一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法技术

本发明专利技术公开了一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法。针对直接序列扩频水声通信系统，主要解决自适应信道均衡收敛慢、复杂度高、导频开销大的问题。其实现步骤为：首先确定假说反馈均衡器的相关参数；其次，基于导频符号采用比例调节类自适应滤波算法和数据重用技术对均衡器系数进行训练；再次，基于门限法过滤不重要的均衡器系数获得部分系数结构均衡器；最后采用部分系数结构均衡器对数据符号进行估计。本发明专利技术充分利用了水声信道均衡系统固有的稀疏特性，有效解决了直接序列扩频水声通信信道均衡复杂度高、跟踪速度慢等问题，具有较高的实际应用价值。具有较高的实际应用价值。具有较高的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法


[0001]本专利技术属于水声通信
，具体涉及一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法。

技术介绍

[0002]直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)通信技术通过将发送信号能量扩展到宽频谱上降低了系统工作信噪比要求，提高了通信的隐蔽性，在水声通信领域受到广泛关注。水声通信信道的复杂性使得实现可靠的直接序列扩频水下通信仍然面临很多的挑战，接收机算法设计仍然是当前研究的焦点。
[0003]目前，传统的直接序列扩频水声通信接收机技术包括经典的RAKE接收技术，时反(Time Reversal，TR)技术，以及以上两者的结合。
[0004]RAKE接收技术的性能一方面依赖于对信道状态的准确跟踪，在快变水声信道条件下性能难以保证，另一方面也依赖扩频序列的长度，如果序列长度不足会导致无法忽略的路径间干扰，同样会影响性能。时反技术的基本思想是将多径信号聚焦为单径信号，达到消除路径干扰的目的，但其性能依赖于对信道状态信息的获取精度以及接收阵元数量，一般无法完全消除路径间干扰，因此只能应用于特定的场景。
[0005]除了以上提及的方案，基于均衡的接收技术也受到了关注，考虑到直接序列扩频通信一般工作在低信噪比条件下，采用传统的判决反馈均衡技术容易发生误差传播现象，因此文献中提出了假说反馈均衡(Hypothesis
‑
Feedback Equalization,HFE)技术，有效解决了误差传播的问题。尽管如此，基于均衡的接收方案比RAKE接收和时反接收的复杂度高，特别是采用假说反馈均衡会进一步增加计算量，因此长期以来在实际系统中使用较少。

技术实现思路

[0006]技术问题：针对现有直接序列扩频水声通信自适应假说反馈均衡方案复杂度高、收敛慢的问题，本专利技术利用均衡器的稀疏性，提出一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法，提高收敛速度的同时有效降低均衡复杂度。
[0007]技术方案：一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法，具体包括如下步骤：
[0008](1)获取码片级接收数据序列y(k),k＝1,2,
…
,K，其中前K
p
*L个对应导频符号，L为扩频码长度；
[0009](2)确定全系数假说反馈均衡器的长度，包括前向均衡器w的长度L
w
和后向均衡器f的长度L
f
，调制符号星座图大小Q；
[0010](3)确定比例调节类稀疏自适应滤波算法，数据重用次数N
dr
，以及部分系数假说反馈均衡器系数选择门限λ
w
和λ
f
；
[0011](4)基于导频数据，采用自适应滤波算法和数据重用技术对假说反馈均衡器的系数进行训练；
[0012](5)基于训练阶段得到的全系数假说反馈均衡器，通过施加门限确定保留的部分系数，丢弃其余贡献小的系数，获得部分系数自适应假说反馈均衡器；
[0013](6)基于部分系数自适应假说反馈均衡器，对数据符号进行码片级别均衡，并对码片级均衡符号进行解扩运算获得最终的符号估计。
[0014]所述步骤(4)中，基于导频数据采用改进比例归一化最小均方自适应算法训练全系数假说反馈均衡器。由于训练利用导频符号，判决反馈符号向量完全已知，因此只需要训练一个均衡器，也就是假说反馈均衡器退化为传统的判决反馈均衡器。为了讨论的方便，我们不区分某一个码片级符号属于哪个发送符号，均衡器的前向部分和反向部分更新公式分别为
[0015][0016][0017]其中，y(k)＝[y(k+L
w
‑
1),...,y(k)]t
为接收信号向量，d(k)＝[d(k
‑
1),...,d(k
‑
L
f
)]t
为码片级判决符号向量，为码片级符号估计误差，*表示共轭，为码片级均衡符号，μ为更新步长，δ是一个很小的正数，防止除法出现无意义情况。为相位估计，可以通过锁相环(PLL)技术获得，即
[0018][0019]其中K
f1
和K
f2
为PLL参数。G
w
(k)和G
f
(k)为对角矩阵，其对角元素分别为
[0020][0021][0022]其中w
l
(k)和f
l
(k)分别为w(k)和f(k)的第l个元素，(k)分别为w(k)和f(k)的第l个元素，ε为一个很小的正数，|α|≤1。以上训练过程重复N
dr
次，得到最终的全系数均衡器向量和
[0023]所述步骤(5)中，基于门限λ
w
和λ
f
，获得部分系数索引集合如下：首先定义两个空集合Λ
w
和Λ
f
，然后执行以下操作：对于1≤l≤L
w
，如果则Λ
w
＝Λ
w
∪l；同样对于1≤l≤L
f
，如果则Λ
f
＝Λ
f
∪l，最终获得的部分系数索引集合为和它们的大小分别为L'
w
和L'
f
。基于Λ
w
和Λ
f
，获得部分系数均衡器向量和
[0024]所述步骤(6)中，用于估计数据符号的假说反馈均衡器框图如图3所示。从图中可以看到，为获得第n个符号周期内第l个码元的估计，均衡器有Q个并行分支，第i个分支对应第n个符号的第i个假说H
i
:s(n)＝a
i
，其中a
i
为星座图的第i个符号。各分支前向和后向均衡器的初始化值设置为步骤5中获得的部分系数均衡器w
s
和f
s
，此后每完成一个符号的均衡，将它们重置为最佳假说分支对应的均衡器。在假说H
i
条件下，获得如下的码片级均衡符号
[0025][0026]其中w
s,i
(n,l)和f
s,i
(n,l)为第n个符号周期内第l个码元对应的前向和反向均衡器向量，为对应的相位估计，为H
i
条件下的码片判决向量。当第n个符号内所有L个码元符号的均衡完成后，对不同假说下获得的码元均衡符号进行解扩，假说H
i
对应的解扩符号估计为其中为扩频码。最后基于解扩符号估计获得最佳判决索引进而得到最终符号估计为
[0027]有益效果：本专利技术利用水声信道均衡器固有的稀疏特性，减少了均衡器有效抽头数量，一方面提高了均衡器的收敛速度节约了导频符号开支，另一方面降低了计算复杂度。
附图说明
[0028]图1为本专利技术方法的流程图；
[0029]图2为直接序列扩频水声通信系统框图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取码片级接收数据序列y(k),k＝1,2,
…
,K，其中前K
p
*L个对应导频符号，L为扩频码长度；(2)确定全系数假说反馈均衡器的长度，包括前向均衡器w的长度L
w
和后向均衡器f的长度L
f
，调制符号星座图大小Q；(3)确定比例调节类稀疏自适应滤波算法，数据重用次数N
dr
，以及部分系数假说反馈均衡器系数选择门限λ
w
和λ
f
；(4)基于导频数据，采用自适应滤波算法和数据重用技术对假说反馈均衡器的系数进行训练；(5)基于训练阶段得到的全系数假说反馈均衡器，通过施加门限确定保留的部分系数，丢弃其余贡献小的系数，获得部分系数自适应假说反馈均衡器；(6)基于部分系数自适应假说反馈均衡器，对数据符号进行码片级别均衡，并对码片级均衡符号进行解扩运算获得最终的符号估计。2.根据权利要求1所述的用于直接序列扩频水声通信的高效信道均衡方法，其特征在于：步骤(4)中，均衡器的前向部分和反向部分更新公式分别为于：步骤(4)中，均衡器的前向部分和反向部分更新公式分别为其中，y(k)＝[y(k+L
w
‑
1),K,y(k)]
t
为接收信号向量，d(k)＝[d(k
‑
1),K,d(k
‑
L
f
)]
t
为码片级判决符号向量，为码片级符号估计误差，*表示共轭，为码片级均衡符号，μ为更新步长，δ是正数；为相位估计，通过PLL技术获得，即其中K
f1
和K
f2
为PLL参数；G
w
(k)和G
f
(k)为对角矩阵，其对角元素分别为角元素分别为其中，w
l
(k)和f
l
(k)为w(k)和f(k)的第l个元素，(k)为w(k)和f(k)的第l个元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶俊，孔祥宇，黄岩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：