基于LFM信号信道估计的水声MPSK信号盲Turbo均衡方法
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improved. Simulation result verifies the effectiveness of the proposed method.
Key words:underwater acoustic communication; blind channel estimation; blind turbo equalization
收稿日期:2020-11-09;修回日期:2020-12-21
基金项目:国家自然科学基金计划资助项目( 61602511)
作者简介:郭 悦( 1993-) ,女,硕士生,主要研究方向为水声通信信号分析与处理。
130
2021 年
信 息 工 程 大 学 学 报
由于水声信道具有稀疏多径的特点,水声通信
GUO Yue,WANG Bin,MENG Yuting
( Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China)
Abstract: To improve the channel distortion compensation ability in blind demodulation of
第 22 卷第 2 期
2021 年 4 月
信 息 工 程 大 学 学 报
Journal of Information Engineering University
Vol. 22 No. 2
Apr. 2021
DOI:10. 3969 / j. issn. 1671-0673. 2021. 02. 001
协作通信水声通信通常采用 LFM 信号作为前
图 3 发射端系统模型
考虑高斯白噪声和水声稀疏信道的影响,接收
到的 LFM 信 号、保 护 间 隔 和 MPSK 信 号 可 分 别 表
示为
第2期
131
郭 悦,等:基于 LFM 信号信道估计的水声 MPSK 信号盲 Turbo 均衡方法
y LFM ( t) = x LFM ( t) h( t) + n( t)
信号在传输过程中产生严重的码间串扰,给接收端
的解调带来困 难。 为 了 克 服 水 声 稀 疏 多 径 信 道 的
导信号,用 来 实 现 合 作 通 信 双 方 的 同 步 和 信 道 估
计,水声通信信号结构如图 1 所示。
影响,近年来人们越来越多地探索利用 Turbo 信 道
均衡方法来减弱 水 声 信 道 的 影 响 [ 1] 。 为 提 升 单 载
衡。 该方法存在时延模糊与相位模糊的问题,并且
当信道响应存在逼 近 单 位 元 的 零 点 时 收 敛 比 较 困
难。 文献[ 6] 借 助 超 指 数 均 衡 算 法 作 为 初 始 盲 均
x LFM ( t) = Ae
( 1)
式中:f 0 为初始频 率;μ 0 为 斜 率;A 为 信 号 幅 度;φ 0
underwater acoustic multiple phase shift keying ( MPSK) signal,a blind Turbo equalization method
of underwater acoustic MPSK signal is proposed, utilizing underwater linear frequency modulation
送 LFM 信号,然后经过一段时间间隔,发送方发送
数据报文,数据报文的调制方式根据通信双方的约
定设置,常采 用 PSK 调 制。 图 2 是 以 数 据 报 文 为
正交相移键 控 ( Quadrature PSK,QPSK) 调 制 为 例,
给出了通信过程的时频图。
Turbo 均衡技术,需要 借 助 已 知 的 先 验 训 练 序 列 辅
基于 LFM 信号信道估计的水声 MPSK
信号盲 Turbo 均衡方法
郭 悦,王 彬,孟钰婷
( 信息工程大学,河南 郑州 450001)
摘要:为提高水声多进制相移键控( Multiple Phase Shift Keying,MPSK) 信号盲解调过程中的信
道失真补偿能力,提出一种利用水声线性调频( Linear Frequency Modulation,LFM) 信号 进 行 信
( LFM) signal for blind channel estimation. First,LFM signal ( the preamble of underwater acoustic
communication) is used for blind channel parameter estimation,and the estimation result is taken as
( 2)
l = -∞
在高信噪比下效果显著。 文献[ 7] 在文献[ 6] 的基
式中:T 0 为 符 号 周 期; f c 为 载 波 频 率; g r 为 脉 冲 成
盲分离、解调和译 码 方 案,利 用 混 合 信 号 超 指 数 盲
( m = 0,1,2,…,M - 1) 。
础上提出一 种 基 于 Turbo 均 衡 的 单 通 道 混 合 信 号
为初始相位。
MPSK 信号的表达式 [ 9] :
衡来实现盲 Turbo 均衡。 但是,超指数均 衡 器 在 低
信噪比下为后续迭代提供的先验信息十分有限,仅
2
( jφ 0 + j2πf 0 t+ jπμ 0 t )
x MPSK ( t) = Ae
( jφ 0 + j2πf c t)
∞
∑ x k g r ( t - kT 0 )
N。 然后将序列 b k 输 入 交 织 器 获 得 重 新 排 序 的 新
二进制序列 c k ( k = 0,1,…,MN - 1) ,再 将 c k 送 入 映
射器得到调制符号 x k ( k = 0,1,…,N - 1 ) 。 发 射 端
系统模型如图 3 所示。
的可靠性。
1 水声通信信号模型
均衡算法 来 启 动 信 道 估 计 和 Turbo 均 衡。 上 述 方
法均基于 数 据 报 文 信 号 实 现 盲 均 衡, 在 信 噪 比 低
时,受噪声影响严重,难以获得准确的信道估计,导
致提供给 Turbo 均衡的初始信息十分有限,造 成 通
信的可靠性不佳。
本文利用水声通信的结构化信息,提出一种基
can obtain more accurate channel estimation at low SNR. With turbo equalization which iterates
equalization and decoding, the reliability of MPSK underwater acoustic communication is further
中图分类号:TN911. 5 文献标识码:A
文章编号:1671-0673( 2021) 02-0129-07
Blind Turbo Equalization Method for Underwater Acoustic MPSK
Signal Based on LFM Signal Channel Estimation
Turbo 均衡相 结 合 的 水 声 信 号 均 衡 方 法, 文 献 [ 3]
采用的多 通 道 时 频 域 双 向 Turbo 均 衡 方 法, 文 献
[ 4] 采用的嵌入稀疏贝叶斯学习算法的 Turbo 均衡
方法 等。 上 述 研 究 成 果 都 是 合 作 通 信 中 的 信 道
首先,发送方按照通信双方约定的相关参数发
于线性调频 ( Linear Frequency Modulation,LFM ) 信
号 信 道 估 计 的 多 进 制 相 移 键 控 ( Multiple Phase
Shift Keying,MPSK) 盲 Turbo 均 衡 方 法, 提 高 通 信
形函数;x k 是第 k 个 调 制 符 号,可 以 表 示 为 e
助处理,但是在非 合 作 接 收 中,或 者 缺 乏 有 效 的 训
练序列辅助的条 件 下,上 述 方 法 失 效,需 要 利 用 盲
Turbo 均衡方法。 迄 今,公 开 文 献 中 鲜 有 关 于 水 声
通信信道盲 Turbo 均衡的研究成果。
盲 Turbo 均衡 技 术 在 无 线 电 通 信 中 已 有 一 些
the key parameter of soft interference cancellation MMSE ( SIC-MMSE ) equalizer. Then the blind
turbo equalization of MPSK signal is performed by turbo iteration. Compared with traditional turbo
波水声通 信 的 可 靠 性, 在 有 训 练 序 列 辅 助 的 条 件
图 1 水声通信信号结构图
下,人们 提 出 了 一 些 水 声 通 信 信 道 Turbo 均 衡 方
法 [ 2-4] ,比如 文 献 [ 2] 提 出 的 最 小 均 方 误 差 ( Minimum Mean Squared Error, MMSE ) 频 域 均 衡 与 时 域
研究成果 [ 5-7] ,文 献 [ 5] 利 用 一 种 基 于 Monte Carlo
图 2 水声通信信号时频图
计算思想的 Gibbs 样 本 法 来 计 算 未 知 信 道 与 发 送
LFM 信号的表达式 [ 8] :
比特的后验概 率,并 将 此 作 为 软 输 入 软 输 出 ( Softinput Soft-output, SISO ) 盲 均 衡 方 法 用 于 Turbo 均
道盲估计的水声 MPSK 信号的盲 Turbo 均 衡 方 法。 该 方 法 利 用 水 声 通 信 的 前 导 LFM 信 号 进
行信道参数盲估 计,估 计 结 果 作 为 软 干 扰 抵 消 的 最 小 均 方 误 差 ( Soft Interference Cancellation
MMSE,SIC-MMSE) 均 衡 器 的 关 键 参 数,通 过 Turbo 迭 代 实 现 对 MPSK 信 号 盲 Turbo 均 衡。 与
( 3)
y MPSK ( t) = x MPSK ( t) h( t) + n( t)
( 5)
y Interval ( t) = n( t)
( 4)
式中:y( t) 为接收信号;x( t) 为发射信号;h( t) 为水
声信道冲激响应;n( t) 为高斯白噪声。 h( t) 可表示
为
N h- 1
h( t) = A 0 δ( t) + ∑ A i δ( t - τ i )
i=1
( 6)
式中:δ( t) 为 冲 激 函 数; N h 为 水 声 多 途 信 道 路 径
数;A i ( i = 0,1,…,N h - 1) 为 各 条 路 径 的 增 益;τ i ( i =
0,1,2,…,N h - 1) 为不同路径的延时。
传统 Turbo 盲均衡算法相比,该方法充分利用了水声通信的结构特点,在低信噪比时可以获得
较为准确的信道估计值,适用于非合作通信。 借助 Turbo 均衡迭代均衡和译码过程,进一步提
升了 MPSK 水声通信的可靠性。 仿真实验结果验证了方法的有效性。
关键词:水声通信; 信道盲估计; 盲 Turbo 均衡
j
2π( m - 1)
4
为保证数据报 文 MPSK 信 号 的 可 靠 传 输 和 避
免离散信道上的突发错误,发射端先将二进制数据
流 a k ( k = 0,1, …, MK - 1) 输 入 编 码 器 得 到 二 进 制
编码序列 b k ( k = 0,1,…,MN - 1) ,编 码 率 为 R = K /
blind equalization algorithms, this method makes full use of the structural characteristics of
underwater acoustic communication. It is suitable for non-cooperative communication. Furthermore,it
Key words:underwater acoustic communication; blind channel estimation; blind turbo equalization
收稿日期:2020-11-09;修回日期:2020-12-21
基金项目:国家自然科学基金计划资助项目( 61602511)
作者简介:郭 悦( 1993-) ,女,硕士生,主要研究方向为水声通信信号分析与处理。
130
2021 年
信 息 工 程 大 学 学 报
由于水声信道具有稀疏多径的特点,水声通信
GUO Yue,WANG Bin,MENG Yuting
( Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China)
Abstract: To improve the channel distortion compensation ability in blind demodulation of
第 22 卷第 2 期
2021 年 4 月
信 息 工 程 大 学 学 报
Journal of Information Engineering University
Vol. 22 No. 2
Apr. 2021
DOI:10. 3969 / j. issn. 1671-0673. 2021. 02. 001
协作通信水声通信通常采用 LFM 信号作为前
图 3 发射端系统模型
考虑高斯白噪声和水声稀疏信道的影响,接收
到的 LFM 信 号、保 护 间 隔 和 MPSK 信 号 可 分 别 表
示为
第2期
131
郭 悦,等:基于 LFM 信号信道估计的水声 MPSK 信号盲 Turbo 均衡方法
y LFM ( t) = x LFM ( t) h( t) + n( t)
信号在传输过程中产生严重的码间串扰,给接收端
的解调带来困 难。 为 了 克 服 水 声 稀 疏 多 径 信 道 的
导信号,用 来 实 现 合 作 通 信 双 方 的 同 步 和 信 道 估
计,水声通信信号结构如图 1 所示。
影响,近年来人们越来越多地探索利用 Turbo 信 道
均衡方法来减弱 水 声 信 道 的 影 响 [ 1] 。 为 提 升 单 载
衡。 该方法存在时延模糊与相位模糊的问题,并且
当信道响应存在逼 近 单 位 元 的 零 点 时 收 敛 比 较 困
难。 文献[ 6] 借 助 超 指 数 均 衡 算 法 作 为 初 始 盲 均
x LFM ( t) = Ae
( 1)
式中:f 0 为初始频 率;μ 0 为 斜 率;A 为 信 号 幅 度;φ 0
underwater acoustic multiple phase shift keying ( MPSK) signal,a blind Turbo equalization method
of underwater acoustic MPSK signal is proposed, utilizing underwater linear frequency modulation
送 LFM 信号,然后经过一段时间间隔,发送方发送
数据报文,数据报文的调制方式根据通信双方的约
定设置,常采 用 PSK 调 制。 图 2 是 以 数 据 报 文 为
正交相移键 控 ( Quadrature PSK,QPSK) 调 制 为 例,
给出了通信过程的时频图。
Turbo 均衡技术,需要 借 助 已 知 的 先 验 训 练 序 列 辅
基于 LFM 信号信道估计的水声 MPSK
信号盲 Turbo 均衡方法
郭 悦,王 彬,孟钰婷
( 信息工程大学,河南 郑州 450001)
摘要:为提高水声多进制相移键控( Multiple Phase Shift Keying,MPSK) 信号盲解调过程中的信
道失真补偿能力,提出一种利用水声线性调频( Linear Frequency Modulation,LFM) 信号 进 行 信
( LFM) signal for blind channel estimation. First,LFM signal ( the preamble of underwater acoustic
communication) is used for blind channel parameter estimation,and the estimation result is taken as
( 2)
l = -∞
在高信噪比下效果显著。 文献[ 7] 在文献[ 6] 的基
式中:T 0 为 符 号 周 期; f c 为 载 波 频 率; g r 为 脉 冲 成
盲分离、解调和译 码 方 案,利 用 混 合 信 号 超 指 数 盲
( m = 0,1,2,…,M - 1) 。
础上提出一 种 基 于 Turbo 均 衡 的 单 通 道 混 合 信 号
为初始相位。
MPSK 信号的表达式 [ 9] :
衡来实现盲 Turbo 均衡。 但是,超指数均 衡 器 在 低
信噪比下为后续迭代提供的先验信息十分有限,仅
2
( jφ 0 + j2πf 0 t+ jπμ 0 t )
x MPSK ( t) = Ae
( jφ 0 + j2πf c t)
∞
∑ x k g r ( t - kT 0 )
N。 然后将序列 b k 输 入 交 织 器 获 得 重 新 排 序 的 新
二进制序列 c k ( k = 0,1,…,MN - 1) ,再 将 c k 送 入 映
射器得到调制符号 x k ( k = 0,1,…,N - 1 ) 。 发 射 端
系统模型如图 3 所示。
的可靠性。
1 水声通信信号模型
均衡算法 来 启 动 信 道 估 计 和 Turbo 均 衡。 上 述 方
法均基于 数 据 报 文 信 号 实 现 盲 均 衡, 在 信 噪 比 低
时,受噪声影响严重,难以获得准确的信道估计,导
致提供给 Turbo 均衡的初始信息十分有限,造 成 通
信的可靠性不佳。
本文利用水声通信的结构化信息,提出一种基
can obtain more accurate channel estimation at low SNR. With turbo equalization which iterates
equalization and decoding, the reliability of MPSK underwater acoustic communication is further
中图分类号:TN911. 5 文献标识码:A
文章编号:1671-0673( 2021) 02-0129-07
Blind Turbo Equalization Method for Underwater Acoustic MPSK
Signal Based on LFM Signal Channel Estimation
Turbo 均衡相 结 合 的 水 声 信 号 均 衡 方 法, 文 献 [ 3]
采用的多 通 道 时 频 域 双 向 Turbo 均 衡 方 法, 文 献
[ 4] 采用的嵌入稀疏贝叶斯学习算法的 Turbo 均衡
方法 等。 上 述 研 究 成 果 都 是 合 作 通 信 中 的 信 道
首先,发送方按照通信双方约定的相关参数发
于线性调频 ( Linear Frequency Modulation,LFM ) 信
号 信 道 估 计 的 多 进 制 相 移 键 控 ( Multiple Phase
Shift Keying,MPSK) 盲 Turbo 均 衡 方 法, 提 高 通 信
形函数;x k 是第 k 个 调 制 符 号,可 以 表 示 为 e
助处理,但是在非 合 作 接 收 中,或 者 缺 乏 有 效 的 训
练序列辅助的条 件 下,上 述 方 法 失 效,需 要 利 用 盲
Turbo 均衡方法。 迄 今,公 开 文 献 中 鲜 有 关 于 水 声
通信信道盲 Turbo 均衡的研究成果。
盲 Turbo 均衡 技 术 在 无 线 电 通 信 中 已 有 一 些
the key parameter of soft interference cancellation MMSE ( SIC-MMSE ) equalizer. Then the blind
turbo equalization of MPSK signal is performed by turbo iteration. Compared with traditional turbo
波水声通 信 的 可 靠 性, 在 有 训 练 序 列 辅 助 的 条 件
图 1 水声通信信号结构图
下,人们 提 出 了 一 些 水 声 通 信 信 道 Turbo 均 衡 方
法 [ 2-4] ,比如 文 献 [ 2] 提 出 的 最 小 均 方 误 差 ( Minimum Mean Squared Error, MMSE ) 频 域 均 衡 与 时 域
研究成果 [ 5-7] ,文 献 [ 5] 利 用 一 种 基 于 Monte Carlo
图 2 水声通信信号时频图
计算思想的 Gibbs 样 本 法 来 计 算 未 知 信 道 与 发 送
LFM 信号的表达式 [ 8] :
比特的后验概 率,并 将 此 作 为 软 输 入 软 输 出 ( Softinput Soft-output, SISO ) 盲 均 衡 方 法 用 于 Turbo 均
道盲估计的水声 MPSK 信号的盲 Turbo 均 衡 方 法。 该 方 法 利 用 水 声 通 信 的 前 导 LFM 信 号 进
行信道参数盲估 计,估 计 结 果 作 为 软 干 扰 抵 消 的 最 小 均 方 误 差 ( Soft Interference Cancellation
MMSE,SIC-MMSE) 均 衡 器 的 关 键 参 数,通 过 Turbo 迭 代 实 现 对 MPSK 信 号 盲 Turbo 均 衡。 与
( 3)
y MPSK ( t) = x MPSK ( t) h( t) + n( t)
( 5)
y Interval ( t) = n( t)
( 4)
式中:y( t) 为接收信号;x( t) 为发射信号;h( t) 为水
声信道冲激响应;n( t) 为高斯白噪声。 h( t) 可表示
为
N h- 1
h( t) = A 0 δ( t) + ∑ A i δ( t - τ i )
i=1
( 6)
式中:δ( t) 为 冲 激 函 数; N h 为 水 声 多 途 信 道 路 径
数;A i ( i = 0,1,…,N h - 1) 为 各 条 路 径 的 增 益;τ i ( i =
0,1,2,…,N h - 1) 为不同路径的延时。
传统 Turbo 盲均衡算法相比,该方法充分利用了水声通信的结构特点,在低信噪比时可以获得
较为准确的信道估计值,适用于非合作通信。 借助 Turbo 均衡迭代均衡和译码过程,进一步提
升了 MPSK 水声通信的可靠性。 仿真实验结果验证了方法的有效性。
关键词:水声通信; 信道盲估计; 盲 Turbo 均衡
j
2π( m - 1)
4
为保证数据报 文 MPSK 信 号 的 可 靠 传 输 和 避
免离散信道上的突发错误,发射端先将二进制数据
流 a k ( k = 0,1, …, MK - 1) 输 入 编 码 器 得 到 二 进 制
编码序列 b k ( k = 0,1,…,MN - 1) ,编 码 率 为 R = K /
blind equalization algorithms, this method makes full use of the structural characteristics of
underwater acoustic communication. It is suitable for non-cooperative communication. Furthermore,it