一种水声通信信道质量量化分析方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水声通信信道质量量化分析方法及系统，所述方法包括：获取水声信道响应；根据水声信道响应计算维纳误差限；根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。本发明专利技术的优势在于：依托海试实测信道进行分析，考察多种信道质量量化分析指标与通过大量仿真获得的通信系统的误码率性能的相关性，结果维纳误差限与通信误比特率的相关性最强，明显优于时延扩展、相干带宽、信号多径比等其他传统信道质量量化分析指标。本申请所提信道质量量化分析方法更适合用于水声通信信道质量量化分析，可为水声通信性能预报以及水声通信系统设计提供重要参考。重要参考。重要参考。

【技术实现步骤摘要】
一种水声通信信道质量量化分析方法及系统


[0001]本专利技术属于水声通信领域，具体涉及一种水声通信信道质量量化分析方法及系统。

技术介绍

[0002]由于无线电波无法在水下远距离传播，采用声波作为通信载体的水声通信是一种常用的水下信息传输方式。相比于无线电通信信道，水声通信信道存在严重的多途效应，信号通过多个路径在不同时刻到达接收端，并造成严重的相互干扰，称为码间干扰(intersymbol interference,ISI)。水声信道的多途到达特性会受到地理环境、发射距离、信号频带等多种因素影响，导致多途结构十分复杂，不同的多途结构的响应参数具有较大差异，造成的通信性能影响也差别较大，给水声通信系统设计与水声通信性能预估都造成较大困难。所以，量化分析多途结构对通信性能的影响十分必要，是衡量通信信道质量的一个重要方面，相关研究对于水声通信系统设计以及通信性能预报等具有重要意义。
[0003]目前，在无线电通信领域，已有信道质量量化分析的相关研究。例如从信道的时延扩展长度与相干带宽宽度的角度分析信道特性，一般认为信道时延拓展越长或者相干带宽越窄，信道质量越差；或者从信道多途结构所引发频谱衰落深度的角度分析信道质量，认为衰落越深，信道质量越差。在水声信道质量量化分析领域，借鉴无线通信相关分析方法，通过散射函数、功率延迟线、时延扩展、相干带宽等函数和参量对于水声信道特性进行了研究。针对水声信道的复杂性，1995年还有研究人员提出了信号多径比(Signal Multipath Ratio,SMR)的概念，用于描述水声信道的多途特性。然而当前的信道质量量化方法均从信道结构本身的特性角度出发，与通信性能的相关性普遍不够理想，难以精细化的指导通信系统的设计。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服当前的信道质量量化方法均从信道结构本身的特性角度出发，与通信性能的相关性普遍不够理想，难以精细化的指导通信系统设计的缺陷。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种水声通信信道质量量化分析方法，所述方法包括：
[0006]步骤1：获取水声信道响应；
[0007]步骤2：根据水声信道响应计算维纳误差限；
[0008]步骤3：根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。
[0009]作为上述方法的一种改进，所述步骤1为：对脉冲声响应信号或者连续声信号的脉冲压缩结果进行处理获取信道响应。
[0010]作为上述方法的一种改进，所述步骤1为：通过信道估计方法获取水声信道响应。
[0011]作为上述方法的一种改进，所述步骤2包括：
[0012]步骤2.1：构建信道响应矩阵；
[0013]步骤2.2：根据信道响应矩阵计算最小均方误差；
[0014]步骤2.3：根据最小均方误差计算维纳误差限。
[0015]作为上述方法的一种改进，所述步骤2.1包括：
[0016]构建信道响应矩阵G，其大小为N
a
+N
c
行2N
a
+2N
c
‑
1列，表示为：
[0017][0018]用列向量表示为：
[0019][0020]其中，g(
·
)表示水声信道的信道响应；N
a
表示水声信道的信道响应的非因果抽头；N
c
表示水声信道的信道响应的因果抽头；设定维纳滤波器响应的非因果抽头和因果抽头分别等于N
c
‑
1和N
a
+1。
[0021]作为上述方法的一种改进，所述步骤2.2包括：
[0022]计算最小均方误差J
’
min
：
[0023][0024]其中，h表示共轭转置；N0表示噪声方差；I表示N
a
+N
c
维单位矩阵。
[0025]作为上述方法的一种改进，所述步骤2.3包括：
[0026]计算维纳误差限WEB：
[0027][0028]其中N
0max
和N
0min
为选取的最大和最小噪声方差。
[0029]本专利技术还提供一种水声通信信道质量量化分析系统，所述系统包括：
[0030]获取信道响应模块，用于获取水声信道响应；
[0031]计算维纳误差限模块，用于根据水声信道响应计算维纳误差限；和
[0032]评价模块，用于根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。
[0033]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0034]1、本申请所提出的基于维纳误差限的信道质量量化分析方法将维纳滤波的残留误差作为衡量信道多途结构对于通信性能影响的一个量化指标，从而实现对信道质量的量化分析。依托海试实测信道进行分析，考察多种信道质量量化分析指标与通过大量仿真获得的通信系统的误码率性能的相关性，结果维纳误差限与通信误比特率的相关性最强，明显优于时延扩展、相干带宽、信号多径比等其他传统信道质量量化分析指标。
[0035]2、本申请所提基于维纳误差限的信道质量量化分析方法更适合用于水声通信信道质量量化分析，可为水声通信性能预报以及水声通信系统设计提供重要参考。
附图说明
[0036]图1所示为水声信道质量量化分析方法流程图；
[0037]图2所示为RMS时延扩展与通信系统误比特率关系图；
[0038]图3所示为归一化相干带宽与通信系统误比特率关系图；
[0039]图4所示为信号多径比与通信系统误比特率关系图；
[0040]图5所示为维纳误差限与通信系统误比特率关系图。
具体实施方式
[0041]下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细的说明。
[0042]目前大多数水声通信系统均利用均衡器抵抗ISI，均衡器输出端的残余误差大小体现了信道对通信系统性能的影响程度，若对此残余误差进行量化并关联信道参数，则能更好地反映出信道对通信性能的影响。遵循以上思路，考虑到维纳霍夫方程的解相当于通信系统线性均衡最优解，本申请提出了根据维纳滤波后的残余误差大小衡量信道质量的分析方法，对应的量化指标称为维纳误差限。该指标仅通过水声信道响应参数计算获得，与通信系统参数无关，相比于其他几种现有信道质量量化指标，维纳误差限与通信系统误比特率的相关性更强，能够更为准确地量化衡量信道多途结构对于通信性能的影响。
[0043]不同多途信道对通信系统的影响的差别主要体现在均衡器输出端的残余误差上。在同一均衡方法下，信道质量越差，残余误差越大，所以与信道关联的残余误差可用于对信道质量进行定量分析，而维纳滤波器为线性最优滤波器，将此滤波器输出端的残余误差量化并转化为只与信道参数相关联的指标，可用于量化分析水声信道质量，称此指标为维纳误差限。
[0044]实施例1：
[0045]如图1所示，水声通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水声通信信道质量量化分析方法，所述方法包括：步骤1：获取水声信道响应；步骤2：根据水声信道响应计算维纳误差限；步骤3：根据维纳误差限对信道质量进行量化评价；维纳误差限数值越大，表示信道质量越好。2.根据权利要求1所述的水声通信信道质量量化分析方法，其特征在于，所述步骤1为：对脉冲声响应信号或者连续声信号的脉冲压缩结果进行处理获取信道响应。3.根据权利要求1所述的水声通信信道质量量化分析方法，其特征在于，所述步骤1为：通过信道估计方法获取水声信道响应。4.根据权利要求1所述的水声通信信道质量量化分析方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1：构建信道响应矩阵；步骤2.2：根据信道响应矩阵计算最小均方误差；步骤2.3：根据最小均方误差计算维纳误差限。5.根据权利要求4所述的水声通信信道质量量化分析方法，其特征在于，所述步骤2.1包括：构建信道响应矩阵G，其大小为N
a
+N
c
行2N
a
+2N
c
‑
1列，表示为：用列向量表示为：其中，g(
·
)表示水声信道的信道响应；N

【专利技术属性】
技术研发人员：李宪鹏，台玉朋，王海斌，汪俊，胡承昊，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：