CN115208482B - 一种极地脉冲干扰下的水声通信方法 - Google Patents

一种极地脉冲干扰下的水声通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，属于极地水声通信领域，基于单载波相移键控调制体制，将通信信息调制到载波相位上。接收端通信信号的解码流程如下：首先进行脉冲检测，重构接收信号中的脉冲干扰；将信号分块处理，通过迭代干扰估计消除和时域均衡的方法，在最小二乘准则下对接收信号进行干扰重建、消除，在进行时域均衡；基于均衡后的符号，采用基于稀疏贝叶斯学习与最小二乘方法结合的联合估计算法，得到信道、干扰及符号的估计值。本发明的优点在于(1)时域分块处理，保证***的实时性，且可以应用于水声时变信道；(2)在脉冲噪声环境下稳健性好；(3)保证性能的同时，分块处理降低了联合估计的计算复杂度。

Description

一种极地脉冲干扰下的水声通信方法
技术领域
本发明涉及一种在极地脉冲干扰下通信性能稳健且计算复杂度可以接受的水声通信方法，属于极地水声通信领域。
背景技术
北极地区常年被冰雪覆盖，由于冰层破裂或者挤压，存在着大量的脉冲噪声导致背景噪声并不仅服从高斯分布，严重降低了水声通信***的性能。单载波调制体制作为实现高速水声通信的优选方案之一，在峰均功率比和对抗载波频率偏移等方面与OFDM***相比具有优势，但现阶段对于脉冲干扰抑制的研究主要集中在OFDM***，针对单载波体制统的脉冲干扰抑制方法较少，因此急需设计一种脉冲干扰下稳健的单载波通信方法。
脉冲干扰属于短持续时间的全频带干扰，其能量远高于信号的平均能量，在接收信号中，脉冲干扰出现的时间随机，对波形造成短时畸变，且滤波器无法完全滤除，严重影响通信性能。单载波时域通信的一个数据块的时长往往要长得多，除了随机时间脉冲干扰的影响，信道时变现象无法避免，常规的判决反馈均衡器均衡过程中忽略了这些现象，导致性能急剧下降，不再适用于当前场景。
发明内容
本发明的目的是为了提高水声单载波通信***在极地脉冲干扰下的稳健性，现提供一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，是在时域进行信号处理的单载波通信方法。通过分块迭代时域均衡与联合估计相结合的方法进行干扰消除、信道均衡，并将输出的信号再进行信道、符号的联合估计，同时再次估计干扰并进行消除，提高了脉冲干扰下通信稳健性的同时也适用于时变信道，并通过分块处理降低了联合估计的计算复杂度。
本发明的目的是这样实现的：
一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，基于单载波相移键控调制体制，将通信信息调制到载波相位上，接收端信号的解码步骤如下：
步骤1：对信号进行预处理，输出训练部分信号ytr和分块信号yb；
步骤2：将步骤1输出的训练部分信号ytr和分块信号yb进行脉冲干扰检测与参数化，输出参数矩阵ΛtrΓtr和ΛbΓb；
步骤3：基于步骤1中的训练部分信号ytr、步骤2中的参数矩阵ΛtrΓtr和发射的训练序列进行信道估计，输出信道估计结果
Figure BDA0003723792570000011
步骤4：基于步骤3中输出的信道估计结果
Figure BDA0003723792570000021
与第i-1次迭代得到的符号
Figure BDA0003723792570000022
完成干扰的估计与消除，输出脉冲干扰消除后的信号zb；
步骤5：通过时域均衡的方法得到均衡符号
Figure BDA0003723792570000023
步骤6：判断是否达到最大迭代次数，未达到则重复进行步骤4、5，直至满足次数，结束迭代，输出均衡后的符号
Figure BDA0003723792570000024
步骤7：基于步骤6中输出的均衡后的符号
Figure BDA0003723792570000025
和步骤1中输出的分块信号yb，采用稀疏贝叶斯学习方法对信道、符号进行联合估计，同时采用最小二乘法再次对脉冲干扰进行估计并消除，输出当前块最终的估计符号D；
步骤8：组合所有块的输出，得到最终的估计符号
Figure BDA0003723792570000026
进行解码。
所述步骤1中信号进行预处理具体为：构建预处理后的接收信号模型，模型包括训练部分信号ytr和传递信息的信号，将传递信息的信号进行分块，构建信息信号的分块模型进行信号处理，输出训练部分信号ytr和分块信号yb；
所述步骤2具体为：在训练部分信号ytr与分块信号yb中检测脉冲干扰的存在和起始与结束时间，利用检测结果分别将训练部分信号ytr和分块信号yb中随机出现的脉冲干扰itr、ib参数化干扰为ΛtrΓtrutr、ΛbΓbub，ΛtrΓtr和ΛbΓb为参数化系数，utr、ub为干扰样本。
所述步骤3中的信道估计分为干扰存在与不存在时的信道估计，在干扰存在时，基于步骤1训练部分信号ytr、步骤2参数化干扰ΛtrΓtrutr和发射的训练符号P进行信道估计；在干扰不存在时，仅基于步骤1训练部分信号ytr和发射的训练符号P进行信道估计，两种情况下最终输出信道估计的结果均为
Figure BDA0003723792570000027
所述步骤4具体为：在第i次迭代中，基于步骤3输出的信道估计结果
Figure BDA0003723792570000028
与第i-1次迭代输出的期望符号
Figure BDA0003723792570000029
重构分块信号，并从步骤1输出的分块信号yb中减去，通过最小二乘的方法得到干扰样本的估计值
Figure BDA00037237925700000210
随后将干扰样本的估计值
Figure BDA00037237925700000211
与步骤2输出的对应参数化系数ΛbΓb相乘，从分块信号yb中消减，完成干扰消除，输出消除后的信号zb。
所述步骤4和步骤5构成迭代脉冲干扰估计消除与时域均衡结构，迭代脉冲干扰估计消除与时域均衡结构为对每一块信号进行单独处理，处理过程中，在当前块的第i次迭代里使用第i-1次迭代输出的均衡符号重构分块信号，进行干扰估计与消除，随后将信号输出到时域均衡部分，用时间反转镜后接判决反馈均衡器的方法对分块信号进行时域均衡，直至满足迭代次数，输出当前块的均衡结果
Figure BDA0003723792570000031
所述步骤7具体为：基于步骤6输出的均衡后的符号
Figure BDA0003723792570000032
将每块输出的均衡后的符号
Figure BDA0003723792570000033
组成矩阵
Figure BDA0003723792570000034
结构为：
Figure BDA0003723792570000035
其中，Nb为子块长度，L为信道长度；
使用稀疏贝叶斯学习的方法，对信道和符号进行联合估计，同时采用最小二乘法再次对脉冲干扰进行估计并消除；
首先利用信道的稀疏性，设其服从均值为0，方差为α的高斯分布，对信道的估计结果如下：
Figure BDA0003723792570000036
其中，Σ为后验分布的方差，
Figure BDA0003723792570000037
为高斯噪声的方差，Bb＝ΛbΓb，，
Figure BDA0003723792570000038
是迭代干扰估计消除与时域均衡输出的符号
Figure BDA0003723792570000039
组成的矩阵，信道的估计结果为
Figure BDA00037237925700000310
用最小二乘的思想估计干扰，得到干扰的估计：
Figure BDA00037237925700000311
最后设符号向量D为
Figure BDA00037237925700000312
的第一列，通过计算
Figure BDA00037237925700000313
得到
Figure BDA00037237925700000314
的估计，从而得到符号向量D的值。
本发明提出一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，发明的创造性体现在针对时变信道与随机时间出现的脉冲干扰，分块进行迭代干扰消除与时域均衡，并在迭代结构后加入联合估计步骤，进行信道、符号的联合估计，同时再次估计干扰并消除，有效实现脉冲干扰抑制与符号估计，提高通信的稳健性，进一步实时消除干扰同时也降低了复杂度，可实现脉冲干扰下对单载波通信数据进行高性能解码。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，基于单载波体制，通过分块迭代干扰消除与时域均衡的步骤进行干扰的初步消除，再基于迭代处理输出的符号，通过联合估计的步骤再次进行残余干扰的消除，输出最终的估计符号。
(1)提高通信的可靠性
通信可靠性与数据处理方法的性能高度相关。在信道时变或环境存在脉冲干扰的情况下，常规的时域均衡器对整帧信号进行处理，且在处理过程中并未进行干扰消除，均衡效果极差，导致通信可靠性严重下降。本发明采用分块迭代干扰消除与时域均衡的方法，每块信号的持续时间小于信道的相干时间，通过分块处理有效应对信道时变现象，同时消除了随机时间出现的脉冲干扰。随后基于迭代输出的结果，再次进行联合估计，有效提高通信的可靠性。
(2)提高***的实时性并减小计算量
时域分块可在接收端接收到单块信号后便进行处理，而非接收到整帧信号才进行处理步骤，提高了***的实时性。同时在联合估计中，信号维度减小，有效降低***的计算复杂度，从而减小计算量。
附图说明
为了更清晰的说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中需要使用的附图做简单介绍。下面描述的附图中仅是本发明的一些实施例，对于其他技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是极地脉冲干扰下的水声通信方法流程图；
图2是信号分块示意图；
图3(a)是北极采集的脉冲噪声时域图；
图3(b)是北极采集的脉冲噪声时频图；
图4是存在干扰，信干比为-20dB和不存在干扰两种情况下，不同方法在北极冰下脉冲干扰环境中的误码性能。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做进一步详细描述。
本发明提供的一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，方法的工作流程如图1，具体实施方式如下：
步骤1：输入通带的接收信号，对信号进行预处理，构建预处理后的接收信号模型，模型包括训练部分信号和传递信息的信号，将传递信息的信号分块，构建信息信号的分块模型进行信号处理，输出训练部分信号和分块信号；
步骤1所述的接收信号预处理，需要对接收信号进行多普勒估计与补偿，并将接收信号解调到基带，再进行信息信号的分为Nbl块，信号分块示意如图2，块与块之间的重叠部分与信道长度相同，在步骤5的迭代时域均衡步骤中会用到前一块中输出的估计符号。输出训练部分信号ytr和分块后的信号yb用于下一步处理。
步骤2：分别在步骤1输出的训练部分信号与分块信号中检测脉冲干扰的存在与其起始与结束时间，进行干扰参数化，输出参数化的干扰；
步骤2所述的脉冲干扰参数化，是同时在训练部分信号和分块信号中进行脉冲干扰、干扰起始与接收时间的检测，利用检测结果分别将训练部分信号和分块信号中随机出现的脉冲干扰itr、ib参数化为ΛtrΓtrutr、ΛbΓbub，ΛtrΓtr和ΛbΓb为参数化系数，utr、ub为干扰样本值，输出ΛtrΓtr和ΛbΓb。
步骤3：基于步骤1中的训练部分信号、步骤2中的参数化干扰和发射的训练序列进行信道估计，输出信道估计结果；
步骤3所述的信道估计过程，可细分为干扰存在与不存在时的信道估计，在干扰存在时，基于步骤1训练部分信号ytr、步骤2参数化干扰模型ΛtrΓtrutr和发射的训练符号P进行信道估计；在干扰不存在时，仅基于步骤1训练部分信号ytr和发射的训练符号P进行信道估计。两种情况下最终输出信道估计的结果均为
Figure BDA0003723792570000051
步骤4：与步骤5共同构成迭代脉冲干扰估计消除与时域均衡结构。基于步骤3中输出的信道估计结果与前一次迭代得到的符号完成干扰的估计与消除，输出脉冲干扰消除后的信号；
步骤4所述的脉冲干扰估计与消除和步骤5共同构成迭代结构，在第i次迭代中，基于步骤3输出的信道估计结果
Figure BDA0003723792570000052
与第i-1次迭代输出的期望符号
Figure BDA0003723792570000053
重构分块信号，并从步骤1输出的分块信号yb中减去。通过最小二乘的方法得到干扰样本的估计值
Figure BDA0003723792570000054
随后将估计得到的干扰与步骤2输出的对应参数化系数ΛbΓb相乘，从分块信号yb中消减，完成干扰消除，输出消除后的信号zb。
步骤5：基于步骤4得到的脉冲干扰消除后的信号，通过时域均衡的方法得到均衡符号；
步骤5所述的时域均衡步骤，对步骤4干扰消除后的信号zb进行均衡。此步骤与传统方法的不同在于，均衡前对干扰进行消除，且过程中选取迭代的结构，不断进行均衡后符号的更新，因此方法性能大幅提升。输出第i次迭代中均衡后的符号
Figure BDA0003723792570000055
步骤6：判断是否达到最大迭代次数，未达到则重复进行步骤4、5，直至满足次数，结束迭代，输出均衡后的符号；
步骤6所述的判断步骤为迭代干扰消除与时域均衡的迭代次数判断，未到达最大迭代次数Iter，重复步骤4、5，直至到达迭代次数后输出当前块均衡后的符号
Figure BDA0003723792570000056
步骤7：基于步骤6中输出的均衡符号和步骤1中输出的分块信号，在该步骤中对信道、符号进行联合估计，同时再次对残余脉冲干扰进行估计并消除，输出当前块最终的估计符号；
步骤7所述的联合估计部分与步骤4、5、6组成的迭代结构是本发明的核心。联合估计基于迭代结构的输出符号
Figure BDA0003723792570000061
将每块中输出的符号组成矩阵
Figure BDA0003723792570000062
结构为：
Figure BDA0003723792570000063
其中，Nb为子块长度，L为信道长度。使用稀疏贝叶斯学习的方法，对信道和符号进行联合估计，同时再次估计干扰并消除。
首先设信道服从方差为α的高斯分布，通过估计其后验分布，重新对信道进行估计，得到估计结果：
Figure BDA0003723792570000064
Figure BDA0003723792570000065
其中，Σ为后验分布的方差，
Figure BDA0003723792570000066
为高斯噪声的方差，Bb＝ΛbΓb，信道的估计为
Figure BDA0003723792570000067
再利用估计得到的信道结果，重新估计干扰为
Figure BDA0003723792570000068
得到以上估计值后，符号的估计可看作满足如下表达式：
Figure BDA0003723792570000069
求解该式，得到当前块估计得到的符号向量D，D为矩阵
Figure BDA00037237925700000610
的第一列，完成联合估计的步骤，输出D。
步骤8：组合所有块的输出符号，输出最终的估计符号，进行解码。
步骤8所述组合所有块的输出符号，意为组合Nbl个块经步骤2-7处理后输出的所有符号，得到最终的估计符号
Figure BDA00037237925700000611
进行解码。
下面将结合试验数据处理结果，对本发明的优势进一步阐释。显然，所描述的试验结果是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，仅用于说明和解释本发明，并不限定用于本发明。基于本发明中的试验数据处理结果，本领域普通技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
试验数据验证：
试验条件：使用本发明提出的方法处理试验数据，验证发明所提方法的性能。数据形式试验中收集的通信数据加入如图3(a)、(b)所示的第九次北极科考期间采集的脉冲噪声，图3(a)为脉冲噪声的时域图，图3(b)为脉冲噪声的时频图，从两幅图中可以看出，脉冲噪声出现的时间随机，持续时间短且占据整个带宽，无法完全通过滤波器滤除。处理过程中人为加入高斯噪声改变接收信号的信噪比，观察几种方法在不同信噪比下的误码性能。试验中通信参数如下：每帧单载波信号的长度为1000个符号，其中有500个符号用作训练序列，数据采用1/2卷积码进行信道编码。载波中心频率为6kHz，带宽为2kHz，通带采样率为48kHz。使用QPSK映射方式。
试验结果分析：当接收信号中存在北极冰下脉冲干扰时，试验数据处理结果如图4所示。图4是存在干扰，信干比为-20dB与不存在干扰两种情况下，提出的方法与传统方法的误码率对比。越靠近x轴的曲线表示在相同信噪比下误码率越小，通信越可靠。图4中前三条曲线为存在干扰，信干比为-25dB时用传统方法、本发明中提出但仅进行迭代干扰消除与时域均衡的方法和本发明提出的完备通信接收端信号处理方法(指同时存在迭代干扰消除与时域均衡和联合估计步骤的方法)处理试验数据得到的误码率结果对比，结果显示，本发明提出的方法与传统方法相比，在处理过程中进行了干扰消除的步骤，同时采用迭代的结构，不断进行干扰消除和符号更新，使得所有信噪比下数据的解码误码率均明显降低，性能优于传统方法，并且加入了联合估计步骤，使得方法在迭代的基础上进一步消除了干扰，性能最佳。
最下面的两条曲线为不存在干扰时用传统方法与本发明提出的完备通信接收端信号处理方法进行数据处理的误码率结果对比，图中显示，不存在干扰时，信号畸变小，两种方法的性能均由于干扰存在时的性能，且本发明所提出的完备通信接收端信号处理方法在干扰不存在时，对比传统方法也有最优性能。
由上述试验结果分析可得，本发明提出的方法在脉冲干扰下和无干扰时的数据处理性能完全优于传统方法，可适用于极地脉冲干扰的场景。
本发明涉及一种在极地脉冲干扰下通信性能稳健且计算复杂度可以接受的水声通信方法，属于极地水声通信领域。本发明通过以下技术方案予以实现：考虑单载波传输***，基于单载波相移键控调制体制，将通信信息调制到载波相位上。接收端通信信号的解码流程如下：首先进行脉冲检测，重构接收信号中的脉冲干扰。考虑脉冲干扰的出现时间的随机性与信道的时变特性，将信号分块处理，通过迭代干扰估计消除和时域均衡的方法，在最小二乘准则下对接收信号进行干扰重建、消除，在进行时域均衡。由于信道估计误差及噪声的存在，脉冲干扰的影响不能完全消除。之后，基于均衡后的符号，采用基于稀疏贝叶斯学习与最小二乘方法结合的联合估计算法，得到信道、干扰及符号的估计值。本发明的优点在于(1)时域分块处理，保证***的实时性，且可以应用于水声时变信道；(2)在脉冲噪声环境下稳健性好；(3)保证性能的同时，分块处理降低了联合估计的计算复杂度。

Claims (5)

1.一种极地脉冲干扰下的水声通信方法，其特征在于：基于单载波相移键控调制体制，将通信信息调制到载波相位上，接收端信号的解码步骤如下：
步骤1：对信号进行预处理，输出训练部分信号ytr和分块信号yb；
步骤2：将步骤1输出的训练部分信号ytr和分块信号yb进行脉冲干扰检测与参数化，输出参数化系数ΛtrΓtr和ΛbΓb；
步骤3：基于步骤1中的训练部分信号ytr、步骤2中的参数化系数ΛtrΓtr和发射的训练符号P进行信道估计，输出信道估计结果
Figure FDA0003962133890000011
步骤4：基于步骤3中输出的信道估计结果
Figure FDA0003962133890000012
与第i-1次迭代输出的期望符号
Figure FDA0003962133890000013
重构分块信号，并从步骤1输出的分块信号yb中减去，通过最小二乘的方法得到干扰样本的估计值
Figure FDA0003962133890000014
随后将干扰样本的估计值
Figure FDA0003962133890000015
与步骤2输出的对应参数化系数ΛbΓb相乘，从分块信号yb中消减，完成干扰消除，输出脉冲干扰消除后的信号zb；
步骤5：对步骤4脉冲干扰消除后的信号zb进行时域均衡，输出第i次迭代中均衡后的符号
Figure FDA0003962133890000016
步骤6：判断是否达到最大迭代次数，未达到则重复进行步骤4、5，直至满足次数，结束迭代，输出均衡后的符号
Figure FDA0003962133890000017
步骤7：基于步骤6中输出的均衡后的符号
Figure FDA0003962133890000018
和步骤1中输出的分块信号yb，采用稀疏贝叶斯学习方法对信道、符号进行联合估计，同时采用最小二乘法再次对脉冲干扰进行估计并消除，输出当前块最终的估计符号D；
具体为：基于步骤6输出的均衡后的符号
Figure FDA0003962133890000019
将每块输出的均衡后的符号
Figure FDA00039621338900000110
组成矩阵
Figure FDA00039621338900000111
结构为：
Figure FDA00039621338900000112
其中，Nb为子块长度，L为信道长度；
使用稀疏贝叶斯学习的方法，对信道和符号进行联合估计，同时采用最小二乘法再次对脉冲干扰进行估计并消除；
首先利用信道的稀疏性，设其服从均值为0，方差为α的高斯分布，对信道的估计结果如下：
Figure FDA0003962133890000021
其中，Σ为后验分布的方差，ub为干扰样本，
Figure FDA0003962133890000022
为高斯噪声的方差，Bb＝ΛbΓb，
Figure FDA0003962133890000023
是迭代干扰估计消除与时域均衡输出的符号
Figure FDA0003962133890000024
组成的矩阵，信道的估计结果为
Figure FDA0003962133890000025
用最小二乘的思想估计干扰，得到干扰的估计：
Figure FDA0003962133890000026
最后设符号向量D为
Figure FDA0003962133890000027
的第一列，通过计算
Figure FDA0003962133890000028
得到
Figure FDA0003962133890000029
的估计，从而得到符号向量D的值；
步骤8：组合所有块的输出，得到最终的估计符号
Figure FDA00039621338900000210
进行解码。
2.根据权利要求1所述的极地脉冲干扰下的水声通信方法，其特征在于：所述步骤4和步骤5构成迭代脉冲干扰估计消除与时域均衡结构，迭代脉冲干扰估计消除与时域均衡结构对每一块信号进行单独处理，处理过程中，在当前块的第i次迭代里使用第i-1次迭代输出的均衡符号重构分块信号，进行干扰估计与消除，随后将信号输出到时域均衡部分，用时间反转镜后接判决反馈均衡器的方法对分块信号进行时域均衡，直至满足迭代次数，输出当前块的均衡结果
Figure FDA00039621338900000211
3.根据权利要求1所述的极地脉冲干扰下的水声通信方法，其特征在于：所述步骤1中信号进行预处理具体为：构建预处理后的接收信号模型，模型包括训练部分信号ytr和传递信息的信号，将传递信息的信号进行分块，构建信息信号的分块模型进行信号处理，输出训练部分信号ytr和分块信号yb。
4.根据权利要求3所述的极地脉冲干扰下的水声通信方法，其特征在于：所述步骤2具体为：在训练部分信号ytr与分块信号yb中检测脉冲干扰的存在和起始与结束时间，利用检测结果分别将训练部分信号ytr和分块信号yb中随机出现的脉冲干扰itr、ib参数化干扰为ΛtrΓtrutr、ΛbΓbub，ΛtrΓtr和ΛbΓb为参数化系数，utr、ub为干扰样本。
5.根据权利要求4所述的极地脉冲干扰下的水声通信方法，其特征在于：所述步骤3中的信道估计分为干扰存在与不存在时的信道估计，在干扰存在时，基于步骤1训练部分信号ytr、步骤2参数化干扰ΛtrΓtrutr和发射的训练符号P进行信道估计；在干扰不存在时，仅基于步骤1训练部分信号ytr和发射的训练符号P进行信道估计，两种情况下最终输出信道估计的结果均为
Figure FDA0003962133890000031
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