一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，首先利用接收信號(hào)的訓(xùn)練序列估計(jì)信道時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)；分析多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行間接信道函數(shù)建模，然后對(duì)每個(gè)陣元的接收信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，再將訓(xùn)練序列估計(jì)的間接信道函數(shù)求得的信道估計(jì)與多普勒補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)處理，采用卡爾曼/擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)和跟蹤間接信道函數(shù)，根據(jù)估計(jì)的間接信道函數(shù)歸一化幅值判斷是否更新多普勒補(bǔ)償因子以及信道估計(jì)；最后利用小于十階的判決反饋均衡器，從時(shí)反處理后的信號(hào)中恢復(fù)出發(fā)射符號(hào)。本發(fā)明利用對(duì)間接信道函數(shù)的跟蹤對(duì)抗因環(huán)境時(shí)變?cè)斐傻谋粍?dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)通信性能下降，從而實(shí)現(xiàn)水聲信道快速變化環(huán)境中高速穩(wěn)定上行水聲通信。
【專利說明】一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲通信領(lǐng)域，主要是一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通/[目方法。
【背景技術(shù)】[0002]由于水體內(nèi)部存在的豐富動(dòng)力過程、聲學(xué)邊界的作用以及水體中聲速剖面梯度引起的折射以及顆粒的散射等因素，水聲信道常常表現(xiàn)為嚴(yán)重的多徑時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移擴(kuò)展與快速的時(shí)變特性，從而造成嚴(yán)重的碼間干擾。傳統(tǒng)的通信技術(shù)采用均衡技術(shù)對(duì)抗多徑造成的碼間干擾，對(duì)于時(shí)延擴(kuò)展嚴(yán)重的水聲信道，使得傳統(tǒng)均衡器的階數(shù)在幾百數(shù)量級(jí)，計(jì)算量巨大。時(shí)反技術(shù)是一種在水聲通信中對(duì)抗碼間干擾的有效方法，且算法實(shí)現(xiàn)簡單。然而，水聲信道的時(shí)變性使得時(shí)間反轉(zhuǎn)通信的性能顯著下降，甚至無法實(shí)現(xiàn)通信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，本發(fā)明在不同的信道環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自適應(yīng)信道更新的時(shí)反水聲通信，同時(shí)控制信號(hào)處理系統(tǒng)的計(jì)算量。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法包括以下步驟:
[0005](I)利用接收信號(hào)的訓(xùn)練序列估計(jì)信道時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)；分析多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行間接信道函數(shù)建模。
[0006](2)根據(jù)步驟(1)得到的間接信道函數(shù)模型，對(duì)每個(gè)陣元的接收信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)m
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[0007](3)將訓(xùn)練序列估計(jì)的間接信道函數(shù)求得的信道估計(jì)與經(jīng)過步驟(2)處理后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)處理。
[0008](4)在狀態(tài)-空間模型的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)的通信信號(hào)，采用卡爾曼/擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)和跟蹤間接信道函數(shù)。
[0009](5)根據(jù)步驟(4)估計(jì)的間接信道函數(shù)歸一化幅值判斷是否更新多普勒補(bǔ)償因子以及信道估計(jì)。若是，則更新步驟(2)與步驟(3)中的多普勒因子與信道估計(jì)。
[0010](6)利用小于十階的判決反饋均衡器，從步驟(3)進(jìn)行時(shí)反處理后的信號(hào)中恢復(fù)出發(fā)射符號(hào)。
[0011]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明根據(jù)間接信道函數(shù)的幅值歸一化最大值自適應(yīng)地判斷何時(shí)更新多普勒補(bǔ)償因子與信道估計(jì)，系統(tǒng)可以針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)整更新頻率。在變化快的環(huán)境中確保了通信質(zhì)量，在變化慢的環(huán)境中減少了計(jì)算量。同時(shí)，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波跟蹤估計(jì)間接信道函數(shù)，因間接信道函數(shù)時(shí)延擴(kuò)展小于信道脈沖響應(yīng)，本發(fā)明的計(jì)算量小于直接采用跟蹤估計(jì)信道脈沖響應(yīng)。本發(fā)明利用對(duì)間接信道函數(shù)的跟蹤對(duì)抗因環(huán)境時(shí)變?cè)斐傻谋粍?dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)通信性能下降，從而實(shí)現(xiàn)水聲信道快速變化環(huán)境中高速穩(wěn)定上行水聲通信；由于間接信道函數(shù)的時(shí)延和隨時(shí)間變化頻率均小于原水聲信道脈沖響應(yīng)，即減小了跟蹤算法的計(jì)算量，也顯著減少判決反饋均衡器的階數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是發(fā)射信號(hào)結(jié)構(gòu)。
[0013]圖2是基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)水聲通信方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0015]發(fā)射信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由前線性調(diào)頻信號(hào)、訓(xùn)練序列、數(shù)據(jù)和后線性調(diào)頻信號(hào)組成。其中，線性調(diào)頻信號(hào)的選取滿足BT>100，(B是其帶寬，T為其脈沖時(shí)間寬度)。
[0016]記發(fā)射信號(hào)為s⑴，則第i個(gè)陣元接收到的信號(hào)可以表示為
[0017]r.(t) = s(t) ? h.(t)(I ；
[0018]其中，hi (t)為發(fā)射源到第i個(gè)陣元的信道沖擊響應(yīng)⑦表示卷積運(yùn)算。
[0019]如圖2所示，本發(fā)明基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法包括以下步驟:
[0020]步驟1:利用接收信號(hào)的訓(xùn)練序列估計(jì)信道時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)；分析多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行間接信道函數(shù)建模。
[0021]采用稀疏重構(gòu)方法估計(jì)信道時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果分析多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象。當(dāng)多普勒擴(kuò)展函數(shù)近似表現(xiàn)為單峰時(shí)，間接信道函數(shù)通過估計(jì)的信道脈沖響應(yīng)與實(shí)際信道脈沖響應(yīng)的相關(guān)函數(shù)(Q函數(shù))進(jìn)行建模，即模式I ;相反，當(dāng)多普勒擴(kuò)展函數(shù)表現(xiàn)為多峰時(shí)，間接信道函數(shù)通過估計(jì)的與實(shí)際的時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行建模，即模式2。
[0022]步驟2:根據(jù)步驟I得到的間接信道函數(shù)模型，對(duì)每個(gè)陣元的接收信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。
[0023]針對(duì)模式1，選取第一個(gè)接收元的前后線性調(diào)頻信號(hào)計(jì)算線性多普勒擴(kuò)展因子CI=TreAte-1,其中Tm是接收信號(hào)中前后線性調(diào)頻信號(hào)間的時(shí)間間隔，Tta是發(fā)射信號(hào)中前后線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)間差，利用重采樣補(bǔ)償每一路的線性多普勒擴(kuò)展。
[0024]針對(duì)模式2，根據(jù)估計(jì)的時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)得到每個(gè)陣元上每條路徑多普勒補(bǔ)償因子，計(jì)算其多普勒補(bǔ)償結(jié)果。假定第i個(gè)陣元存在不同多普勒頻移的路徑數(shù)為L，即多普勒擴(kuò)展函數(shù)存在L個(gè)峰，則第I條路徑經(jīng)過多普勒補(bǔ)償后的離散結(jié)果為:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)利用接收信號(hào)的訓(xùn)練序列估計(jì)信道時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)；分析多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行間接信道函數(shù)建模。 (2)根據(jù)步驟I得到的間接信道函數(shù)模型，對(duì)每個(gè)陣元的接收信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。 (3)將訓(xùn)練序列估計(jì)的間接信道函數(shù)求得的信道估計(jì)與經(jīng)過步驟2處理后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)處理。 (4)在狀態(tài)-空間模型的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)的通信信號(hào)，采用卡爾曼/擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)和跟蹤間接信道函數(shù)。 (5)根據(jù)步驟4估計(jì)的間接信道函數(shù)歸一化幅值判斷是否更新多普勒補(bǔ)償因子以及信道估計(jì)。若是，則更新步驟2與步驟3中的多普勒因子與信道響應(yīng)函數(shù)。 (6)利用小于十階的判決反饋均衡器，從步驟3進(jìn)行時(shí)反處理后的信號(hào)中恢復(fù)出發(fā)射符號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征在于，所述步驟I中:采用稀疏重構(gòu)方法估計(jì)信道時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果分析多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象。當(dāng)多普勒擴(kuò)展函數(shù)表現(xiàn)為單峰時(shí)，間接信道函數(shù)通過估計(jì)的信道脈沖響應(yīng)與實(shí)際信道脈沖響應(yīng)的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行建模，即模式1，所述相關(guān)函數(shù)為Q函數(shù)；相反，當(dāng)多普勒擴(kuò)展函數(shù)表現(xiàn)為多峰時(shí)，間接信道函數(shù)通過估計(jì)的與實(shí)際的時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行建模，即模式2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征在于，所述步驟2具體為: 針對(duì)模式1，選取第一個(gè)接收元的前后線性調(diào)頻信號(hào)計(jì)算線性多普勒擴(kuò)展因子a =Tre/Ite-1,其中Tm是接收信號(hào)中前后線性調(diào)頻信號(hào)間的時(shí)間間隔，Ite是發(fā)射信號(hào)中前后線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)間差，利用重采樣補(bǔ)償每一路的線性多普勒擴(kuò)展。 針對(duì)模式2，根據(jù)估計(jì)的時(shí)延-多普勒擴(kuò)展函數(shù)得到每個(gè)陣元上每條路徑多普勒補(bǔ)償因子，計(jì)算其多普勒補(bǔ)償結(jié)果。假定第i個(gè)陣元存在不同多普勒頻移的路徑數(shù)為L，即多普勒擴(kuò)展函數(shù)存在L個(gè)峰，則第I條路徑經(jīng)過多普勒補(bǔ)償后的離散結(jié)果為:

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征在于，所述步驟3具體為: 針對(duì)模式1，利用第i個(gè)接收元接收到的信號(hào)中的訓(xùn)練序列估計(jì)信道響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)行被動(dòng)時(shí)反處理，得到時(shí)反處理后的信號(hào)為: 產(chǎn)沖
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于間接信道函數(shù)跟蹤的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征在于，所述步驟5具體為:針對(duì)模式1，若需要更新，則通過最小二乘估計(jì)利用已知的q(t)和根據(jù)
【文檔編號(hào)】H04L25/03GK103701728SQ201310643231
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】金麗玲, 夏夢(mèng)璐, 曾文俊, 余子斌, 徐文 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)