CN108964788A - 一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，其包括以下步骤：1)发送端在帧头发送n个频点的恒幅单频信号；2)、接收端统计n个频点信号幅度；3)、接收端根据接收的n个频点的信号幅度，反向成比例地控制均衡器增益；4)、接收端判断均衡后的n个频点信号是否恒幅，如果否，则回到步骤2)，如果是，则进入下一步骤；5)、开始本帧信号通信；该帧后续数据通信按该固定均衡参数进行；6)、发送端在帧头循环发送信号m次，接收端重复进行上述步骤，经过m次循环至接收端信号与发送端信号相同。本发明自适应均衡采用闭环控制方式，可有效降低由于换能器的电声转换频率特性的不平坦以及水声信道的选择性衰落导致的信号幅度波动。

Description

一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法

技术领域

本发明属于水声通信领域，具体涉及一种用于水声通信系统的宽带大动态自适应均衡方法。

背景技术

声波是迄今为止能在水中远距离传输的唯一无线信号。水声通信面临着传输信道频率性选择性衰落、多途径干扰、高噪声等信道复杂多变特性；同时，水声通信还受水声换能器带宽窄、换能器发射电压频率响应曲线不平坦、发射端和接收端相对距离变化等因素影响，导致接收端信号幅度随频率产生较大范围的波动，对后端检测和解调信号带来很大的计算复杂度。

现有技术只能简单地以某一单一频点预估的判定阈值为均衡参考值，将接收信号经过放大或缩小至期望值，该技术的均衡带宽窄，无法满足宽频高速通信对均衡的需求。例如公布号为CN105515609A的中国发明专利《一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路》提出了一种由阻抗变化电路、自动增益控制电路和带通滤波器组成的接收幅度均衡电路，但该电路只有单一频点均衡能力，均衡动态范围有限，带宽不高，无法满足高速通信对物理层信号处理的高动态范围和宽频带处理要求。

现有技术仅简单地在接收端对接收信号进行均衡，对因换能器的幅频响应不平坦和水声信道的多途径衰落以及多径混响导致的接收信号幅频响应不平坦，无法进行有效补偿。

现有技术的均衡参数是固定不变的，对因换能器的幅频特性随时间产生的畸变和水声信道的时变等因素导致的接收端信号具有时变性无法有效均衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，可实现多频点动态均衡，以解决上述现有技术的缺点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，其包括：

步骤1)、发送端在帧头发送n个频点的恒幅单频信号；

步骤2)、接收端统计n个频点信号幅度；

步骤3)、接收端根据接收的n个频点的信号幅度，反向成比例地控制均衡器增益；

步骤4)、接收端判断均衡后的n个频点信号是否恒幅，如果否，则回到步骤2)，如果是，则进入下一步骤；

步骤5)、开始本帧信号通信；该帧后续数据通信按该固定均衡参数进行；

步骤6)、发送端在帧头循环发送信号m次，接收端重复进行上述步骤，经过m次循环至接收端信号与发送端信号相同。

其中步骤3)中进行信号均衡处理的过程为，接收端对接收到的不平坦信号进行ADC采样，得到每个频点的信号幅度值R(X)，用发送端发送的恒幅单频信号的幅度值A减去每个频点的信号幅度值R(X)得到的E(X)即为均衡电路在每个频点的补偿增益值，再输出控制均衡器各频段增益值，经过m个循环的均衡，接收信号R(X)的幅度在每个频点上将趋近于A。

所述均衡器包括运放OA1、运放OA2以及若干频段的谐振网络和增益调节电位器构成的回路，接收端采集到的信号从运放OA1的正相输入端进入，从运放OA2的输出端输出，每个频段的其中一增益调节电位器的一端连接运放OA1的反相输入端，另一端通过一开关连接谐振网络，另一增益调节电位器的一端连接运放OA2的正相输入端，另一端通过另一开关连接谐振网络。

所述谐振网络由串联的一电容、一电阻和一电感组成串联谐振回路，所述电容的一端分别连接两所述开关，所述电感的一端接地。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、本发明具有多频点均衡，可以实现宽带大动态均衡。

2、本发明的均衡方法是一种闭环控制的均衡，接收端以发送端发送的恒幅信号为基准，将中间过程改变了的信号还原，可以保证接收端收到的信号经过均衡后与发射端的发送信号相同。

3、本发明的均衡方法是一种实时动态均衡，能自适应信道信号的时变特征。

附图说明

图1为本发明水声通信自适应均衡系统结构框图；

图2为本发明的均衡器拓扑图；

图3为图2所示均衡器的增益曲线图；

图4为本发明一帧信号进行均衡处理的流程图；

图5为本发明4频段均衡器的补偿示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1的闭环宽带自适应均衡系统结构框图，发送端信号源经过功放和匹配网络后，驱动换能器将电信号转换成声信号。声信号经过水声信道的传输，在接收端经过换能器转换成微弱的电信号，电信号再经过前置放大器传给均衡器进行均衡处理，然后再输出给后续的信号处理和解码环节。

见图2所示的均衡器拓扑图，均衡器包括运放OA1、运放OA2以及若干频段的谐振网络和增益调节电位器构成的回路，本实施例图示为7频段(Band1～Band7)的均衡器，接收端采集到的信号从运放OA1的正相输入端进入，从运放OA2的输出端输出，以其中一个频段Band1为例，增益调节电位器RV1的一端连接运放OA1的反相输入端，另一端通过一开关连接谐振网络，另一增益调节电位器RV1的一端连接运放OA2的正相输入端，另一端通过一开关连接谐振网络，谐振网络由串联的电容C1、电阻R0和电感L1组成串联谐振回路，电容C1的一端分别连接上述这两个开关，电感L1的一端接地。该回路对特定频段具有较高的Q值和良好的选频特性，落在此频段内的信号阻抗最小；通过调节增益调整电位器RV1即可控制信号在Band1频段的放大或衰减值。

通过调节每一个频段(Band)的增益，可以将一个比较宽的频带内的频率响应曲线任意调整到预期值。

如图4所示的信号进行均衡处理的流程图，一帧信号的通信流程包括以下几个步骤：

1)、一帧信号开始通信；

2)、发送端在帧头发送n个频点的恒幅单频信号T(X)，其幅度为A；

3)、接收端统计n个频点信号的幅度；

4)、接收端根据接收的n个频点信号幅度，反向成比例地控制均衡器增益；

5)、接收端判断均衡后的n个频点信号是否恒幅，如果否，则回到步骤3)前，如果是，则进入下一步骤；

6)、本帧信号均衡参数固定，开始通信；该帧后续数据的通信按该固定均衡参数进行；

7)本帧通信结束。

发送端发送的帧头均衡信号循环发送m次，重复上述流程m次，接收端接收、幅度检测、调整均衡电路需要经过m个循环才能收敛。

本发明在每一帧数据的帧头插入n个频点的恒幅单频信号T(X)，其幅度为A，该信号经过换能器、水声信道传输至接收换能器，还原成电信号后，由于换能器的电声-声电转换频率曲线不平坦，水声信道的选择性衰落导致信道传输特性的不平坦，接收到的电信号是不平坦的。接收端对该不平坦信号进行ADC采样，得到每个频点的信号幅度值R(X)，再用A减去每个频点的信号幅度值R(X)得到E(X)，E(X)即为均衡电路在每个频点的补偿增益值，输出控制均衡器各频段的增益，经过几个循环的均衡，接收信号的幅度R(X)在每个频点上将趋近于A，使得经过均衡的信号在通频带内还原成固定幅度的恒幅信号。均衡信号和有效码流之间需插入均衡处理响应延时。

经过自适应均衡的处理，可对由于换能器频响曲线不平坦以及信道频响曲线不平坦导致的接收信号幅频响应不平坦进行±12dB的补偿，这样就极大的提高了整个水声通信系统的实际可用通频带。

见图5所示的均衡器补偿示意图，图4的均衡器采用了一个4段均衡器，图中实线表示发送端循环发送的4个恒幅单频点信号，也是接收端期望经过均衡器输出的波形。短划线波形表示在接收端接收到的未经过均衡处理的信号，Band1和Band4频点幅度偏高；Band2和Band3频点幅度偏低。点画线的波形表示均衡器增益曲线，其在Band1-Band4每一个频点的增益值刚好与均衡前信号大小成比例，且符号相反。经过均衡器后，可见信号每个频点都被拉平成恒幅信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，其特征在于：包括

步骤1)、发送端在帧头发送n个频点的恒幅单频信号；

步骤2)、接收端统计n个频点信号幅度；

步骤3)、接收端根据接收的n个频点的信号幅度，反向成比例地控制均衡器增益；

步骤4)、接收端判断均衡后的n个频点信号是否恒幅，如果否，则回到步骤2)，如果是，则进入下一步骤；

步骤5)、开始本帧信号通信；该帧后续数据通信按该固定均衡参数进行；

步骤6)、发送端在帧头循环发送信号m次，接收端重复进行上述步骤，经过m次循环至接收端信号与发送端信号相同。

2.如权利要求1所述的一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，其特征在于：步骤3)中进行信号均衡处理的过程为，接收端对接收到的不平坦信号进行ADC采样，得到每个频点的信号幅度值R(X)，用发送端发送的恒幅单频信号的幅度值A减去每个频点的信号幅度值R(X)得到的E(X)即为均衡电路在每个频点的补偿增益值，再输出控制均衡器各频段增益值，经过m个循环的均衡，接收信号R(X)的幅度在每个频点上将趋近于A。

3.如权利要求2所述的一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，其特征在于：所述均衡器包括运放OA1、运放OA2以及若干频段的谐振网络和增益调节电位器构成的回路，接收端采集到的信号从运放OA1的正相输入端进入，从运放OA2的输出端输出，每个频段的其中一增益调节电位器的一端连接运放OA1的反相输入端，另一端通过一开关连接谐振网络，另一增益调节电位器的一端连接运放OA2的正相输入端，另一端通过另一开关连接谐振网络。

4.如权利要求3所述的一种水声通信宽带大动态自适应均衡方法，其特征在于：所述谐振网络由串联的一电容、一电阻和一电感组成串联谐振回路，所述电容的一端分别连接两所述开关，所述电感的一端接地。