一种GMSK水声通信的时频联合均衡方法及均衡系统

本发明属于水声通信，具体地说，涉及一种gmsk水声通信的时频联合均衡方法及均衡系统。

背景技术：

1、水声通信信道十分复杂，具有频率选择性衰落、时变以及带宽有限等特点。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。但是，水声通信中信道结构十分复杂且具有较强时变性，因此，需要利用合适的均衡技术，对接收信号进行处理。

2、目前，传统的频域均衡技术可以有效解决复杂多径信道的干扰，但是，由于均衡系数在信息块持续时间内无法更新，在时变信道下通信性能会显著下降。而传统时域均衡由于使用viterbi译码器进行符号检测，其复杂度随着信号长度呈指数型升高，同时也存在误差传播的现象。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的复杂时变水声信道对gmsk水声通信的干扰问题，本发明提出了一种gmsk水声通信的时频联合均衡方法，该方法包括：

2、将发射信号序列进行转换和信息-符号映射后，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；

3、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、时频均衡、解映射和判决处理，得到判决后的符号，完成时频联合均衡。

4、作为上述技术方案的改进之一，所述将发射信号序列进行转换和信息-符号映射后，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，并将调制到载波上其作为最终发射信号sf(t)，发射至水声信道中；其具体过程包括：

5、将发射信号序列{am}添加循环前缀和尾符号，转换为双极性不归零码信号序列{xk}；

6、该双极性不归零码信号序列{xk}作为信号块，该信号块具有多个参数串联的信号帧结构；该多个参数包括：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；其中，循环前缀序列长度需大于信道最大时延；该信号块中的尾符号需保证信息序列的相位状态归零；

7、并对该双极性不归零码信号序列{xk}进行信息-符号映射，得到gmsk复基带信号序列{bn}；

8、

9、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；

10、基于laurent分解的gmsk信号调制方式，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)，

11、

12、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；

13、sf(t)＝s(t)×exp(j×2π×fc×t)

14、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；

15、令t1＝t-nt；则c(t1)＝c(t-nt)；

16、

17、

18、

19、其中，q(t)为频率成型脉冲g(τ)的积分函数；

20、

21、其中，t为符号间隔，b为带宽，l脉冲记忆长度；

22、

23、其中，或q(x1)为互补误差函数。

24、作为上述技术方案的改进之一，所述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、时频均衡、解映射和判决处理，得到判决后的符号，完成时频联合均衡；其具体过程包括：

25、水声信道接收最终发射信号sf(t)，记为接收信号rf(t)；

26、

27、其中，信道响应；z(t)为接收噪声；

28、对该接收信号rf(t)进行带通滤波，并利用同步序列进行时频二维同步，得到同步后的信号；

29、利用低通滤波器和相干接收器对同步后的信号进行匹配滤波，得到复基带信号rn；

30、

31、

32、其中，rf(t)经过低通滤波器后，得到信号r(t)；

33、

34、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；

35、

36、

37、利用复基带信号rn中的循环前缀进行信道估计，得到估计的信道；

38、对去除头部循环前缀的复基带信号进行离散傅里叶变换后，再结合估计的信道进行频域均衡后，得到

39、

40、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

41、其中，

42、

43、其中，hk为估计信道的频域响应；为估计信道的频域响应hk的共轭；n0为噪声功率谱；

44、再对进行离散反傅里叶变换，得到频域均衡后软信息

45、将复基带信号rn输入至自适应判决反馈均衡器，得到时域均衡后软信息

46、

47、其中，kf和kb分别为前馈滤波器阶数和反馈滤波器阶数，rn-j为序列{rn}的元素，前馈滤波器输入，θn为相位偏移估计；λj为均衡器系数；vn-j为序列{vn}的元素，反馈滤波器输入；

48、

49、

50、其中，k1、k2为不同的锁相环系数；为更新的相位偏移估计；φm为计算的中间量；

51、

52、其中，ρn为前馈滤波器输出符号；en为先验估计误差；j为虚数；

53、其中，en＝vn-dn；

54、其中，vn为反馈滤波器输入；dn为由时域均衡后软信息通过硬判决获得的信息；

55、结合得到的频域均衡后软信息和时域均衡后软信息基于极大似然估计进行符号估计，得到估计符号

56、

57、其中，为估计符号的对数似然估计；为判决后的符号；p()为定义条件概率分布函数；

58、f(κ)表示为

59、

60、

61、其中，bn是由判决后的符号映射得到的信息；σ为方差；κ为和在函数f()中的统一表示；n为序列中符号的编号，表示第n个估计符号；

62、利用估计符号进行解映射和判决，得到判决后的符号完成时频联合均衡；

63、

64、其中，yn为第n个估计符号解映射后的符号；yn-1为第n-1个估计符号解映射后的符号。

65、作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：采用自适应算法，并基于得到的判决后的符号更新均衡器系数，得到更新的均衡器系数λn；

66、λn＝λn-1+ψnen-1                                  (22)

67、其中，ψn为增益向量；λn-1为上一次更新的均衡器系数；en-1为上一次的误差；

68、本发明还提供了一种gmsk水声通信的时频联合均衡系统，该系统包括：

69、映射调制模块，用于将发射信号序列进行转换和信息-符号映射后，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；和

70、滤波均衡处理模块，用于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、时频均衡、解映射和判决处理，得到判决后的符号，完成时频联合均衡。

71、作为上述技术方案的改进之一，所述映射调制模块包括：映射单元和调制单元；

72、所述映射单元，用于将发射信号序列{am}添加循环前缀和尾符号，转换为双极性不归零码信号序列{xk}；

73、其中，该双极性不归零码信号序列{xk}作为信号块，该信号块具有多个参数串联的信号帧结构；该多个参数包括：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；其中，循环前缀序列长度需大于信道最大时延；该信号块中的尾符号需保证信息序列的相位状态归零；

74、对该双极性不归零码信号序列{xk}进行信息-符号映射，得到gmsk复基带信号序列{bn}；

75、

76、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；

77、所述调制单元，用于基于laurent分解的gmsk信号调制方式，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)，

78、

79、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；

80、sf(t)＝s(t)×exp(j×2π×fc×t)

81、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；

82、令t1＝t-nt；则c(t1)＝c(t-nt)；

83、

84、

85、

86、其中，q(t)为频率成型脉冲g(τ)的积分函数；

87、

88、其中，t为符号间隔，b为带宽，l脉冲记忆长度；

89、

90、其中，或q(x1)为互补误差函数。

91、作为上述技术方案的改进之一，所述滤波均衡处理模块包括：滤波单元和均衡处理单元；

92、所述滤波单元，用于水声信道接收最终发射信号sf(t)，记为接收信号rf(t)；

93、

94、其中，信道响应；z(t)为接收噪声；

95、对该接收信号rf(t)进行带通滤波，并利用同步序列进行时频二维同步，得到同步后的信号；

96、利用低通滤波器和相干接收器对同步后的信号进行匹配滤波，得到复基带信号rn；

97、

98、

99、其中，rf(t)经过低通滤波器后，得到信号r(t)；

100、

101、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；

102、

103、

104、所述均衡处理单元，用于利用复基带信号rn中的循环前缀进行信道估计，得到估计的信道；

105、对去除头部循环前缀的复基带信号进行离散傅里叶变换后，再结合估计的信道进行频域均衡后，得到

106、

107、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

108、其中，

109、

110、其中，hk为估计信道的频域响应；为估计信道的频域响应hk的共轭；n0为噪声功率谱；

111、再对进行离散反傅里叶变换，得到频域均衡后软信息

112、将复基带信号rn输入至自适应判决反馈均衡器，得到时域均衡后软信息

113、

114、其中，kf和kb分别为前馈滤波器阶数和反馈滤波器阶数，rn-j为序列{rn}的元素，前馈滤波器输入，θn为相位偏移估计；λj为均衡器系数；vn-j为序列{vn}的元素，反馈滤波器输入；

115、

116、

117、其中，k1、k2为不同的锁相环系数；为更新的相位偏移估计；φm为计算的中间量；

118、

119、其中，ρn为前馈滤波器输出符号；en为先验估计误差；j为虚数；

120、其中，en＝vn-dn；

121、其中，vn为反馈滤波器输入；dn为由时域均衡后软信息通过硬判决获得的信息；

122、结合得到的频域均衡后软信息和时域均衡后软信息基于极大似然估计进行符号估计，得到估计符号

123、

124、其中，为估计符号的对数似然估计；为判决后的符号；p()为定义条件概率分布函数；

125、f(κ)表示为

126、

127、

128、其中，bn是由判决后的符号映射得到的信息；σ为方差；κ为和在函数f()中的统一表示；n为序列中符号的编号，表示第n个估计符号；

129、利用估计符号进行解映射和判决，得到判决后的符号完成时频联合均衡；

130、

131、其中，yn为第n个估计符号解映射后的符号；yn-1为第n-1个估计符号解映射后的符号。

132、本发明与现有技术相比的有益效果是：

133、1、本发明的方法基于laurent分解设计的均衡器可以利用一个简单的检测器代替viterbi译码，极大的降低了常规自适应判决反馈均衡器的复杂度；

134、2、在均衡器中，本发明的方法采用自适应算法，可以对均衡器系数进行逐符号迭代更新，能够有效的跟踪时变水声信道，大大改进了gmsk通信在时变水声信道下的性能及环境适应性；

135、3、通过内嵌基于信号块的频域均衡对反馈滤波器输入软信息进行修正，减少了自适应判决反馈均衡器的误差传播，提高了通信性能。