CN115208481B - 极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法 - Google Patents

极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法，(1)冰下发射单载波频域均衡体制的通信信号；(2)水听器接收通信信号；(3)以接收信号的每个块为单位，采用信道估计，频域均衡和分组相位纠正的技术得到发送信号的初次估计值；(4)将接收信号的每个块划分为多个子块处理；(5)进行子块间干扰消除和伪循环前缀的重建；(6)利用Kalman滤波进行子块的时变信道跟踪产生子块信道值；(7)进行子块的时变干扰估计与消除，频域均衡和分组相位纠正得到发送信号估计值；(8)重复(5)‑(7)步进行迭代子块处理，达到设置的迭代次数后停止，输出最终发送信号估计值。本发明能有效应对信道时变，计算复杂度低。

Description

极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法
技术领域
本发明涉及的是水声通信领域，更确切地说涉及一种极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法。
背景技术
水声通信是目前进行水下近距离信息高速传输的有效手段，即使是信道相对稳定的极地环境，由于冰川移动，洋流运动等因素，冰下的水声信道同样面临着时变，空变的问题，传统的单载波频域均衡技术虽然计算复杂度低，但需要假设在一个数据块内的信道是时不变的，当信道变化较快，一个数据块内的信道不再满足时不变的假设条件，必然会导致一定程度的性能损失，甚至无法解码。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法。
本发明的目的是这样实现的，具体实现步骤如下：
(1)发射端，发射换能器在冰下发射单载波频域均衡体制的通信信号；
(2)接收端，水听器接收通信信号；
(3)块处理，以接收信号的每个块为单位，采用信道估计，频域均衡和分组相位纠正的技术，得到发送信号初次估计值
Figure BDA0003723790290000011
所述发送信号初次估计值/>
Figure BDA0003723790290000012
用于迭代子块处理的第一次迭代；
(4)将接收信号的每个块划分为多个子块处理；
(5)利用第itercnt次迭代的发送信号估计值
Figure BDA0003723790290000013
进行子块间的干扰消除和伪循环前缀的重建，使子块满足与信道的循环卷积关系；
(6)把发送信号估计值
Figure BDA0003723790290000014
作为训练序列，估计每个子块的信道值，利用Kalman滤波进行子块的时变信道跟踪，输出子块信道估计值/>
Figure BDA0003723790290000015
(7)进行子块的时变干扰估计与消除，频域均衡和分组相位纠正，得到下一次迭代的发送信号估计值
Figure BDA0003723790290000016
(8)重复(5)-(7)步进行迭代子块处理，达到设置的迭代次数后停止，输出最终的发送信号估计值
Figure BDA0003723790290000017
所述步骤(6)具体为：按接收信号的时间顺序，对所有子块的信道逐个进行Kalman滤波,设接收信号一共有M个块，每个块被分割成K个子块，当前处理的子块为第k个子块，则k＝1,2,...,K*M，处理时，首先将发送信号估计值
Figure BDA0003723790290000021
作为训练序列，通过稀疏贝叶斯的信道估计方法，得到第k个子块的信道值，记为/>
Figure BDA0003723790290000022
其中L为信道长度,之后把/>
Figure BDA0003723790290000023
和前一时刻Kalman滤波输出的信道值/>
Figure BDA0003723790290000024
作为当前Kalman滤波器的输入，输出当前子块信道估计值/>
Figure BDA0003723790290000025
所述步骤(7)具体为：以子块为单位，对所有子块逐个进行时变干扰估计与消除，处理第k个子块时，利用子块信道估计值
Figure BDA0003723790290000026
与发送信号估计值/>
Figure BDA0003723790290000027
计算出频域信道矩阵Hk和发送信号的频域估计值Sk，首先在频域估计第k个子块受到的时变干扰
Figure BDA0003723790290000028
第i点的时变干扰具体为/>
Figure BDA0003723790290000029
其中i＝1,2,...,Nsub，Nsub为每个子块包含的符号数，/>
Figure BDA00037237902900000210
表示提取第k个子块的频域信道矩阵Hk中所有非对角线元素所构成的新矩阵/>
Figure BDA00037237902900000211
的第i行，第j个元素，Sk(j)为发送信号的频域估计值Sk的第j个元素，之后将该干扰从子块中减去，完成第k个子块的时变干扰估计与消除，之后进行频域均衡的前馈滤波，变换到时域，再进行分组相位纠正，反馈滤波和解码，得到下一次迭代的发送信号估计值/>
Figure BDA00037237902900000212
所述迭代的子块处理即按顺序反复进行(5)-(7)步，每次迭代的第(7)步都能输出更准确的发送信号估计值反馈给下一次迭代，从而在每次迭代中改善对发送信号的估计性能，达到设置的迭代次数Niter后停止，输出最终的发送信号估计值
Figure BDA00037237902900000213
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)有效处理信道时变引发的干扰。通过子块处理，将信道时变较快的一个块分割成信道慢变的多个子块，并迭代的进行子块处理，在每次迭代中重新估计和消除时变干扰，因此能有效应对一个块内时变的信道；
(2)传统的方法为了应对时变信道，需要根据信道的相干时间反复加入训练序列，以保证信道在一个块内是近似时不变的，本发明通过明确处理该时变干扰，可以应对块长大于信道相干时间的情况，因此无需频繁插入训练序列，相比于传统方法频带利用率高；
(3)本发明的数据均衡部分采用了频域均衡的体制，在频域消除信道影响，相比在时域进行处理，计算复杂度低。
附图说明
图1为水声时变信道的单载波频域均衡方法框图；
图2为发射单载波频域均衡体制信号结构图；
图3为Kalman子块信道跟踪方法示意图；
图4为对接收信号的处理流程图；
图5为本发明的Kalman子块信道追踪方法与传统方法对比仿真误码率曲线图，验证Kalman子块信道追踪方法的有效性；
图6为本发明方法与传统方法对比仿真误码率曲线图，验证本发明方法的有效性。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
1、水声时变信道的单载波频域均衡方法具体实现：
结合附图1、附图2、附图3和附图4对本发明中的通信方法进行详细说明。
(1)发送端发送单载波频域均衡信号；将原始数据进行单载波频域均衡体制的信号调制，之后将数据通过发射换能器发射，发射数据块的结构如附图2所示，每个块分为三个部分，即训练序列Pilot部分，数据Data部分和零保护间隔ZP部分。
(2)接收端接收信号；水听器将接收到的信号变换到基带处理。
(3)进行块处理；如附图1，附图2和附图3所示，首先利用每个块前面的训练序列进行信道估计，得到每个块的信道响应值，之后利用估计得到的信道对每个块进行频域均衡，相位纠正和解码，得到发送信号初次估计值
Figure BDA0003723790290000031
该初次估计值/>
Figure BDA0003723790290000032
将用于子块处理的第一次迭代。
(4)将接收信号的每个块分为多个子块处理，每个块有内有N个符号，除去保护间隔ZP的长度NZP，将一个块分成K个子块，则每个子块包含Nsub＝(N-NZP)/K个符号。
(5)利用发送信号第itercnt次迭代的估计值
Figure BDA0003723790290000033
进行子块间干扰消除和伪循环前缀的重建，使子块满足与信道的循环卷积关系；
(6)进行Kalman滤波的信道跟踪。按接收信号的时间顺序，对所有子块的信道逐个进行Kalman滤波。设接收信号一共有M个块，每个块被分割成K个子块，当前处理的子块为第k个子块，则k＝1,2,...,K*M，处理时，首先将发送信号估计值
Figure BDA0003723790290000034
作为训练序列，通过稀疏贝叶斯的信道估计方法，可以得到第k个子块的信道值，记为
Figure BDA0003723790290000035
其中L为信道长度。之后把/>
Figure BDA0003723790290000036
和前一时刻Kalman滤波输出的信道值/>
Figure BDA0003723790290000041
作为当前Kalman滤波器的输入，可以输出当前子块更准确的信道估计值/>
Figure BDA0003723790290000042
(7)以子块为单位，对所有子块逐个进行时变干扰估计与消除。处理第k个子块时，利用
Figure BDA0003723790290000043
与/>
Figure BDA0003723790290000044
可以计算出频域信道矩阵Hk和发送信号的频域估计值Sk。之后估计出第k个子块在频域受到的时变干扰/>
Figure BDA0003723790290000045
第i点的时变干扰具体可计算为/>
Figure BDA0003723790290000046
其中i＝1,2,...,Nsub，/>
Figure BDA0003723790290000047
表示提取第k个子块的频域信道矩阵Hk中所有非对角线元素所构成的新矩阵/>
Figure BDA0003723790290000048
的第i行，第j个元素。Sk(j)为Sk的第j个元素。将该干扰从子块中减去，完成第k个子块的时变干扰估计与消除，之后进行频域均衡的前馈滤波，变换到时域，再进行分组相位纠正，反馈滤波和解码，得到下一次迭代的发送信号估计值/>
Figure BDA0003723790290000049
(8)迭代的子块处理，重复(5)-(7)步，每次迭代都进一步提高发送信号的估计精度和子块信道的估计精度，改善解码性能，达到设置的迭代次数Niter后停止，输出最终的发送信号估计值
Figure BDA00037237902900000410
2、仿真研究：
仿真条件：
单载波频域均衡通信系统的载波频率为14kH，带宽为8kHz，符号块时长为512ms，仿真的场景采用Milica Stojanovic在2013年提出的水下信道模型，收发端水平相距1km，水深200m，发送换能器在冰下50m，接收换能器距离冰面120m，多普勒扩展因子为1.7。
附图5中，本发明将接收信号的每个块分成四个子块，用第一次迭代的结果与传统方法进行误码率性能仿真对比，可以发现，传统不分块处理的方法性能最差，在信噪比为21dB时依然有7*10-3的误码率，未利用Kalman子块信道追踪的方法性能其次，在21dB时有8*10-4的误码率，本发明中利用Kalman进行子块信道追踪的方法性能最好，误码率最低，在21dB时有2.74*10-4的误码率，且从8dB开始误码率就始终明显低于其余二种方法，验证了Kalman子块信道追踪方法的有效性。
附图6中，本发明将接收信号的每个块分成四个子块，用三次迭代的结果与传统方法进行误码率性能仿真对比，可以发现，本发明的方法相比于传统的块处理取得了较大的增益，以18dB为例,传统方法误码率为8.4*10-3，本发明第一次迭代误码率为2.96*10-4，第二次迭代误码率为3.36*10-6，第三次迭代误码率为1.01*10-6，误码率通过迭代进一步降低，21dB时,第二次迭代与第三次迭代在该仿真条件下误码率都降到了0，验证了本发明应对在一个块内时变的信道的有效性。
本发明的目的在于提供一种极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法。本发明属于水声通信领域。本发明具体实现步骤如下：(1)发射端，发射换能器在冰下发射单载波频域均衡体制的通信信号；(2)接收端，水听器接收通信信号；(3)以接收信号的每个块为单位，采用信道估计，频域均衡和分组相位纠正的技术，得到发送信号的初次估计值；(4)将接收信号的每个块划分为多个子块处理；(5)进行子块间干扰消除和伪循环前缀的重建；(6)把发送信号的估计值作为训练序列，估计每个子块的信道值；利用Kalman滤波进行子块的时变信道跟踪，产生更准确的子块信道值；(7)进行子块的时变干扰估计与消除，频域均衡和分组相位纠正，得到更准确的发送信号估计值；(8)迭代的子块处理，重复(5)-(7)步，提高发送信号的估计精度和子块信道的估计精度，改善解码性能。本发明的优点在于(1)迭代的子块处理，能够有效应对信道时变；(2)无需频繁插入训练序列跟踪时变信道，相比于传统方法提高了频带利用率；(3)利用频域均衡的体制，因此计算复杂度低于时域方法。

Claims (1)

1.一种极地环境下水声时变信道的单载波频域均衡接收处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)发射端，发射换能器在冰下发射单载波频域均衡体制的通信信号；
(2)接收端，水听器接收通信信号；
(3)块处理，以接收信号的每个块为单位，采用信道估计，频域均衡和分组相位纠正的技术，得到发送信号初次估计值
Figure FDA0003962913680000011
所述发送信号初次估计值
Figure FDA0003962913680000012
用于迭代子块处理的第一次迭代；
(4)将接收信号的每个块划分为多个子块处理；
(5)利用第itercnt次迭代的发送信号估计值
Figure FDA0003962913680000013
进行子块间的干扰消除和伪循环前缀的重建，使子块满足与信道的循环卷积关系；
(6)把发送信号估计值
Figure FDA0003962913680000014
作为训练序列，估计每个子块的信道值，利用Kalman滤波进行子块的时变信道跟踪，输出子块信道估计值
Figure FDA0003962913680000015
按接收信号的时间顺序，对所有子块的信道逐个进行Kalman滤波,设接收信号一共有M个块，每个块被分割成K个子块，当前处理的子块为第k个子块，则k＝1,2,...,K*M，处理时，首先将发送信号估计值
Figure FDA0003962913680000016
作为训练序列，通过稀疏贝叶斯的信道估计方法，得到第k个子块的信道值，记为
Figure FDA0003962913680000017
其中L为信道长度,之后把
Figure FDA0003962913680000018
和前一时刻Kalman滤波输出的信道值
Figure FDA0003962913680000019
作为当前Kalman滤波器的输入，输出当前子块信道估计值
Figure FDA00039629136800000110
(7)进行子块的时变干扰估计与消除，频域均衡和分组相位纠正，得到下一次迭代的发送信号估计值
Figure FDA00039629136800000111
以子块为单位，对所有子块逐个进行时变干扰估计与消除，处理第k个子块时，利用子块信道估计值
Figure FDA00039629136800000112
与发送信号估计值
Figure FDA00039629136800000113
计算出频域信道矩阵Hk和发送信号的频域估计值Sk，首先在频域估计第k个子块受到的时变干扰
Figure FDA00039629136800000114
第i点的时变干扰具体为
Figure FDA00039629136800000115
其中i＝1,2,...,Nsub，Nsub为每个子块包含的符号数，
Figure FDA0003962913680000021
表示提取第k个子块的频域信道矩阵Hk中所有非对角线元素所构成的新矩阵
Figure FDA0003962913680000022
的第i行，第j个元素，Sk(j)为发送信号的频域估计值Sk的第j个元素，之后将该干扰从子块中减去，完成第k个子块的时变干扰估计与消除，之后进行频域均衡的前馈滤波，变换到时域，再进行分组相位纠正，反馈滤波和解码，得到下一次迭代的发送信号估计值
Figure FDA0003962913680000023
(8)重复(5)-(7)步进行迭代子块处理，达到设置的迭代次数后停止，输出最终的发送信号估计值
Figure FDA0003962913680000024
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