准确度,如果信道估计不准确将会使得均衡器和译码器失效。而且,在时变的水声信道环境中,训练序列估计出来的信道冲激响应很难表征有效数据的信道冲激响应,这使得现有技术中的均衡方法稳定性不高。
(3)现有技术中的turbo均衡方法没有利用水声信道冲激响应的稀疏性,使得信道处理的冗余度过大,并且现有技术中的自适应方法收敛速度过慢,无法弥补定时相位误差和相位畸形。这些缺点都会导致均衡过程失效。
发明内容
本发明的目的是为了针对水声通信中多径效应造成的码间干扰,利用迭代均衡的思想,设计了一种收敛快、效率高、误码率低的双向turbo均衡方法及系统,水声通信系统。
为实现上述目的,本发明提供了一种双向turbo均衡方法,该双向turbo均衡方法包括:
获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将均衡处理结果输出;
接收均衡处理结果并进行权重求和后输出;
将权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,输出信号包括第一输出信号和第二输出信号;
优选地,获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将均衡处理结果输出的步骤之前还包括:
判断均衡处理是否为第一次均衡处理;如果均衡处理不是第一次均衡处理,则将第一输出信号进行交织处理后再进行软比特到符号的转换后作为下一次均衡处理的的输入信号。
优选地,获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将均衡处理结果输出的步骤具体包括:
获取训练序列和接收信号经过第一均衡处理,并将第一处理结果输出
获取训练序列和接收信号经过第一时间反转处理后进行第二均衡处理,并将第二均衡处理结果经过第二时间反转处理后输出第二处理结果。
优选地,接收均衡处理结果并进行权重求和后输出的步骤具体包括:
接收第一处理结果和第二处理结果,并将第一处理结果和第二处理结果进行权重求和后输出。
优选地,均衡处理的步骤具体包括:训练阶段和直接判决阶段;
训练阶段用于通过训练序列调整均衡处理过程中产生的系数;
直接判决阶段用于判断训练序列是否达到预先设定的长度,若达到则进入直接判决阶段。
第二方面,本发明提供了一种双向turbo均衡系统,该双向turbo均衡系统包括:第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元;
第一处理单元用于获取训练序列和接收信号经过均衡处理,并将均衡处理结果输出;
所处第二处理单元用于接收均衡处理结果并进行权重求和后输出;
第三处理单元用于将权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,输出信号包括第一输出信号和第二输出信号。
优选地,系统还包括判断单元;
判断单元用于判断第一处理单元是否进行第一次均衡处理;如果第一处理单元不是第一次均衡处理,则将第三处理单元输出的第一输出信号交织处理后再进行软比特到符号的转换后作为第一处理单元的输入信号。
优选地,第一处理单元包括第一均衡器和第二均衡器;
第一均衡器用于获取训练序列和接收信号进行第一均衡处理,并将第一均衡处理结果进行输出;
第二均衡处理器用于在获取训练序列和接收信号后,将获取的信号经过第一时间反转处理,并将第一时间反转处理结果进行第二均衡处理,将第二均衡处理结果经过第二时间反转处理后,将第二时间反转处理结果输出。
第三方面,本发明提供了一种水声通信系统,该水声通信系统包括上述的双向turbo均衡系统。
本发明提出的双向turbo均衡算法稳定性强、检测精度高、算法收敛快、复杂度低,在实际水声通信系统中具有一定实用价值和应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双向turbo均衡方法的结构流程图;
图2为本发明实施例提供的一种双向turbo均衡系统的结构示意图一;
图3为本发明实施例提供的一种双向turbo均衡系统的结构示意图二;
图4为图2或图3中均衡器DFE的结构示意图;
图5(a)为本发明实施例提供的h1信道2dB性噪比条件下的外信息转移(EXIT)图;
图5(b)为本发明实施例提供的h2信道10dB性噪比条件下的外信息转移(EXIT)图;
图6为本发明实施例提供的一种水声通信系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明利用双向均衡的多样性,有效抑制误差传播,利用译码器反馈的外信息作为均衡器的反馈输入,使得均衡器更为有效。此外,还利用训练序列和自适应算法实现稀疏信道自适应均衡,提高了算法效率和检测性能。
图1为本发明实施例提供的一种双向turbo均衡方法的结构流程图。如图所示,该双向均衡方法的步骤包括:
步骤S100:获取训练序列和接收信号经过均衡处理,并将均衡处理结果输出;
获取训练序列st,n和接收信号rn经过均衡处理,均衡处理结果为同时获取训练序列st,n和接收信号rn经过时间反转后均衡处理,再将均衡处理结果经过时间反转后输出
步骤S110:接收均衡处理结果,并进行权重求和后输出;
接收均衡处理结果和进行权重求和后输出为
步骤S120:将权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,输出包括第一输出信号和第二输出信号。
将权重求和的值经过符号到软比特转换(SBC)处理后,得到Le(xn),再将Le(xn)经过解交织处理后为Le(cn),最后将Le(cn)经过译码处理后输出;其中译码后输出包括第一输出信号和第二输出信号,第一输出信号为LD e(cn),第二输出信号为第一输出信号为下一次进行均衡操作的输入信号。
优先地,在执行步骤S100-步骤S120之前还需要进行的操作是,判断步骤S100执行的均衡处理是否为第一次均衡处理;若不是第一次均衡处理,则需要考虑上一次均衡过程中产生的第一输出信号,并将第一输出信号进行交织后进行软比特到符号的转换为根据均衡迭代的过程,下一次均衡操作的步骤包括:
步骤S200:获取训练序列st,n、接收信号rn和进行均衡处理,并将处理结果进行输出;
步骤S210:接收均衡处理结果,并进行权重求和后输出;
步骤S220:将权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,输出包括第一输出信号和第二输出信号。
只有第一次执行该方法时需要判断是否为第一次进行均衡处理,接下来的均衡迭代过程则不需要进行判断。
本发明利用双向均衡的多样性,有效地抑制误差传播。
图2为本发明实施例提供的一种双向turbo均衡系统结构示意图一。如图2所示,双向turbo均衡系统包括第一处理单元10、第二处理单元11和第三处理单元12;
第一处理单元10用于获取训练序列和接收信号经过均衡处理,并将均衡处理结果输出;
第二处理单元11用于接收均衡处理结果并进行权重求和后输出;
第三处理单元13用于将权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,输出信号包括第一输出信号和第二输出信号。
可选地,双向turbo均衡系统还包括:判断单元用于判断第一处理单元进行的均衡处理是否为第一次均衡处理;若第一处理单元进行的均衡处理为第一次均衡处理,则第一处理单元进行的均衡处理为线性均衡,相当于执行一次线性均衡,之后的均衡器为DFE;若第一处理单元进行的均衡处理不是第一次均衡处理,那么第一处理单元还需要接收上一次均衡迭代过程中第三处理单元产生的第一输出信号。
图3为本发明实施例提供的一种双向turbo均衡系统结构图示意图二。如图3所示,该双向turbo均衡系统包括双向DFE、联合方案单元和译码器;其中;
双向DFE是由两个DFE组成,一个是传统DFE,另一个是时间反转DFE;时间反转DFE的结构与传统的DFE的结构相同,只是在它的输入端和输出端各需要一个时间反转操作(T.R.)。由于采用的是软输入软输出(SISO)译码器,双向均衡输出的结果在进入译码器之前必须进行符号到软比特的转换(SBC),软比特经过解交织之后作为先验信息输入到译码器中,译码之后输出的外信息经过交织后重新输入到均衡器,然后进行下一次迭代,直至算法收敛。值得注意的是,外信息在输入到均衡器之前必须经过软比特到符号的转换(BSC)。
本发明实施例采用两路信号来实现均衡的目的是为了提取双向均衡的多样性;单向的DFE存在传播误差,如果当前码元判断错误,将会被反馈到均衡器中,从而造成成片的判决错误,进而降低DFE的检测性能,因此设计了反向DFE,利用时间反转操作和设置在传输信号尾端的训练序列来进行反向均衡。
不可否认,误差传播是一个随机现象,前向均衡判决出错的位置点在反向均衡中不一定出现,如果将两个均衡器输出的结果线性相加,可以抑制误差传播,获得双向均衡增益。由于传统的DFE和时间反转DFE中采用了同样的参数,可以假定两个均衡器输出的均方误差相等,因此可以推导出双向均衡输出结果的最优联合方案为等比例相加。
图4为图3中均衡器结构示意图。如图4所示,均衡器(DFE)采用了分数间隔采样技术,信号输入rn的采样率为两倍符号率,输出采用率为单倍符号率。
均衡过程分为两个阶段:训练阶段和直接判决阶段;训练阶段,采用训练序列st,n实现DFE系数的调整,反馈滤波器的输入为训练序列。一但算法收敛(达到预先设定的训练序列的长度时),算法调整为直接判决模式(即判决器开始工作),反馈滤波器的输入信号为反馈的软符号;其中反馈滤波器包括前馈滤波器cf,n和后馈滤波器cb,n;与传统DFE不同的是,反馈到均衡器的符号并不是当前输出的软符号,而是上一次turbo均衡反馈的符号。由于经过译码器之后反馈的软符号比均衡之后的符号更加准确,将其作为反馈符号输入到均衡器能够提供更加可靠的先验信息,这种带反馈的turbo均衡器也称之为turbo-DFE。此外,值得注意的是,第一次均衡没有反馈信号,相当于执行一次线性均衡,之后的均衡器为DFE。
本发明实施例在均衡器调整系数的过程中,利用信道的稀疏性,设定了门限值,忽略了小于门限的滤波器系数,降低了计算复杂度。此外,还采用了内嵌数字锁相环(DPLL)的最速自优化算法(FOLMS),一方面可以补偿任意的定时相位误差和相位畸形,另一方面可以根据计算误差自适应调整均衡方法的迭代步长,使得收敛速度和精度同时得到保证。
图5中(a)为h1信道2dB性噪比条件下的外信息转移(EXIT)图,(b)为h2信道10dB性噪比条件下的外信息转移(EXIT)图。如图4所示,借助计算机仿真对本发明的性能进行分析。在发射端采用码率为1/2的RSC码进行编码,生成多项式[5,7],编码完的比特经过伪随机交织后由QPSK进行调制。
在本发明实施例中,噪声为高斯白噪声,仿真采用的两个码间干扰信道为和为了方便性能分析,将我们提出的的双向turbo均衡方法(DA-BTEQ)与以下几种方法进行比较,包括基于信道估计的双向turbo均衡方法(CE-BTEQ)、基于直接自适应的单向turbo均衡方法(DA-TEQ)和线性turbo均衡器(LE-TEQ)。仿真得到的外信息转移(EXIT)图如图5(a)和图5(b)所示。在h1信道条件下,我们提出的DA-BTEQ算法比其他算法性能略优,但优势并不明显,而在h2信道条件下,我们提出的DA-BTEQ方法性能明显优于其他方法,对于相同的互信息输出,DA-BTEQ方法只需更少的迭代次数,并且能够使得传递的互信息为1,这也意味着零误码传输。值得注意的是,LE-TEQ在两个信道条件下性能都不好,尤其是在强多径干扰条件下,大约只传递了0.43的互信息。综上所述,我们提出的DA-BTEQ方法在强多径条件下的优势明显,能够有效消除误差传播,实现低误码数据传输。
图6为本发明实施例提供的一种水声通信系统的结构示意图。如图6所示,水声通信系统包括图2和图3中的双向turbo均衡系统。
本发明提出的双向turbo均衡算法稳定性强、检测精度高、算法收敛快、复杂度低,在实际水声通信系统中具有一定实用价值和应用前景。
专业人员应该还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双向turbo均衡方法,其特征在于,包括:
获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将所述均衡处理结果输出;
接收所述均衡处理结果并进行权重求和后输出;
将所述权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,所述输出信号包括第一输出信号和第二输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将所述均衡处理结果输出的步骤之前还包括:
判断所述均衡处理是否为第一次均衡处理;如果所述均衡处理不是第一次均衡处理,则将所述第一输出信号进行交织处理后再进行软比特到符号的转换后作为下一次均衡处理的的输入信号。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取训练序列和接收信号进行均衡处理,并将所述均衡处理结果输出的步骤具体包括:
获取训练序列和接收信号经过第一均衡处理,并将所述第一处理结果输出;
获取训练序列和接收信号经过第一时间反转处理后进行第二均衡处理,并将所述第二均衡处理结果经过第二时间反转处理后输出第二处理结果。
4.根据权利要求1或3所述的方法,其特征在于,所述接收所述均衡处理结果并进行权重求和后输出的步骤具体包括:
接收所述第一处理结果和所述第二处理结果,并将所述第一处理结果和所述第二处理结果进行权重求和后输出。
5.根据权利要求1-4所述的方法,其特征在于,所述均衡处理的步骤具体包括:训练阶段和直接判决阶段;
所述训练阶段用于通过所述训练序列调整所述均衡处理过程中产生的系数;
所述直接判决阶段用于判断所述训练序列是否达到预先设定的长度,若达到则进入直接判决阶段。
6.一种双向turbo均衡系统,其特征在于,包括:第一处理单元、第二处理单元和第三处理单元;
所述第一处理单元用于获取训练序列和接收信号经过均衡处理,并将所述均衡处理结果输出;
所处第二处理单元用于接收所述均衡处理结果并进行权重求和后输出;
所述第三处理单元用于将所述权重求和后输出的值经过译码处理后输出;其中,所述输出信号包括第一输出信号和第二输出信号。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,所述系统还包括判断单元;
所述判断单元用于判断所述第一处理单元是否进行第一次均衡处理;如果所述第一处理单元不是第一次均衡处理,则将所述第三处理单元输出的第一输出信号交织处理后再进行软比特到符号的转换后作为所述第一处理单元的输入信号。
8.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,第一处理单元包括第一均衡器和第二均衡器;
所述第一均衡器用于获取所述训练序列和所述接收信号进行第一均衡处理,并将所述第一均衡处理结果进行输出;
所述第二均衡处理器用于在获取所述训练序列和所述接收信号后,将获取的信号经过第一时间反转处理,并将所述第一时间反转处理结果进行第二均衡处理,将所述第二均衡处理结果经过第二时间反转处理后,将所述第二时间反转处理结果输出。
9.一种水声通信系统,其特征在于,所述系统包括如权利要求6-8任一项权利要求所述的双向turbo均衡系统。
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