一种基于相位搜索的单载波频域均衡水声通信系统残余相偏修正方法

一种基于相位搜索的单载波频域均衡水声通信系统残余相偏修正方法

　　技术领域

　　本发明涉及水声通信技术，更确切地说，是一种基于相位搜索的单载波频域均衡水声通信系统残余相偏修正方法。

　　背景技术

　　随着海洋科学和海洋开发的发展，高速水声通信技术日渐成为研究重点。

　　当前主流的高速水声通信技术主要包括OFDM技术和单载波技术，相比于OFDM水声通信技术，单载波水声通信技术的发射信号具有更低的峰平比，进而降低功率放大器的线性动态范围，因此适合电量有限的小型水下平台对其他水面/水下平台之间的高速信息传输。单载波水声通信的其中一个关键技术是信道均衡，它可以补偿由信道频率选择性衰落带来的线性失真，当前主要的单载波信道均衡方法分为时域均衡和频域均衡，面对水声信道，时域均衡器的复杂度和计算量会随着信道的时延扩展呈指数上升，而频域均衡器复杂度比时域小得多，并且还可以采用成熟的FFT运算提高运输效率，因此单载波频域均衡水声通信系统越来越受到关注。

　　但是单载波频域均衡水声通信系统的一个缺点是：由于信号同步误差和信道估计误差的存在，接收信号经过同步、多普勒补偿、信道均衡之后，会出现解码结果相位旋转，即存在残余相位偏差。残余相位偏差会增加误码率，降低解码性能。

　　发明内容

　　本发明的目的在于，为了解决由于信号同步误差和信道估计误差的存在，单载波频域均衡水声通信接收信号经过同步、多普勒补偿、信道均衡之后，会出现解码结果相位旋转，导致误码率上升的问题，而提供一种基于相位搜索的单载波频域均衡水声通信系统残余相偏修正方法，该方法有效纠正残余相位偏差，提高解码性能。

　　本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明提供了一种基于相位搜索的单载波频域均衡水声通信系统残余相偏修正方法，该方法包括如下步骤：发射端，在每个单载波数据块的前后各添加一个伪随机序列；接收端，分别构建前后伪随机序列的多角度相位旋转序列集合，通过本地伪随机序列分别与两个集合中序列逐个进行相关运算，得到令相关系数最小的前后伪随机序列相位旋转角，分别以前后伪随机序列相位旋转角为首尾，进行线性插值，得到数据块中每个码片的相位偏移估计，利用相位偏移估计对数据块进行残余相位纠正。

　　作为优选的技术方案，本发明是这样实现的：

　　在发射端，

　　(1)将信源信息进行QPSK映射，然后分成P个长度为N的数据块x＝[x1,x2,...,xP]，每个数据块表示为

　　(2)在每个数据块的前后各添加1个长度为L的伪随机序列，生成单载波符号块，发射的单载波符号块表示为stp＝[PN,xp,PN]，其中PN表示伪随机序列，PN＝[PN0,PN1,...,PNL-1]，所有单载波符号块组成单载波水声信号st，st＝[st1,st2,...,stP]；

　　(3)将st经过载波调制、帧同步信号装载、D/A转化和功率放大以后发射到水中；

　　在接收端，

　　(1)将接收到的水声通信信号，经过A/D转化，载波解调得到数字基带信号；

　　(2)数字基带信号经过同步、多普勒修正和信道均衡以后，得到接收的单载波水声信号sr，sr由P个相位偏移的单载波符号块组成，sr＝[sr1,sr2,...,srP]；

　　(3)取第p个相位偏移的单载波符号块srp，srp包括前伪随机序列PN_prep、接收数据块xrp、和后伪随机序列PN_postp，即srp＝[PN_prep,xrp,PN_postp]，提取PN_prep和PN_postp，分别对其进行K次相位旋转，产生序列集合：和其中

　　

　　

　　表示PN_prep第k次旋转的相位，表示PN_postp第k次旋转的相位；

　　(4)令序列集合和中的每个序列虚部的符号位，与本地伪随机序列PN进行相关运算，得到相关系数，即：

　　

　　

　　得到令相关系数最小的和即：

　　

　　

　　(5)根据和得到第p块接收数据块的补偿相位序列其中：

　　

　　利用对接收数据块xrp进行残余相位纠正，即：

　　

　　至此完成对第p块单载波符号块的残余相偏修正，然后对修正的符号块进行QPSK逆映射，得到信息，重复步骤(3)～(5)，依次完成一帧信号中所有的P个单载波符号块的相偏修正和信息解码。

　　本发明的有益效果为：本发明有效解决单载波频域均衡水声通信系统中，由于信号同步误差和信道估计误差引起的解码结果相位旋转，导致误码率增加的问题。

　　附图说明

　　图1所提方法的单载波水声通信系统收发框图；

　　图2一帧发射信号结构；

　　图3多角度相位旋转的前/后m序列与本地m序列相关图；

　　图4残余相偏修正前后解码星座图对比。

　　具体实施方式

　　为了使本发明的技术内容、特征、优点更加明显易懂，以下实施例将结合附图作进一步说明。

　　本实施例中单载波水声通信信号中心频率11kHz，带宽为6kHz，采样率96kHz，

　　发射端的框图如图1所示，在发射端：

　　(1)将信源信息进行QPSK映射，然后分成P个长度为N的数据块x＝[x1,x2,...,xP]，每个数据块表示为本实施例中，数据块长度N为1537，P为3。

　　(2)在每个数据块的前后各添加1个长度为L的伪随机序列，生成单载波符号块，本实施例中，伪随机序列选用最长线性反馈移位寄存器序列，即m序列，m序列长度为511,表示为m＝[m0,m1,…,m510]，所以发射的单载波符号块表示为stp＝[m,xp,m]，所有单载波符号块组成单载波水声信号st，st＝[st1,st2,...,stP]。

　　(3)将st经过载波调制、帧同步信号装载、D/A转化和功率放大以后发射到水中，本实施例一帧信号包括帧同步信号和3个单载波符号块，如图2所示，帧同步信号选用线性调频信号，线性调频中心频率11kHz，带宽为6kHz，脉宽100ms。

　　接收端的框图如图1所示，在接收端：

　　(1)将接收到的水声通信信号，经过A/D转化，载波解调得到数字基带信号。

　　(2)数字基带信号经过同步、多普勒修正和信道均衡以后，得到接收的单载波水声信号sr，sr由3个相位偏移的单载波符号块组成，sr＝[sr1,sr2,sr3]。

　　(3)取第p个相位偏移的单载波符号块srp(本实施例中1≤p≤3)，srp包括前m序列m_prep、接收数据块xrp、和后m序列m_postp，即srp＝[m_prep,xrp,m_postp]，提取m_prep和m_postp，分别对其进行K次相位旋转，产生序列集合：和其中

　　

　　

　　表示m_prep第k次旋转的相位，表示m_postp第k次旋转的相位，本实施例中，K取360，0≤k≤359。

　　(4)令序列集合和中的每个序列虚部的符号位，与本地m序列进行相关运算，得到相关系数，即：

　　

　　

　　得到令相关系数最小的和即：

　　

　　

　　本实施例的第1块单载波符号块中，多相位旋转角度的前/后m序列与本地m序列相关图如图3所示。

　　(5)根据和得到第p块接收数据块的补偿相位序列其中：

　　

　　本实施例的第1块单载波符号块中，

　　

　　利用对接收数据块xrp进行残余相位纠正，即：

　　

　　图4为本实施例中，第1个数据块残余相位纠正前后的解码星座图对比，至此完成对第p块单载波符号块的残余相偏修正，然后对修正的符号块进行QPSK逆映射，得到信息，重复(3)～(5)，依次完成一帧信号中所有的3个单载波符号块的相偏修正和信息解码。

　　本发明利用伪随机序列的相关性，有效解决单载波频域均衡水声通信系统中，由于信号同步误差和信道估计误差引起的解码结果相位旋转，导致误码率增加的问题，已通过了理论和仿真验证，正应用于项目“深海区域水下组网与探测技术”。

　　可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。