CN111106877B - 一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，所述方法包括：步骤1)设置仿真水声FTN信道，设置出与信道匹配的不规则码；步骤2)发射端基于Farrow滤波器实现FTN快速成形；步骤3)接收端实现基于Farrow滤波的多普勒补偿与FTN快速采样；步骤4)接收端实现基于不规则码的直接自适应turbo均衡，其中，针对步骤3)所得到的接收符号序列，采用基于直接自适应turbo均衡来消除由时变水声信道与FTN脉冲成形引起的符号间干扰，接收端采用的译码器为步骤1)中的与信道匹配的不规则码的译码器。通过本发明，能够建立自适应的滤波器参数设置机制，适用于任意符号速率的FTN传输，同时实现信道编码模式与实际信道特征相匹配。

Description

一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法

技术领域

本发明属于高速水声通信领域，特别是涉及一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，所述方法应用于超奈奎斯特即FTN传输系统。

背景技术

水声通信是水下进行多距离尺度无线通信的唯一方式，但受到水声带宽的限制，需要采用高频谱利用率的传输方式，提高通信速率，以满足未来海底观测网无线拓展系统中数据传输以及潜水器无线视频实时传输的需求。

一方面，现有技术中的水声通信FTN传输方法中发射端与接收端均需要为不同的符号速率设计不同的滤波器参数，导致对水声通信中的滤波器的参数设置操作频繁，自适应水平低下且成形滤波复杂度高，无法满足当前需求。

另一方面，现有技术中的水声通信中直接采用高阶调制的方式，如16阶正交幅度调制，可以达到无编码时4bps/Hz的频谱利用率，但对符号信噪比要求较高，仅在较好的信道条件下或接收通道较多的情况下才能使用。另一种途径是采用超奈奎斯特(FTN,FasterThan Nyquist)传输的方式，在带宽不变的条件下，通过打破成形脉冲之间的正交性，来提高传输符号速率。然而，由于打破了正交性，发送符号间在发射端引入了符号间干扰(ISI,Inter Symbol Interference)，因此在接收端需要通过turbo均衡的方法来实现干扰消除。同时，水声信道具有严重的时间和频率选择性，对接收算法的性能要求较高，通常采用多通道自适应均衡的方法抑制时变符号间干扰。因此，接收信号中相当于引入了水声信道的时变ISI与FTN引入的人为ISI，对接收端的均衡算法提出了更高的要求，主要体现为turbo均衡的信噪比门限明显提高。

由此可见，现有技术中的水声通信FTN系统主要存在如下问题：

1)发射端与接收端均需要为不同的符号速率设计不同的滤波器参数，缺乏统一的自适应于符号速率的实现滤波器，灵活性差；

2)通常选用固定的信道编码方案，无法与实际信道特征相匹配，使得turbo均衡信噪比门限高。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的是建立一种水声通信传输机制，能够适用于任意符号速率且与水声信道相匹配，解决现有水声通信FTN传输系统中存在的发射与接收处理复杂度高、turbo均衡信噪比门限高等技术问题，为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，该方法包括：

步骤1)设置仿真水声FTN信道，设置出与信道匹配的不规则码；

步骤2)发射端基于Farrow滤波器实现FTN快速成形；

步骤3)接收端实现基于Farrow滤波的多普勒补偿与FTN快速采样；

步骤4)接收端实现基于不规则码的直接自适应turbo均衡，其中，针对步骤3)所得到的接收符号序列，采用基于直接自适应turbo均衡来消除由时变水声信道与FTN脉冲成形引起的符号间干扰，接收端采用的译码器为步骤1)中所设置的与信道匹配的不规则码的译码器，用于降低turbo迭代的信噪比门限。

本发明至少具有以下两处关键发明点：

1、在发射端与接收端设置相同的滤波器参数，滤波器设计基于Farrow结构，即Farrow滤波器，仅通过改变Farrow滤波器步长因子，即可完成FTN符号速率的任意数值调节，在接收端，Farrow滤波器同时完成FTN符号速率调整和多普勒补偿的作用，接收端完成速率调整之后，采用2倍符号速率的自适应均衡器，避免符号定时偏差的影响且具有较低的计算复杂度，实现不同FTN参数下的均衡器复用；

2、信道编码采用根据水声FTN信道所设计的与之相匹配的不规则卷积码，因此在接收端，均衡器与不规则译码器之间可以实现很好的匹配，大幅降低turbo迭代均衡的信噪比门限。

附图说明

图1为本发明的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法的步骤流程图。

图2为接收端接收到的发射信号中每一帧数据的数据组帧格式。

图3为本发明的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法所应用的水声通信传输系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

水声通信(Underwater acoustic communication)是一项在水下收发信息的技术，是当前海洋军事中最重要和关键的技术。常见的水声通信方法是采用单载波调制、多载波调制及扩频通信技术等。

水声通信水下通信非常困难，主要是由于通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重，特别是在长距离传输中。水下通信相比有线通信来说速率非常低，因为水下通信采用的是声波而非无线电波。

水声通信的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息，通过电发送机转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器又将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到接收换能器，这时声信号又转换为电信号，解码器将数字信息破译后，电接收机才将信息变成声音、文字及图片。

现有技术中的水声通信系统在采用超奈奎斯特(FTN，Faster Than Nyquist)传输方式时，存在发射端与接收端滤波器参数设置自适应水平低下以及固定的信道编码方案无法与实际信道特征相匹配两项技术问题。

为此，本发明提出了一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，能够有效解决上述两项技术问题。

图1给出了本发明的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法的步骤流程图，所述方法应用于超奈奎斯特即FTN传输系统，具体步骤包括：

步骤1)设置仿真水声FTN信道，设置出与信道匹配的不规则码；

步骤2)发射端基于Farrow滤波器实现FTN快速成形；

步骤3)接收端实现基于Farrow滤波的多普勒补偿与FTN快速采样；

步骤4)接收端实现基于不规则码的直接自适应turbo均衡，其中，针对步骤3)所得到的接收符号序列，采用基于直接自适应turbo均衡来消除由时变水声信道与FTN脉冲成形引起的符号间干扰，接收端采用的译码器为步骤1)中所设置的与信道匹配的不规则码的译码器，用于降低turbo迭代均衡的信噪比门限。

接着，继续对本发明的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法的具体流程进行进一步的说明。

在本发明所述的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法中，所述步骤1)包括：

步骤1-1)设置仿真水声FTN传输信道，其中水声信道通过MATLAB仿真软件实现，FTN干扰信道根据FTN时间加速因子与SINC函数计算获得，仿真水声FTN传输信道即为水声信道与FTN干扰信道的卷积；

步骤1-2)基于仿真水声FTN传输信道，按照最大互信息准则设计不规则卷积码，码率设定为0.5。

在本发明所述的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法中，所述步骤2)包括：

步骤2-1)根据仿真水声FTN传输信道所传输的数据生成发送比特，对发送比特进行不规则编码，并进行比特交织；

步骤2-2)对编码后的比特映射至星座图上，映射方式为格雷映射，得到发送符号，定义此时发送符号的采样频率为F_symbol；

步骤2-3)对生成的符号序列进行2倍升采样操作，即在每个符号后增加一个0，此时采样频率为2F_symbol；

步骤2-4)根据FTN时间加速因子Δ_FTN，0＜Δ_FTN≤1，设置Farrow滤波器的采样步长为1/Δ_FTN，对2倍升采样符号序列进行Farrow滤波，得到将要传输的基带符号序列，基带符号序列对应的采样频率为F_bb＝2F_symbolΔ_FTN，即通过压缩采样，减少了符号序列中的符号采样点，缩短了发射时间；

步骤2-5)对压缩采样后的符号进行插值滤波，得到带通信号，此时带通信号对应的采样频率为F_s；

步骤2-6)对带通信号进行正交上混频，得到最终用于水声通信发射的信号，其采样频率为F_s。

在本发明所述的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法中，所述步骤3)包括：

步骤3-1)发射信号经过时变的水声FTN传输信道后，接收端对接收信号进行正交下混频，由于受到了多普勒频移的影响，实际的采样频率为F_sΔ_Doppler，其中Δ_Doppler为时变多普勒因子；

步骤3-2)对混频后信号进行抽取滤波，得到基带接收信号，实际的基带采样频率为F_bbΔ_Doppler；

步骤3-3)基于接收信号估计时变多普勒因子Δ_Doppler，其中通过前后帧之间的时间长度来求解，如图2所示，给出了各帧数据的数据组帧格式；

具体地，规定前后两帧数据间的时间长度为τ₁，接收端对线性调频信号匹配滤波，取前后两帧线性调频信号匹配滤波后峰值间的时间长度τ′₁，则估计的时变多普勒因子Δ_Doppler为：

步骤3-4)对基带接收信号进行Farrow滤波，其中执行Farrow滤波的Farrow滤波器的采样步长设置为Δ_FTNΔ_Doppler，对滤波后的信号同时实现多普勒补偿与FTN快速采样，得到接收符号序列，对应的符号采样率为2F_symbol。

以及在本发明所述的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法中，所述步骤4)包括：

步骤4-1)对2倍采样的接收符号进行直接自适应均衡，其中，假设接收通道的个数为N_ch，则多通道均衡模型如下：

其中，y_n,k表示第n个接收通道在k时刻的接收采样，h_n(k,l)表示第n个子信道在k时刻的冲激响应的第l个系数，此处将FTN成形及水声信道等的影响均考虑在内，x_k表示k时刻的发送符号，v_n,k表示加性高斯白噪声，定义

多通道均衡模型进一步被表示为：

步骤4-2)设置均衡器的先验软信息为0，turbo迭代最大次数为IT，初始迭代次数t＝0；

步骤4-3)自适应均衡器的输出可以表示为：

其中，

为符号的先验软判决，

与

分别表示长度为K₁+K₂+1的前馈滤波系数与长度为K₃+K₄的干扰消除滤波系数，公式(4)进一步简写为：

其中，

针对均衡系数w_k的求解，采用改进的比例归一化最小均方自适应算法更新得到，更新过程分为训练模式与判决导引模式两部分，在训练模式中，自适应均衡器根据已知的训练序列对均衡系数w_k进行训练，使其收敛，均衡系数向量更新过程为：

其中，μ为自适应更新步长，G_k为比例更新对角阵，G_k根据均衡器的稀疏度进行调节，δ_IPNLMS为一个小量，保证分母不为0，当训练模式结束时，转为判决导引模式，利用符号的判决值作为均衡系数更新的导引，在第0次turbo迭代，自适应均衡器输入端无先验信息，导引采用硬判决，均衡系数向量w_k初始更新过程为：

其中，

表示

的硬判决值，当turbo迭代次数大于0时，自适应均衡器输入端有来自译码器的外部信息，为减小错误传播的影响，导引采用符号的先验软判决，均衡系数向量w_k的更新过程为：

并由公式(5)求出均衡后的符号估计值；

步骤4-4)均衡后的符号估计值经过符号解映射器与解交织器，将符号估计值转换为信息比特的对数似然比；

步骤4-5)将自适应均衡器解映射后的对数似然比作为先验软信息输入至不规则译码器，不规则译码器输出信息比特的外部对数似然比，作为先验软信息输入至均衡器；

步骤4-6)若t＜IT，将t的值加1，转至步骤4-3)，否则，对不规则译码器的输出信息做判决，得到接收的信息比特，通信传输过程结束。

另外，图3给出了本发明的一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法所应用的水声通信传输系统的结构示意图。

其中，Farrow结构的抽取滤波器是抽取滤波器的一种实现结构，其实现起来消耗资源少，因而获得了广泛的应用。一般给予多项式的抽取插值函数都可以通过Farrow结构来实现。

以及其中，turbo均衡技术是一种通过软均衡器与软译码器迭代交互外部信息以实现接近最优性能的符号与比特检测方法。这种思想受启发于turbo码的迭代译码过程。均衡器与译码器由一个随机比特交织器相连，迭代均衡过程从均衡器开始，均衡器根据接收到的符号采样通过自适应或信道估计并基于最小均方误差准则实现信道均衡，完成符号估计，最后输出对应比特的外信息，经过交织器随机化后，作为先验信息输入至译码器，译码器基于先验信息进行译码，输出比特外信息并经交织器传递至均衡器进行下一次迭代，最终完成迭代均衡与译码。

以及其中，不规则码是一种可以与信道均衡器相匹配的编码方案，这也是它区别与其他编码方式的主要特征。在turbo迭代均衡与译码中，外部互信息转移(EXIT)图是分析turbo迭代的主要工具。不规则码可以根据EXIT图中均衡器的外信息曲线自适应地调整自身的外信息曲线形状进行匹配，进而保证通畅的turbo迭代通道，降低迭代的信噪比门限。因此，不规则码在接近容量的通信系统设计中得到了广泛的应用。

以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，所述方法应用于超奈奎斯特即FTN传输系统，所述方法包括：

步骤1)设置仿真水声FTN传输信道，设置出与信道匹配的不规则码；

步骤2)发射端基于Farrow滤波器实现FTN快速成形；

步骤3)接收端实现基于Farrow滤波的多普勒补偿与FTN快速采样；

步骤4)接收端实现基于不规则码的直接自适应turbo均衡，其中，针对步骤3)所得到的接收符号序列，采用基于直接自适应turbo均衡来消除由时变水声信道与FTN脉冲成形引起的符号间干扰，接收端采用的译码器为步骤1)中所设置的与信道匹配的不规则码的译码器，用于降低turbo迭代均衡的信噪比门限。

2.根据权利要求1所述的基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，其特征在于，所述步骤1)包括：

步骤1-1)设置仿真水声FTN传输信道，其中水声信道通过MATLAB仿真软件实现，FTN干扰信道根据FTN时间加速因子与SINC函数计算获得，仿真水声FTN传输信道即为水声信道与FTN干扰信道的卷积；

步骤1-2)基于仿真水声FTN传输信道，按照最大互信息准则设计不规则卷积码，码率设定为0.5。

3.根据权利要求2所述的基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

步骤2-1)根据仿真水声FTN传输信道所传输的数据生成发送比特，对发送比特进行不规则编码，并进行比特交织；

步骤2-2)对编码后的比特映射至星座图上，映射方式为格雷映射，得到发送符号，定义此时发送符号的采样频率为F_symbol；

步骤2-3)对生成的符号序列进行2倍升采样操作，即在每个符号后增加一个0，此时采样频率为2F_symbol；

步骤2-4)根据FTN时间加速因子Δ_FTN，0＜Δ_FTN≤1，设置Farrow滤波器的采样步长为1/Δ_FTN，对2倍升采样符号序列进行Farrow滤波，得到将要传输的基带符号序列，基带符号序列对应的采样频率为F_bb＝2F_symbolΔ_FTN，即通过压缩采样，减少了符号序列中的符号采样点，缩短了发射时间；

步骤2-5)对压缩采样后的符号进行插值滤波，得到带通信号，此时带通信号对应的采样频率为F_s；

步骤2-6)对带通信号进行正交上混频，得到最终用于水声通信发射的信号，其采样频率为F_s。

4.根据权利要求3所述的基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

步骤3-1)发射信号经过时变的水声FTN传输信道后，接收端对接收信号进行正交下混频，由于受到了多普勒频移的影响，实际的采样频率为F_sΔ_Doppler，其中Δ_Doppler为时变多普勒因子；

步骤3-2)对混频后信号进行抽取滤波，得到基带接收信号，实际的基带采样频率为F_bbΔ_Doppler；

步骤3-3)基于接收信号估计时变多普勒因子Δ_Doppler，其中通过前后帧之间的时间长度来求解，具体地，规定前后两帧数据间的时间长度为τ₁，接收端对线性调频信号匹配滤波，取前后两帧线性调频信号匹配滤波后峰值间的时间长度τ′₁，则估计的时变多普勒因子Δ_Doppler为：

步骤3-4)对基带接收信号进行Farrow滤波，其中执行Farrow滤波的Farrow滤波器的采样步长设置为Δ_FTNΔ_Doppler，对滤波后的信号同时实现多普勒补偿与FTN快速采样，得到接收符号序列，对应的符号采样率为2F_symbol。

5.根据权利要求4所述的基于Farrow滤波与码字匹配的水声通信传输方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

步骤4-1)对2倍采样的接收符号进行直接自适应均衡，其中，假设接收通道的个数为N_ch，则多通道均衡模型如下：

其中，y_n,k表示第n个接收通道在k时刻的接收采样，h_n(k,l)表示第n个子信道在k时刻的冲激响应的第l个系数，此处将FTN成形及水声信道等的影响均考虑在内，x_k表示k时刻的发送符号，v_n,k表示加性高斯白噪声，定义

多通道均衡模型进一步被表示为：

步骤4-2)设置均衡器的先验软信息为0，turbo迭代最大次数为IT，初始迭代次数t＝0；

步骤4-3)自适应均衡器的输出可以表示为：

其中，

为符号的先验软判决，

与

分别表示长度为K₁+K₂+1的前馈滤波系数与长度为K₃+K₄的干扰消除滤波系数，公式(4)进一步简写为：

其中，

针对均衡系数w_k的求解，采用改进的比例归一化最小均方自适应算法更新得到，更新过程分为训练模式与判决导引模式两部分，在训练模式中，自适应均衡器根据已知的训练序列对均衡系数w_k进行训练，使其收敛，均衡系数向量更新过程为：

其中，μ为自适应更新步长，G_k为比例更新对角阵，G_k根据均衡器的稀疏度进行调节，δ_IPNLMS为一个小量，保证分母不为0，当训练模式结束时，转为判决导引模式，利用符号的判决值作为均衡系数更新的导引，在第0次turbo迭代，自适应均衡器输入端无先验信息，导引采用硬判决，均衡系数向量w_k初始更新过程为：

其中，

表示

的硬判决值，当turbo迭代次数大于0时，自适应均衡器输入端有来自译码器的外部信息，为减小错误传播的影响，导引采用符号的先验软判决，均衡系数向量w_k的更新过程为：

并由公式(5)求出均衡后的符号估计值；

步骤4-4)均衡后的符号估计值经过符号解映射器与解交织器，将符号估计值转换为信息比特的对数似然比；

步骤4-5)将自适应均衡器解映射后的对数似然比作为先验软信息输入至不规则译码器，不规则译码器输出信息比特的外部对数似然比，作为先验软信息输入至均衡器；

步骤4-6)若t＜IT，将t的值加1，转至步骤4-3)，否则，对不规则译码器的输出信息做判决，得到接收的信息比特，通信传输过程结束。

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