【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水聲通信，具體涉及一種基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法。
技術介紹
1、水聲通信在海洋探測、環境監測和水下設備控制等領域發揮著至關重要的作用。受水下聲波傳輸衰減吸收等特性影響，水聲通信帶寬是嚴重受限的，最小頻移鍵控(minimum?frequency?shift?keying，簡稱msk)信號作為一種特殊的連續相位調制(continuous?phase?modulation，簡稱cpm)技術，具有包絡恒定、相位連續、頻差最小、嚴格正交的特點，與傳統的調制信號相比可以獲得更好的帶寬效率。在水聲通信中，調制解調是實現水下信息傳輸的關鍵環節，而通過優化調制解調過程來降低誤碼率是提高通信可靠性的有效途徑。
2、水聲信道中的干擾問題也不容忽視，其中多途效應是導致信道干擾的主要因素之一。由于聲波在水下傳播時會受到反射、折射和散射的影響，信號會沿著不同路徑到達接收端，形成多徑效應。這些多徑干擾會導致嚴重的碼間干擾(inter-symbol?interference，簡稱isi)，進一步加劇了信道的不確定性和通信的復雜性。
3、目前，msk的解調方法主要依賴時域均衡和頻域均衡等技術，盡管這些基于均衡器的解調方法能夠在一定程度上提供良好的性能，但其實現過程較為復雜且計算開銷較大。在無線通信領域，在高斯白噪聲信道下，有研究嘗試將擴展卡爾曼濾波(extended?kalmanfilter，簡稱ekf)引入msk解調中。然而，水聲通信中的多徑效應遠比傳統無線信道復雜，這使得現有的基于擴展卡爾曼濾波的
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術缺陷，提出了一種基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法。
2、有鑒于此，本專利技術提出了一種基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，包括：
3、發射端發射包括信息序列和訓練序列的最小頻移鍵控調制信號；
4、接收端接收經過水聲通道傳輸的最小頻移鍵控調制信號，根據訓練序列進行信道估計，得到信道沖擊響應；將信道沖擊響應引入擴展卡爾曼濾波的觀測矩陣構建中，通過修正雅可比矩陣，形成結合信道信息的相位跟蹤模型，通過相位跟蹤模型，對接收信號的相位持續跟蹤，實現最小頻移鍵控解調。
5、優選的，所述發射端發射包括信息序列xa(n)和訓練序列xp(n)的最小頻移鍵控調制信號x(n)；其中，n表示時刻n；x[n]由需要跟蹤的變量和與的差值ω[n]構成的列向量組成，滿足下式：
6、
7、其中，t表示轉置。
8、優選的，所述訓練序列xp(n)為發射端和接收端均已知的序列。
9、優選的，所述根據訓練序列進行信道估計，得到信道沖擊響應，包括：
10、基于訓練序列xp[n]，使用最小二乘法進行估計，得到信道估計結果，即信道沖擊響應為：
11、
12、其中，xp為發射端發射的訓練序列，yp為接收端接收到的訓練序列，h表示共軛轉置。
13、優選的，所述擴展卡爾曼濾波的觀測矩陣為；
14、
15、其中，x[n]為發射端狀態向量，fc為中心頻率，是k時刻跟蹤變量，t[k]是k時刻的時間，其中n-lh+1≤k≤n-1，t[n]是n時刻的時間，是n時刻跟蹤的變量，h[n-k]是n-k時刻信道沖激響應，h[0]是0時刻信道沖激響應，lh是信道長度。
16、優選的，所述修正雅可比矩陣包括：
17、將觀測矩陣對狀態向量求偏導，得到雅可比矩陣h[n]|：
18、
19、其中，為跟蹤變量的一步預測值，也叫做先驗估計。
20、優選的，所述結合信道信息的相位跟蹤模型包括：
21、設置初始化條件為
22、根據擴展卡爾曼濾波的實現流程，預測方程滿足下式：
23、
24、其中，為狀態向量的先驗估計，p[n|n-1]為先驗誤差的協方差矩陣，為過程噪聲的協方差，g為過程噪聲系數，g＝[0?1]t，f為狀態轉移矩陣，表示為
25、
26、觀測方程更新為：
27、
28、p[n|n]＝(i-k[n]h[n])p[n|n-1]
29、其中，k[n]是卡爾曼增益，用于最小化估計誤差，觀測噪聲的協方差p[n|n]是更新后的誤差協方差矩陣，是對n時刻狀態的更新后的估計值，其中的第一個值即為估計的相位
30、優選的，所述對接收信號的相位持續跟蹤，實現最小頻移鍵控解調，包括：
31、在每個符號周期內，對估計的相位進行差分運算，根據相位變化的平均值進行符號判決：當相位變化的平均值大于0時，判定為符號“1”；當相位變化的平均值小于0時，則判定為符號“0”，從而實現最小頻移鍵控解調。
32、與現有技術相比，本專利技術的優勢在于：
33、1、增強抗干擾能力：本專利技術通過擴展卡爾曼濾波器(ekf)結合信道信息進行相位跟蹤，有效抑制了水聲通信中的多徑效應和碼間干擾，使系統在復雜水聲環境下具備更強的抗干擾能力，相對于傳統方法，在相同信噪比下誤碼率更低。
34、2、簡化系統設計：本專利技術無需引入復雜的均衡器，僅通過信道估計和相位跟蹤即可實現高精度解調，簡化了系統硬件和算法設計，降低了實現成本和計算復雜度。
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1.一種基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，包括：
2.根據權利要求1所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述發射端發射包括信息序列xa(n)和訓練序列xp(n)的最小頻移鍵控調制信號x(n)；其中，n表示時刻n；x[n]由需要跟蹤的變量和與的差值Ω[n]構成的列向量組成，滿足下式：
3.根據權利要求2所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述訓練序列xp(n)為發射端和接收端均已知的序列。
4.根據權利要求3所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述根據訓練序列進行信道估計，得到信道沖擊響應，包括：
5.根據權利要求4所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述擴展卡爾曼濾波的觀測矩陣為；
6.根據權利要求5所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述修正雅可比矩陣包括：
7.根據權利要求6所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其
8.根據權利要求7所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述對接收信號的相位持續跟蹤，實現最小頻移鍵控解調，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，包括：
2.根據權利要求1所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述發射端發射包括信息序列xa(n)和訓練序列xp(n)的最小頻移鍵控調制信號x(n)；其中，n表示時刻n；x[n]由需要跟蹤的變量和與的差值ω[n]構成的列向量組成，滿足下式：
3.根據權利要求2所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述訓練序列xp(n)為發射端和接收端均已知的序列。
4.根據權利要求3所述的基于擴展卡爾曼濾波的水聲通信最小頻移鍵控解調方法，其特征在于，所述根...
【專利技術屬性】
技術研發人員：林亦寧，張永霖，臺玉朋，汪俊，胡承昊，王海斌，
申請(專利權)人：中國科學院聲學研究所，
類型：發明
國別省市：
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