一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法，适用于水声modem实时在线解调领域。本发明专利技术通过设计水声通信modem物理层数据链路块导频信号，利用快速傅里叶变换与子空间投影，实现水声信道的快速估计与在线解码的过程，与此同时，利用伪随机序列的周期自相关特性，实现快速解相关过程，实现物理层信号同步。相对于一般时域水声信道估计与信号同步方法，该算法优势在于，可以用数字信号处理器(DSP)与现场可编程门阵列(FPGA)等系统的快速实现，在保证信道估计的同时，降低了运算复杂度。尤其适用于稀疏水声信道估计。

A Fast Channel Estimation and Signal Synchronization Method for Underwater Acoustic Modem

The invention discloses a fast channel estimation and signal synchronization method suitable for underwater acoustic modem, and is applicable to the field of real-time online demodulation of underwater acoustic modem. By designing the pilot signal of the physical layer data link block of the underwater acoustic communication modem, the fast estimation and online decoding of the underwater acoustic channel are realized by using fast Fourier transform and subspace projection. At the same time, the fast decorrelation process is realized by utilizing the periodic autocorrelation characteristic of the pseudo-random sequence, and the synchronization of the physical layer signal is realized. Compared with the general time-domain underwater acoustic channel estimation and signal synchronization method, the advantage of this algorithm is that it can be implemented quickly by digital signal processor (DSP) and field programmable gate array (FPGA) systems, which can ensure channel estimation while reducing the computational complexity. It is especially suitable for the estimation of sparse hydrophobic acoustic channel.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法
本专利技术涉及一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法，适用于水声通信领域的快速信道估计与物理层数据块的信号同步。技术背景实时水声通信样机或者水声modem较难实现高速低误码率性能表现，原因在于水声信道具有动态双扩展特性，现有信道估计方法，一般来源于无线信道。涉及逆问题求解，经典的信道估计方法包括最小二乘估计、最小均方误差估计、压缩感知估计等。但是不同于无线信道具有瑞利衰落特性与较短信道冲击响应。水声信道具有长时延特性，逆问题求解的运算复杂度很高，不能满足实时水声通信系统的需求。基于系统实时性与可靠性的考虑。本专利技术提出了一种快速信道估计与信号同步的方法。
技术实现思路
本专利技术涉及一种快速水声信道估计与信号同步方法，主要包括两方面
技术实现思路
：(1)通过设计物理层数据块的导频信号：两个相同的具有周期自相关特性的伪随机序列按照时间顺序依次排列，能将信号矩阵变成完全循环移位矩阵，适合快速傅里叶变换，通过傅里叶变换，实现信道初步估计，与此同时，通过伪随机序列完美的周期自相关特性，能够实现信号的同步；(2)通过迭代算法和空间投影算法对初步估计的信道进行迭代更新，与传统方法比较，提高估计精度，降低了运算复杂度。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法包括如下:1)针对水声modem物理层数据链路块导频符号进行设计；导频信号采用两组相同的伪随机序列；2)根据步骤1)用本地已知导频信号与接收信号进行循环移位相关运算，进行信号精确同步；3)将步骤2)得到精确同步的信号，提取导频部分，与本地导频伪随机信号进行快速傅里叶变换与逆傅里叶变换，得到初步的信道估计结果；4)将步骤3)得到的初步信道估计结果进行迭代的子空间投影，进行精细的信道估计；进行基于快速傅里叶变换的算法迭代，当更新达到收敛之后，停止迭代；5)根据步骤4)利用估计出的水声信道用于在线解码，如达不到预期均衡解码效果，将均衡器输出结果重新进行信道估计；并重复步骤3)与步骤5)直至达到预期均衡解码效果。优选的，所述步骤1)，具体为：步骤1.1:采用两组相同的伪随机序列作为物理层数据链路块的导频符号，发送信息符号序列表示为式(1)：式(1)中，c表示伪随机序列向量，sk表示第k个发送符号组向量，T为转置符号；步骤1.2：伪随机序列具有循环移位特性，其性质可以表示为式(2)：式(2)中，M表示伪随机序列的阶数，m表示伪随机序列中元素的下标，也表示信号时延，T是具有循环移位性质的矩阵算子，可以表示为式(3)，式(3)中的矩阵算子具有以下的性质，Tjc操作可以将伪随机序列循环移位j个码片长度。优选的，所述步骤2)，具体为：步骤2.1：用本地已知导频信号与接收信号序列y进行循环移位相关运算，其中，本地已知导频信号即伪随机序列；输入输出模型可以表示为式(4)：v(j)＝[Tjc]Ty(4)式(4)中，v(j)为接收端循环移位操作的匹配输出；步骤2.2：找到自相关匹配输出之后的峰值，如果用两个相同的伪随机序列，则会出现2个峰峰值，此时通过排序操作，可以确定两个峰峰值的位置，从而实现接收信号同步。优选的，所述步骤3)，具体为：步骤3.1：利用具有循环移位特性的导频符号，接收信号与发射信号的输入输出模型可以表示为式(5)中，*表示共轭运算，为信道每条独立路径所对应的最大多普勒分量；z[i]为离散高斯噪声；采用矩阵表示，利用两组相同导频符号的周期循环特性，式(5)的离散卷积，可以表示为矩阵乘法式(6)步骤3.2:对循环矩阵X进行本征值分解，可以得到快速傅里叶变换的形式，如式(7)X＝FHΛXF(7)式(7)中，(·)H表示共轭转置运算，F为M×M阶的傅里叶矩阵，ΛX是对角阵，其主对角线元素是发送信息符号序列x的傅里叶变换形式Fx；步骤3.3：对式(6)中接收符号向量y做快速傅里叶变换，即有：式(8)中，快速傅里叶矩阵与其自身共轭转置相乘为单位阵：FFH＝I；信道h即可通过快速傅里叶变换估计，如式(9)式(9)说明，可以通过对设计好的导频符号和接收信号分别做快速傅里叶变换，变换到频域表征，再对频域表征向量内部元素做点除操作，再对点除之后的频域信号进行逆傅里叶变换，得到估计的信道，式(9)还可以表示为：式(10)中，./代表元素的点除运算。优选的，所述步骤4)，具体为：步骤4.1：利用步骤3)傅里叶变换得到的信道估计作为初始值，构造信道的最陡梯度下降函数，如式(11)式(11)中，||||1为向量的l1范数，sign为sign函数，即：h中大于0的元素设为1，小于0的元素设为-1，迭代更新最陡梯度方向，如式(12)式(12)中，μk为步长因子，可以通过搜索区域得到；步骤4.2：通过式(12)得到的除包含了真实的信道区域，还包含有由于快速傅里叶变换带来的冗余区域，把投影到其他空间，消除冗余区域，并且设置噪声门限，采用二重投影，其中第一重投影，如式(13)式(13)能确保信道信息约束在能量主要分布的区域；其中P1为信道主要能量的空间投影矩阵，Elower，Eupper分别为预设信道能量区间的下限与上限。第二重投影，采用凸优化理论，建立目标函数与约束，投影空间表示为式(14)其中P2，ε分别为子空间投影矩阵和优化函数的最小约束，通过引入拉格朗日算子λ，解式(14)的约束问题，如式(15)式(15)能确保迭代更新的信道控制在约束范围内，提高估计精度；步骤4.3：当或者到达设定的最大迭代次数，更新停止；当或者没有到达设定的最大迭代次数，返回式(12)，继续更新迭代，其中δ为预设残差门限。优选的，所述公式(15)还可以用快速傅里叶变换实现，如式(16)：式(16)中，FFT、IFFT分别代表快速傅里叶变换与逆快速傅里叶变换，.*代表向量内部元素对应相乘。与现有技术相比，本专利技术的有增益效果是：(1)通过顺序排列的相同伪随机序列，实现信号的完美周期自相关，提升了信号同步的精度。(2)利用周期信号的循环移位矩阵，实现快速傅里叶变换，降低了信道估计的复杂度。(3)通过傅里叶变换估计的信道作为初始状态，利用空间投影迭代算法，提升信道估计精度的同时，与传统逆问题求解相比较，降低了运算复杂度。(4)可应用于数字信号处理器与现场可编程门阵列等水声通信实时系统。附图说明图1是快速水声信道估计与信号同步方法流程图。图2是具有周期自相关特性的伪随机序列同步效果图。图3是基于快速傅里叶变换的空间投影算法与匹配滤波算法的信道估计性能对比图。具体实施方式下面结合附图详述本专利技术，但本专利技术的实施和保护范围不限于此。如图1所示，一种快速水声信道估计与信号同步方法补充如下：步骤1：步骤1.1:采用两组相同的伪随机序列作为物理层数据链路块的导频符号，发送信息符号序列表示为式(1)：步骤1.2：利用伪随机序列具有循环移位特性，其性质可以表示为式(2)：式(2)中，M表示伪随机序列的阶数，m表示伪随机序列中元素的下标，也表示信号时延。T是具有循环移位性质的矩阵算子，可以表示为式(3)，步骤2：步骤2.1：用本地已知导频信号，即伪随机序列与接收信号序列y进行循环移位相关运算，输入输出模型可以表示为可表示为式(4)：v(j)＝[T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法，其特征在于包括如下:1)针对水声modem物理层数据链路块导频符号进行设计；导频信号采用两组相同的伪随机序列；2)根据步骤1)用本地已知导频信号与接收信号进行循环移位相关运算，进行信号精确同步；3)将步骤2)得到精确同步的信号，提取导频部分，与本地导频伪随机信号进行快速傅里叶变换与逆傅里叶变换，得到初步的信道估计结果；4)将步骤3)得到的初步信道估计结果进行迭代的子空间投影，进行精细的信道估计；进行基于快速傅里叶变换的算法迭代，当更新达到收敛之后，停止迭代；5)根据步骤4)利用估计出的水声信道用于在线解码，如达不到预期均衡解码效果，将均衡器输出结果重新进行信道估计；并重复步骤3)与步骤5)直至达到预期均衡解码效果。

【技术特征摘要】
1.一种适用于水声modem的快速信道估计与信号同步方法，其特征在于包括如下:1)针对水声modem物理层数据链路块导频符号进行设计；导频信号采用两组相同的伪随机序列；2)根据步骤1)用本地已知导频信号与接收信号进行循环移位相关运算，进行信号精确同步；3)将步骤2)得到精确同步的信号，提取导频部分，与本地导频伪随机信号进行快速傅里叶变换与逆傅里叶变换，得到初步的信道估计结果；4)将步骤3)得到的初步信道估计结果进行迭代的子空间投影，进行精细的信道估计；进行基于快速傅里叶变换的算法迭代，当更新达到收敛之后，停止迭代；5)根据步骤4)利用估计出的水声信道用于在线解码，如达不到预期均衡解码效果，将均衡器输出结果重新进行信道估计；并重复步骤3)与步骤5)直至达到预期均衡解码效果。2.根据权利要求1所述适用于水声modem物理层的快速信道估计与信号同步方法，其特征在于所述步骤1)，具体为：步骤1.1:采用两组相同的伪随机序列作为物理层数据链路块的导频符号，发送信息符号序列表示为式(1)：式(1)中，c表示伪随机序列向量，sk表示第k个发送符号组向量，T为转置符号；步骤1.2：伪随机序列具有循环移位特性，其性质可以表示为式(2)：式(2)中，M表示伪随机序列的阶数，m表示伪随机序列中元素的下标，也表示信号时延，T是具有循环移位性质的矩阵算子，可以表示为式(3)，式(3)中的矩阵算子具有以下的性质，Tjc操作可以将伪随机序列循环移位j个码片长度。3.根据权利要求2所述适用于水声modem物理层的快速信道估计与信号同步方法，其特征在于所述步骤2)，具体为：步骤2.1：用本地已知导频信号与接收信号序列y进行循环移位相关运算，其中，本地已知导频信号即伪随机序列；输入输出模型可以表示为式(4)：v(j)＝[Tjc]Ty(4)式(4)中，v(j)为接收端循环移位操作的匹配输出；步骤2.2：找到自相关匹配输出之后的峰值，如果用两个相同的伪随机序列，则会出现2个峰峰值，此时通过排序操作，可以确定两个峰峰值的位置，从而实现接收信号同步。4.根据权利要求1所述适用于水声modem物理层的快速信道估计与信号同步方法，其特征在于所述步骤3)，具体为：步骤3.1：利用具有循环移位特性的导频符号，接收信号与发射信号的输入输出模型可以表示为式(5)中，*表示共轭运算，为信道每条独立路径所对应的最大多普勒分量；z[i]为离散高斯噪声；采用矩阵表示，利用两组相同导频符号的周期循环特性，式...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦祥照，瞿逢重，吴叶舟，陈鹰，徐敬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33