CN106712781A - 从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机，该全双工水声通信机包括发射单元和接收单元，其中发射单元包括调制器、数模转换器、功率放大器、发射换能器，接收单元包括接收水听器、低噪声放大器、模数转换器、解调器。接收端在接收远来信号的同时会受到近端本地发射信号的干扰，从而无法获得正确的解调信号，本发明选择在模拟领域消除干扰的方法消除干扰，能够消除一部分的自干扰。再进一步采用数字领域消除干扰，彻底避免自干扰和码间串扰。本发明从模拟领域和数字领域消除干扰，从真正意义上实现带内全双工水声通信。

Description

从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机

技术领域

本发明属于全双工水声通信领域，涉及一种从模拟领域和数字领域消除多径干扰和本地发射干扰的水声通信机。

背景技术

水声通信是监测海洋环境、探索海洋资源的重要方法。但是，在水声通信中存在着许多的挑战，由于声音的传输速度慢，存在很大的延时，水声信道的窄带宽限制了水声通信系统。在浅海领域，全双工通信机有两种类型的干扰，一种是来自本地传输的自干扰，另一种则是由于海表面和海底反射造成的多径干扰。这些干扰会极大的影响全双工水声通信机的性能。

目前水声全双工通信主要采用了频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)两种方式。但是实际上频分多址方式并不是带内全双工通信，而是牺牲了频谱效率以获得时间效率，码分多址方式由于带宽的限制也并不能像带内全双工那样提高频谱效率。如文献1：G.Qiao,S.Liu,Z.Sun,and F.Zhou,“Full-duplex,multi-user and parameter reconfigurableunderwater acoustic communication modem,”in Proc.2013Oceans,pp.1-8.文献2：J.Zhang,X.Ma,G.Qiao,and C.Wang,“A full-duplex based protocol for underwateracoustic communication networks,”in Proc.2013Oceans,pp.1-6。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机，从真正意义上实现带内全双工水声通信。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括依次连接的调制器、数模转换器、功率放大器、发射换能器；所述接收单元包括依次连接的接收水听器、低噪声放大器、模数转换器、解调器；

该通信机还包括在模拟域消除自干扰的衰减器、延迟器和移相器，近端发射信号依次经过衰减器、延迟器、移相器，进行幅度、时延、相位的调整后，重建自干扰信号，通过接收信号与重建自干扰信号相减，抑制自干扰信号；

进一步地，在数字领域的干扰消除，经过模拟域消除后的接收信号经过模数转换、去循环前缀、快速傅里叶变换后得到数字频域接收信号，然后进行自干扰信道估计，根据信道估计值和频域发射信号得到频域自干扰重建信号，最后在频域接收信号中减去自干扰重建信号，得到数字自干扰抑制后的信号。

其中信号处理流程为：

模拟域重建信号：r_c(t)＝a_c(t)·r_t(t-τ_c)；

模拟域自干扰抑制后的接收信号：s_a(t)＝r_r(t)-r_c(t)；

经模拟域自干扰抑制后残余干扰信号：s_r(t)＝r_c(t)-r_i(t)；

数字域重建信号：

数字自干扰抑制后的信号：D_k＝R(k)-R_d(k)；

其中，a_c(t)为调整衰减器的幅度因子，τ_c为延时器的时延，r_t(t-τ_c)是经过时间延迟后的估计信号，r_c(t)为重建自干扰信号，r_i(t)为自干扰信号；为信道估计值，P为自干扰信号的单个符号OFDM功率。B(k)为自干扰信号第k个子载波的频域发射信号。R(k)为频域接收信号。

进一步地，采用双核处理芯片，其具有双核架构DSP和ARM，能够将总工作按照双核的各自优势进行合理划分，DSP负责算法运算，实现信号的调制、解调，ARM负责其他外设的控制，并且可以在空闲时休眠DSP和禁止其他外设以降低系统功耗。

本发明的有益效果是：本发明选择在模拟领域消除干扰的方法消除干扰，近端发射信号依次经过衰减器、延迟器、移相器，进行幅度、时延、相位的调整后，重建自干扰信号，通过接收信号与重建自干扰信号相减，能够消除一部分的自干扰。再进一步采用数字领域消除干扰，频域接收信号作为参考信号，再利用频域发射信号实现自干扰信号的重建，彻底消除自干扰和码间串扰。本发明从模拟领域和数字领域消除干扰，从真正意义上实现带内全双工水声通信。

附图说明

图1是一种现有的全双工水声通信机的模块示意图；

图2是本发明的带内全双工水声通信机的模块示意图；

图3是模拟领域消除干扰的结构示意图；

图4是数字领域消除干扰的结构示意图；

图5是本发明一个实施例的带内全双工水声通信机的模块示意图；

图6是本发明一个实施例的数字领域消除干扰的结构示意图

图7是本发明一个实施例中时间反演的原理图；

图8是本发明一个实施例中判决反馈均衡器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地描述。

在水声通信中，全双工通信可以提高传输效率，但是由于远来信号非常微弱，可能会淹没在本地信号当中，所以需要消减本地信号的干扰。在本地发射和接收的信道是未知的，需要重构出本地干扰信号于接收信号结合以消除干扰。在使用模拟领域的干扰消除后，还需要在基带估计残留的自干扰信号，并重建数字信号以相互抵消。

本实施例包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括依次连接的调制器、数模转换器、功率放大器、发射换能器；所述接收单元包括依次连接的接收水听器、低噪声放大器、模数转换器、解调器；在模拟领域采用衰减器、延迟器和移相器重建自干扰信号，通过接收信号与重建自干扰信号相减，抑制自干扰信号，在数字域，采用时间预处理模块和判决反馈均衡器模块对自干扰信道进行估计并重建自干扰信号和抵消自干扰。

图1是不添加干扰消除的全双工水声通信模型，接收端在接收远来信号的同时还会接收本地发射干扰信号。

图2是本发明的模块连接图，从模拟领域和数字领域两方面对干扰进行消除处理，使得带内全双工水声通信机的性能更加优越。

采用双核处理芯片OMAPL138作为核心处理器，其具有双核架构DSP和ARM，能够将总工作按照双核的各自优势进行合理划分，DSP负责算法运算，实现信号的调制、解调，ARM负责其他外设的控制，并且可以在空闲时休眠DSP和禁止其他外设以降低系统功耗。其中调制器和解调器在DSP上实现，A/D转换和D/A转换在外扩电路上实现。

本发明的发送过程为：在发送端，信息数据比特在DSP上经过独立编码，然后对信号进行数模转换、放大、由换能器转换为声音能量，在水下环境中传输。

本发明的接收过程为：在接收端接收信号由水听器转换为电信号，经过放大器、模数转换器、DSP对接收到的声信号进行识别解码，从调制信号中解调出数据信息。在接收信号中还存在本地干扰信号和噪声信号，需要对干扰信号进行消除才能解调出正确的接收信号。

图3表示了本发明中，在模拟领域消除自干扰的说明。X(t)为调制后的信号，r_t(t-τ_c)是经过时间延迟后的估计信号，在经过衰减器以后，与接收信号进行结合消除自干扰，a_c(t)为调整衰减器的幅度因子，τ_c为延时器的时延，重建自干扰信号为r_c(t)＝a_c(t)·r_t(t-τ_c)，由于还存在残留干扰以及多径干扰，所以还需要对其进行进一步的消除，本发明采用了数字领域的消除方法来实现。

图4表示了本发明中，在数字领域消除自干扰的说明。为信道估计值，B(k)为自干扰信号第k个子载波的频域发射信号。R(k)为频域接收信号。数字域重建信 数字自干扰抑制后的信号D_k＝R(k)-R_d(k)。

图5表示了本发明一个实施例的带内全双工水声通信机的模块示意图，采用时间反转预处理和判决反馈均衡器实现对自干扰信道的估计以及自干扰信号的重建和消除。这种消除干扰的方法，充分利用了水下信道脉冲压缩的特点，能够同时避免自干扰和码间串扰，采用循环结构，可以利用本地先验信息，在某种程度上跟踪信道变化。

图6是本发明一个实施例的数字领域消除干扰的结构示意图，X[k]是理想的编码信号，y[k]为接收的基带信号，在进行判决反馈前，对接收信号y[k]做了时间反演预处理操作。时间反演预处理的过程，首先用一个线性调频信号做信道脉冲应答估计，估计的信道脉冲应答做时间反演处理后，由接收器作为一个有限脉冲应答滤波器进行存储，然后再将接收的数据负载y[k]通过这个有限脉冲应答滤波器，信号能量得到集中。

在进行时间预处理进行信道估计以后，在判决反馈器中进行自干扰的重建、消除、均衡、解码操作。由于接收器已经知道了本地传输的基带副本，本发明将在判决反馈均衡器中进行干扰重建和消除，从接收信号中减去这个副本。判决反馈均衡器的前馈滤波器和反馈滤波器的系数通过最小均方算法调整。

时间反转预处理：

反馈输入信号：

h(t)为信道响应，h₁(t)为信道脉冲应答估计的时间反演，s_a(t)为经过模拟域消除干扰后的接收信号，F_K为前馈滤波器输出信号的频域表示，h₁[K]、S_a[k]分别为为h₁(t)、s_a(t)在频域上的表示，s′_1,k为解码后的数据，第一次反馈输入时，作为一个先验信息，被发送到判决反馈均衡器的反馈滤波器开始下一次的迭代，直到算法收敛；分别为前馈系数、反馈系数、自适应滤波系数。

图7为时间反演技术的原理，实现信号的能量聚集，A、B、C为多条路径的转发节点，a、b分别为发送节点和接收节点，原理如下：

h_A(t),h_B(t),h_C(t)为传输函数，a(t)为发射信号，b(t)为接收函数，其频域表示为：

b(W)＝H_A(W)·a(W)+H_B(W)·a(W)+H_C(W)·a(W)

时间反演信号是将发射信号在时域进行重新排列后再发射出去，将信号颠倒，令X(t)变为X(-t)，时域的反演相当于频域的共轭，所以有：

c＝b*＝(H_A+H_B+H_C)*·a*

d＝(H_A+H_B+H_C)·c＝(H_A+H_B+H_C)·(H_A+H_B+H_C)*·a*

d＝[|H_A|²+|H_B|²+|H_C|²+H_AH_B*+H_AH_C*+H_BH_C*+H_BH_A*+H_CH_A*+H_CH_B*]·a*|H_A|²+|H_B|²+|H_C|²为幅度增加，没有相移，时间反演后在接收端形成聚焦，能量增强；

H_AH_B*则表示多路径A引起的相位滞后和B引起的相位超前。

图8为判决反馈器的原理图，前馈滤波器和反馈滤波器的系数采用LMS算法调整，LMS算法原理如下：

y(n)＝sygn[y_f(n)+y_b(n)]

前馈滤波器抽头系数：

反馈滤波器抽头系数：

其中e(k)为误差，y(k)为基带接收信号，为判决反馈器的输出信号，x(n)为参考信号，y_f(n),y_b(n)分别为前馈滤波器和反馈滤波器的输出信号，w_b(n),w_f(n)分别为前馈滤波器和反馈滤波器抽头的加权系数，分别为x(n)、y(n)的估计。

Claims (2)

1.一种从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机，包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括依次连接的调制器、数模转换器、功率放大器、发射换能器；所述接收单元包括依次连接的接收水听器、低噪声放大器、模数转换器、解调器；其特征在于：

该通信机还包括在模拟域消除自干扰的衰减器、延迟器和移相器，近端发射信号依次经过衰减器、延迟器、移相器，进行幅度、时延、相位的调整后，重建自干扰信号，通过接收信号与重建自干扰信号相减，抑制自干扰信号；

该通信机还包括在数字域抑制残余自干扰的自干扰信道估计模块和数字域自干扰重建模块，所述自干扰信道估计模块的输入端数据来自调制器调制后的频域发射信号，自干扰重建模块的输出端数据送至解调器模块；经过自干扰信道估计模块得到信道估计值，然后根据信道估计值和频域发射信号重建自干扰信号。

其中信号处理流程为：

模拟域重建信号：r_c(t)＝a_c(t)·r_t(t-τ_c)；

模拟域自干扰抑制后的接收信号：s_a(t)＝r_r(t)-r_c(t)；

经模拟域自干扰抑制后残余干扰信号：s_r(t)＝r_c(t)-r_i(t)；

数字域重建信号：

数字自干扰抑制后的信号：D_k＝R(k)-R_d(k)；

其中，a_c(t)为调整衰减器的幅度因子，τ_c为延时器的时延，r_t(t-τ_c)是经过时间延迟后的估计信号，r_c(t)为重建自干扰信号，r_i(t)为自干扰信号；为信道估计值，P为自干扰信号的单个符号OFDM功率。K为子载波数目，B(k)为自干扰信号第k个子载波的频域发射信号。R(k)为频域接收信号。

2.按权利要求1所述的带内全双工水声通信机，其特征在于：采用双核处理芯片，其具有双核架构DSP和ARM，能够将总工作按照双核的各自优势进行合理划分，DSP负责算法运算，实现信号的调制、解调，ARM负责其他外设的控制，并且可以在空闲时休眠DSP和禁止其他外设以降低系统功耗。