CN117792849A - 一种基于频域均衡的gmsk水声通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于频域均衡的GMSK水声通信方法及系统，所述方法包括：将循环前缀添加在发射信号序列之前，尾符号添加在发射信号序列之后，进行转换和信息‑符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；水声信道接收发射信号，对接收的信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。本发明的优势在于：降低了常规频域均衡器符号检测的复杂度，提高了通信性能。
Description
技术领域
本发明属于水声通信领域，具体涉及一种基于频域均衡的GMSK水声通信方法及系统。
背景技术
水声通信信道十分复杂，具有频率选择性衰落及带宽有限等特点。高斯最小频移键控调制(GMSK)由于相位连续、包络恒定的特点，具有良好的功率利用率和频谱利用率，可以有效提高通信系统的有效性和可靠性。然而水声通信中信道结构十分复杂使接收信号出现较强的符号间干扰，因此需要利用合适的均衡技术对接收信号进行处理。
传统频域均衡技术可以有效解决多径信道的干扰，但在符号检测中仍存在一些不足：
(1)基于Viterbi算法的符号检测具有极高的复杂度，复杂度随着信号长度呈指数型升高；
(2)简化的符号检测算法虽然降低了复杂度，但是没有利用到GMSK信号自有的编码增益，存在较大的性能损失。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术进行水声信号通信时，计算复杂度高，检测算法性能损失大的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于频域均衡的GMSK水声通信方法，所述方法包括：
步骤1：将循环前缀添加在发射信号序列之前，尾符号添加在发射信号序列之后，进行转换和信息-符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
步骤2：水声信道接收发射信号，对接收的信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体包括：
步骤1-1：构造发射信号帧；
构造发射信号帧，结构包括循环前缀、待传输信息序列和尾符号；其中循环前缀的相位状态满足由零状态开始并由零状态结束；尾符号用于保证待传输信息序列相位状态归零；
步骤1-2：对发射信号进行转换和信息-符号映射；
对发射信号序列{ak}进行转换，得到双极性不归零序列{xk}，经信息-符号映射为GMSK的基带信号序列{bn}：
其中，bn表示GMSK复基带信号序列{bn}中的元素；xk表示双极性不归零码信号序列{xk}中的元素；N表示数据块长度；j表示虚数；
步骤1-3：基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号；
根据GMSK信号的Laurent分解，采用相位成形函数，对该GMSK信号序列{bn}进行调制，得到GMSK复基带信号s(t)：
其中，t表示时间；T表示符号周期；c(t-nT)为部分脉冲响应：
其中，L表示脉冲记忆长度，q(t)表示频率成形脉冲g(τ)的积分函数；τ表示被积分函数的自变量；
其中，B表示带宽；Q()表示互补误差函数：
其中，ε表示被积分函数的自变量；
步骤1-4：将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
最终发射信号sf(t)表示为：
sf(t)＝s(t)×exp(j×2π×fc×t)
其中，fc为载波的中心频率。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：
步骤2-1：对接收信号rf(t)进行带通滤波，利用同步序列进行时频二维同步；
步骤2-2：利用低通滤波器和相干接收器对接收信号rf(t)进行匹配滤波，得到复基带信号rn；
步骤2-3：利用复基带信号rn的循环前缀进行信道估计；
步骤2-4：对去除循环前缀的复基带信号rn进行傅里叶变换后，再结合估计的信道进行频域均衡后，得到均衡后软信息
步骤2-5：对均衡后软信息进行解映射，按照实部和虚部对映射后的信息进行分离；
步骤2-6：利用GMSK自带编码方式求取联合概率，利用求得的对数似然比进行迭代检测；
步骤2-7：利用迭代检测后获得的对数似然比进行硬判决，通过差分译码获得接收符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-1具体包括：
接收信号rf(t)表示为：
其中，hη表示信道响应；z(t)表示接受噪声，sf()表示最终发射信号，η表示积分的下标，η＝0,1,2,...,N-1。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-2具体包括：
其中，n表示输出符号的编号，sn为匹配滤波器输出的信号：
zn表示匹配滤波器输出的噪声：
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-3利用复基带信号rn的循环前缀进行信道估计的方式为正交匹配追踪算法。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-4具体为：
经过频域均衡后的信号的频域表示为：
其中，Rk表示匹配滤波器输出信号的频域表达式；表示频域均衡器的均衡系数；Wk表示白化噪声滤波器，记为：
其中，C(0,0；k)为c(0,0；l)经过离散傅立叶变换得到；c(0,0；l)为相关系数，l为时域中相关系数中符号的编号，c(0,0；l)近似为{1,0.447,0.028,8.4×10-5,0,…,8.4×10-5,0.028,0.447}，迭代检测时只考虑c(0,0；l)中前三项和后两项；k为频域中相关系数中符号的编号；
均衡系数表示为：
其中，Hk表示估计的信道频域响应；N0表示噪声功率谱；
对做反傅里叶变化得到均衡后软信息/>
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-5具体为：
映射后的信息序列表示为：
对序列进行分离，定义/>
设定分离后信息un和vn在能量归一化后服从均值为1的高斯分布：
其中，Pr()为定义概率分布函数；在计算Pr(un＝ζ)时ζ∈{±1}，在计算Pr(vn＝ξ)时ξ∈{0,±1}；σu和σv分别为根据循环前缀和/>获得的方差。
其中，和/>分别表示un和vn的循环前缀部分。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-6具体为：
在对数域上进行联合概率计算，定义概率分布函数：
un的对数似然比L(un)表示为：
通过计算联合概率得到估计符号的对数似然比
其中，E(un)和E(vn)分别表示序列{un}和序列{vn}的能量；An表示当前时刻前后两个符号对当前符号的影响，
An＝c(0,0；3)×(Pr(un-2＝1)+Pr(un+2＝1)-1)，在迭代计算时，对应un的概率由对数似然比获得，
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-7具体为：
对迭代检测后获得的对数似然比进行硬判决获得估计符号/>利用差分译码可以获得估计的接收符号/>
作为上述方法的一种改进，所述迭代的方式为：在第一次对接收信号进行均衡时，获得频域均衡后软信息在后续迭代中，利用上一次得到的/>替换un，并结合vn估计不同时刻符号的概率值进而计算联合概率得到估计符号的对数似然比/>
迭代计算的步骤具体包括；
a)对上一次迭代得到的进行能量归一化，并替换un的值；
b)替换后计算概率值Pr(un＝ζ)；
c)根据概率值计算：
本发明还提供一种基于频域均衡的GMSK水声通信系统，所述系统包括：
信号发射模块，用于将循环前缀添加在发射信号序列之前，尾符号添加在发射信号序列之后，进行转换和信息-符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
信号接收模块，用于水声信道接收发射信号，对接收的信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)在基于Laurent分解的频域均衡中，利用设计的基于后验概率的迭代检测器代替Viterbi译码，极大的降低了常规频域均衡器符号检测的复杂度。
2)相比于简化的符号检测器，基于后验概率的符号检测器在复杂度略有增加的条件下有效的利用GMSK自带的编码增益，提高了通信性能。
附图说明
图1所示为发射信号的一个数据块结构示意图；
图2所示为水声信号收发结构示意图；
图3所示为信号均衡检测流程图；
图4所示为水声信号时域波形图；
图5所示为仿真中使用的水声通信实测信道图；
图6所示为仿真中接受信号带通滤波后的时域波形图；
图7所示为匹配滤波后的星座图；
图8所示为迭代两次后检测器输出的软信息示意图；
图9所示为迭代0次和迭代2次输出软信息的直方图；
图10所示为在表2所示稀疏信道下仿真得到的误码率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
为解决复杂水声信道对GMSK水声通信的符号间干扰问题，本发明提出基于频域均衡的GMSK水声通信的迭代检测技术。在基于Laurent分解的传统频域均衡技术上，利用训练序列获得的等效噪声方差，对符号检测进行改进，通过迭代检测有效的利用了GMSK的编码增益，进而大大提升了GMSK信号在水声信道下的传输性能，同时相比Viterbi符号检测具有更低的复杂度。
本发明的水下信号发射方法包括以下步骤：
发射信号序列在添加尾符号和循环前缀后，进行转换和信息-符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，并将其调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
水声信道接收最终发射信号，将其作为接收信号，并对该接收信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡、迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信的迭代检测。
1)参数设计
本发明涉及的参数包括数据块长度N，信息序列长度L，循环前缀长度G，尾符号序列长度为S。循环前缀序列长度需大于信道最大时延。
2)信号帧结构设计
发射信号的帧结构包括循环前缀、待传输信息序列和尾符号。其中，循环前缀可以选择为与信息序列不相关的任意序列，且其相位状态需满足由零状态开始并由零状态结束。尾符号用来保证待传输信息序列的相位状态归零。
3)信息-符号映射
先对发射序列{ak}进行转换，得到双极性不归零序列{xk}。
GMSK复基带信号序列{bn}可以表示为：
其中，bn为GMSK复基带信号序列{bn}中的元素；xk为双极性不归零码信号序列{xk}中的元素；j为虚数；
根据GMSK信号的Laurent分解，采用相位成形函数，对该GMSK信号序列{bn}进行调制，得到GMSK复基带信号s(t)：
其中，t表示时间，T表示符号周期。
并将其调制到载波上作为最终发射信号sf(t)，发射至水声信道中：
sf(t)＝s(t)×exp(j×2π×fc×t) (3)
其中，c(t-nT)为部分脉冲响应，j为虚数，fc为载波的中心频率；
令t1＝t-nT；则c(t1)＝c(t-nT)；
其中，q(t)为频率成形脉冲g(τ)的积分函数；τ表示被积分函数的自变量；
其中，T为符号间隔，B为带宽，L为脉冲记忆长度，设置BT＝0.3，L＝3；
其中，或/>Q(x1)为互补误差函数；ε表示被积分函数的自变量。
本发明的接收方法包括如下步骤：
水声信道接收最终发射信号，将其作为接收信号，并对该接收信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信的迭代检测；
接收信号rf(t)可以表示为：
其中，hη为信道响应；z(t)为接收噪声；sf()表示最终发射信号，η表示积分的下标，η＝0,1,2,...,N-1；
其具体过程包括：
1)对接收信号rf(t)进行带通滤波，并利用同步序列进行时频二维同步。
2)利用低通滤波器和相干接收器对接收信号rf(t)进行匹配滤波，得到复基带信号rn。其中，相干接收器用以匹配c(t)脉冲。
rf(t)经过低通滤波器后，得到信号r(t)：
其中，n表示输出符号的编号。
其中，sn为匹配滤波器输出的信号；zn为匹配滤波器输出的噪声；η用来表示积分的下标；η＝0,1,2,...,N-1；
3)利用复基带信号rn的循环前缀进行信道估计，所使用方式包括但不限于正交匹配追踪算法(OMP)。
4)对去除循环前缀的复基带信号rn进行傅里叶变换后，再结合估计的信道进行频域均衡后，得到可得均衡后软信息
其中，为经过频域均衡后的信号的频域表达式；Rk为匹配滤波器输出信号的频域表达式；/>为频域均衡器的均衡系数；Wk为白化噪声滤波器，记为：
其中，c(0,0；l)为相关系数，l为时域中相关系数中符号的编号，k为频域中相关系数中符号的编号；DFT为离散傅立叶变换。
均衡系数可以表示为
其中，Hk为估计的信道频域响应，N0为噪声功率谱。对GMSK信号，c(0,0；l)可以近似为{1,0.447,0.028,8.4×10-5,0,…,8.4×10-5,0.028,0.447}，由于c(0,0；4)包含能量极低，因此迭代检测时只考虑c(0,0；l)中前三项和后两项。
最后对做反傅里叶变化可以得到均衡后软信息/>
5)对均衡后软信息进行解映射，并按照实部和虚部对映射后的信息进行分离，并求取对数似然值。
映射后的信息序列可以表示为
对序列进行分离，定义/>并计算un的对数似然比L(un)，
其中，假设分离后信息un和vn在能量归一化后服从均值为1的高斯分布，即
其中，Pr()为定义概率分布函数；在计算Pr(un＝ζ)时ζ∈{±1}，在计算计算Pr(vn＝ξ)时ξ∈{0,±1}。σu和σv分别为根据训练序列和/>获得的方差。
6)利用GMSK自带编码方式求取联合概率，并利用求得的对数似然比代替式(18)的L(u)，进行迭代检测。
为了计算稳定，考虑在对数域上进行联合概率计算，因此定义概率分布函数则式(18)可以改写为
通过计算联合概率可以得出估计符号的对数似然比
其中，κ与输出先验信息的能量及方差有关，E(un)和E(vn)分别表示序列{un}和序列{vn}的能量。
An表示当前时刻前后两个符号对当前符号的影响，对式(24)第一项展开可以得到，
其中，An＝c(0,0；3)×(Pr(un-2＝1)+Pr(un+2＝1)-1)，在迭代计算时，对应un的概率可以由对数似然比获得，
7)利用迭代检测后获得的对数似然比进行硬判决，并通过差分译码获得接收符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信的迭代检测。
对迭代检测后获得的对数似然比进行硬判决获得估计符号/>利用差分译码可以获得估计的接收符号/>
上述迭代的方式为：在第一次对接收信号进行均衡时，获得频域均衡后软信息在后续迭代中，利用上一次得到的/>替换un，并结合vn估计不同时刻符号的概率值进而计算联合概率得到估计符号的对数似然比/>
迭代计算的步骤具体包括；
a)对上一次迭代得到的进行能量归一化，并替换un的值；/>
b)替换后计算概率值Pr(un＝ζ)；
c)根据概率值计算：
本发明研究了GMSK水声通信的均衡方法，与已有技术相比，本发明在水声多径信道下通信具有以下的有益效果：
1)在基于Laurent分解的频域均衡中，利用设计的基于后验概率的迭代检测器代替Viterbi译码，极大的降低了常规频域均衡均衡器符号检测的复杂度。
2)相比于简化的符号检测器，基于后验概率的符号检测器在复杂度略有增加的条件下有效的利用GMSK自带的编码增益，提高了通信性能。
在本发明的实施方式中，利用仿真讨论本发明中的方法在GMSK信号水下信息传输的应用。设定信号发射系统带宽为4-8kHz，中心频率为6kHz，GMSK调制时码元周期为0.5ms，传递原始信息2048bits。发射信号参数设置如下表所示：
表1发射信号的参数设置
发射端流程参考图2，首先进行帧结构设计，添加长度为1024bits的循环前缀，循环前缀由特殊字构成。发射信号完整帧结构如图1所示。根据GMSK信号的Laurent分解进行映射、调制，实际发射信号如图4所示，并将该信号通过图5所示实测水声信道得到接收信号，设置带内信噪比为15dB。
接收端流程参考图2，利用同步序列进行时频二维同步并对接受信号进行带通滤波，滤波后时域波形如图6所示。通过式11对带通滤波后的信号进行匹配滤波，得到的复基带信号rn，此时星座图(图7所示)受多径干扰无法进行符号判决。参考图3对复基带信号{rn}进行均衡、解调。首先利用循环前缀估计信道并对去前缀的复基带信号{rn}进行频域均衡得到频域均衡输出软信息/>均衡系数如式(16)所示。对/>进行映射得到软信息/>映射方式如式(17)所示。通过分离实部和虚部将/>分解为{un}和{vn}并进行联合概率估计。初次估计时，只对{un}进行估计得到对数似然比L(un)，然后利用L(un)计算其他状态表示的概率值，并进行联合概率估计获得估计的对数似然比/>可以替换{un}进行迭代计算，由于GMSK信号包含的编码增益有限，在迭代2次后获得的增益明显降低。迭代后对图8所示/>进行硬判决，获得估计的符号序列/>根据式(26)进行差分译码后得到完整输出信息/>共计2048bits，完成整个通信过程。图9显示迭代0次和迭代2次后检测器输出软信息的分布图，可见迭代2次后检测器输出软信息更加集中，具有更好的性能。
利用表2所示的稀疏信道进行误码率仿真，误码率曲线如图10所示，当误码率为10-6时，相比于迭代0次的检测方案，迭代1次性能提高2dB，迭代2次性能提高2.7dB，迭代3次性能提高3.1dB。
表2仿真计算误码率曲线的稀疏信道
本发明还提供一种基于频域均衡的GMSK水声通信系统，所述系统包括：
信号发射模块，用于将循环前缀添加在发射信号序列之前，尾符号添加在发射信号序列之后，进行转换和信息-符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
信号接收模块，用于水声信道接收发射信号，对接收的信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
本发明还可提供的一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线系统耦合在一起。可理解，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。
可以理解，本申请公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DRRAM)。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。
其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，例如媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：
执行上述方法的步骤。
上述方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行上述公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合上述公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(ProgrammableLogic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等)来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (12)
1.一种基于频域均衡的GMSK水声通信方法，所述方法包括：
步骤1：将循环前缀添加在发射信号序列之前，尾符号添加在发射信号序列之后，进行转换和信息-符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
步骤2：水声信道接收发射信号，对接收的信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
2.根据权利要求1所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1-1：构造发射信号帧；
构造发射信号帧，结构包括循环前缀、待传输信息序列和尾符号；其中循环前缀的相位状态满足由零状态开始并由零状态结束；尾符号用于保证待传输信息序列相位状态归零；
步骤1-2：对发射信号进行转换和信息-符号映射；
对发射信号序列{ak}进行转换，得到双极性不归零序列{xk}，经信息-符号映射为GMSK的基带信号序列{bn}：
其中，bn表示GMSK复基带信号序列{bn}中的元素；xk表示双极性不归零码信号序列{xk}中的元素；N表示数据块长度；j表示虚数；
步骤1-3：基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号；
根据GMSK信号的Laurent分解，采用相位成形函数，对该GMSK信号序列{bn}进行调制，得到GMSK复基带信号s(t)：
其中，t表示时间；T表示符号周期；c(t-nT)为部分脉冲响应：
其中，L表示脉冲记忆长度，q(t)表示频率成形脉冲g(τ)的积分函数；τ表示被积分函数的自变量；
其中，B表示带宽；Q()表示互补误差函数：
其中，ε表示被积分函数的自变量；
步骤1-4：将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
最终发射信号sf(t)表示为：
sf(t)＝s(t)×exp(j×2π×fc×t)
其中，fc为载波的中心频率。
3.根据权利要求2所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2-1：对接收信号rf(t)进行带通滤波，利用同步序列进行时频二维同步；
步骤2-2：利用低通滤波器和相干接收器对接收信号rf(t)进行匹配滤波，得到复基带信号rn；
步骤2-3：利用复基带信号rn的循环前缀进行信道估计；
步骤2-4：对去除循环前缀的复基带信号rn进行傅里叶变换后，再结合估计的信道进行频域均衡，得到均衡后软信息
步骤2-5：对均衡后软信息进行解映射，按照实部和虚部对映射后的信息进行分离；
步骤2-6：利用GMSK自带编码方式求取联合概率，利用求得的对数似然比进行迭代检测；
步骤2-7：利用迭代检测后获得的对数似然比进行硬判决，通过差分译码获得接收符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
4.根据权利要求3所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-1具体包括：
接收信号rf(t)表示为：
其中，hη表示信道响应；z(t)表示接受噪声，sf()表示最终发射信号，η表示积分的下标，η＝0,1,2,...,N-1。
5.根据权利要求4所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-2具体包括：
其中，n表示输出符号的编号，sn为匹配滤波器输出的信号：
zn表示匹配滤波器输出的噪声：
6.根据权利要求5所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-3利用复基带信号rn的循环前缀进行信道估计的方式为正交匹配追踪算法。
7.根据权利要求6所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-4具体为：
经过频域均衡后的信号的频域表示为：
其中，Rk表示匹配滤波器输出信号的频域表达式；表示频域均衡器的均衡系数；Wk表示白化噪声滤波器，记为：
其中，C(0,0；k)为c(0,0；l)经过离散傅立叶变换得到；c(0,0；l)为相关系数，l为时域中相关系数中符号的编号，c(0,0；l)近似为{1,0.447,0.028,8.4×10-5,0,…,8.4×10-5,0.028,0.447}，迭代检测时只考虑c(0,0；l)中前三项和后两项；k为频域中相关系数中符号的编号；
均衡系数表示为：
其中，Hk表示估计的信道频域响应；N0表示噪声功率谱；
对做反傅里叶变化得到均衡后软信息/>
8.根据权利要求7所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-5具体为：
映射后的信息序列表示为：
对序列进行分离，定义/>
设定分离后信息un和vn在能量归一化后服从均值为1的高斯分布：
其中，Pr()表示定义概率分布函数；在计算Pr(un＝ζ)时ζ∈{±1}，在计算Pr(vn＝ξ)时ξ∈{0,±1}；σu和σv分别为根据循环前缀和/>获得的方差。
其中，和/>分别表示un和vn的循环前缀部分。
9.根据权利要求8所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-6具体为：
在对数域上进行联合概率计算，定义概率分布函数：
un的对数似然比L(un)表示为：
通过计算联合概率得到估计符号的对数似然比
其中，E(un)和E(vn)分别表示序列{un}和序列{vn}的能量；An表示当前时刻前后两个符号对当前符号的影响，
An＝c(0,0；3)×(Pr(un-2＝1)+Pr(un+2＝1)-1)，在迭代计算时，对应un的概率由对数似然比获得，
10.根据权利要求9所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-7具体为：
对迭代检测后获得的对数似然比进行硬判决获得估计符号/>利用差分译码可以获得估计的接收符号/>
11.根据权利要求10所述的基于频域均衡的GMSK水声通信方法，其特征在于，所述迭代的方式为：在第一次对接收信号进行均衡时，获得频域均衡后软信息在后续迭代中，利用上一次得到的/>替换un，并结合vn估计不同时刻符号的概率值进而计算联合概率得到估计符号的对数似然比/>
迭代计算的步骤具体包括；
a)对上一次迭代得到的进行能量归一化，并替换un的值；
b)替换后计算概率值Pr(un＝ζ)；
c)根据概率值计算：
12.一种基于频域均衡的GMSK水声通信系统，所述系统包括：
信号发射模块，用于将循环前缀添加在发射信号序列之前，尾符号添加在发射信号序列之后，进行转换和信息-符号映射，再根据基于Laurent分解的GMSK信号调制方式进行调制，得到GMSK复基带信号，将GMSK复基带信号调制到载波上作为最终发射信号，发射至水声信道中；
信号接收模块，用于水声信道接收发射信号，对接收的信号进行带通滤波、时频二维同步、匹配滤波、频域均衡和迭代符号检测，得到判决后的符号，完成基于频域均衡的GMSK水声通信。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211181171.XA CN117792849A (zh) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 一种基于频域均衡的gmsk水声通信方法及系统 |
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| CN202211181171.XA Pending CN117792849A (zh) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 一种基于频域均衡的gmsk水声通信方法及系统 |
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