本發(fā)明涉及的是一種基于子載波能量的ofdm-mfsk水聲通信寬帶多普勒估計與補(bǔ)償方法，屬于水下通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在水聲通信中，信源和信宿之間的相對運(yùn)動會導(dǎo)致水聲通信系統(tǒng)受到嚴(yán)重的多普勒影響。在多載波水聲通信系統(tǒng)中，嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)直接使系統(tǒng)受到子載波間干擾以及子載波信噪比降低的影響，導(dǎo)致誤碼率增加。水聲信道的超寬帶特性，使得多載波系統(tǒng)的不同子載波的頻率偏移是非一致的，即寬帶多普勒效應(yīng)，故應(yīng)將多普勒因子作為主要參數(shù)進(jìn)行研究。

通常水聲通信系統(tǒng)采用發(fā)射已知的單頻信號通過估計頻率偏移來計算多普勒因子，但水聲信道嚴(yán)重的頻率選擇性使得單頻信號在使用中信噪比損失嚴(yán)重，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，同時為了獲得較高的估計精度，一般單頻信號較長，會降低系統(tǒng)的功率效率。也有學(xué)者提出在水聲通信系統(tǒng)一幀數(shù)據(jù)的首尾插入線性調(diào)頻信號(lfm)，通過測量發(fā)射信號時間上的壓縮與擴(kuò)展來估計整幀數(shù)據(jù)的平均多普勒因子，然而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射數(shù)據(jù)較長時，接收端必須存儲全部的一幀數(shù)據(jù)才能完成多普勒的補(bǔ)償，由此帶來較大的硬件存儲開銷和較長的通信時延，不利于系統(tǒng)的實際工程應(yīng)用，而且當(dāng)信道惡劣變化較快時，首尾線性調(diào)頻信號的相關(guān)峰最大值會出現(xiàn)在不同的多途路徑上，導(dǎo)致測時不準(zhǔn)，給多普勒估計結(jié)果帶來較大偏差。在無線電ofdm系統(tǒng)中，通過在發(fā)射數(shù)據(jù)中插入空子載波來實現(xiàn)多普勒的精確估計并得到了廣泛的研究，但該方法犧牲了固有子載波數(shù)量，對于相同帶寬條件下，ofdm-mfsk系統(tǒng)由于采用mfsk的映射方式，有效子載波的數(shù)量隨著調(diào)制數(shù)m的增加而減少，通信速率降低，若依然采用將空子載波插入的方法，ofdm-mfsk系統(tǒng)將會進(jìn)嚴(yán)重?fù)p失系統(tǒng)的通信速率。綜上所述，傳統(tǒng)的水下通信寬帶多普勒估計方法在使用中存在一定的問題，而本發(fā)明則可以有效避免上述問題，實現(xiàn)了水下ofdm-mfsk系統(tǒng)寬帶多普勒的穩(wěn)健高精度估計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于子載波能量的ofdm-mfsk水聲通信寬帶多普勒估計與補(bǔ)償方法，該方法有效實現(xiàn)了水下ofdm-mfsk通信系統(tǒng)中寬帶多普勒的精確估計與補(bǔ)償，解決了傳統(tǒng)多普勒估計方法在快變多途水聲信道應(yīng)用中存在穩(wěn)定性差、估計精度低的問題。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)發(fā)射端在同步信號與數(shù)據(jù)之間插入脈沖對信號；

(2)接收端首先對同步信號進(jìn)行檢測，截取脈沖對信號和數(shù)據(jù)，利用脈沖對信號對多普勒進(jìn)行粗估計，并完成多普勒初步補(bǔ)償；

(3)按照逐數(shù)據(jù)塊的方式，對數(shù)據(jù)中每個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解調(diào)估計出有效子載波位置，并將全部有效子載波處的能量和作為代價函數(shù)，按照假設(shè)的不同多普勒因子進(jìn)行搜索，以此獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的精細(xì)多普勒因子，并完成多普勒的細(xì)補(bǔ)償；

(4)最后進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的解調(diào)。

本發(fā)明的特點(diǎn)為：在通信系統(tǒng)發(fā)射端需要在同步信號與數(shù)據(jù)之間加入寬帶脈沖對信號；然后接收端利用寬帶脈沖對信號實現(xiàn)寬帶多普勒的穩(wěn)健粗估計，并對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行初步補(bǔ)償，殘余多普勒可以視為窄帶多普勒，即將系統(tǒng)的寬帶多普勒問題轉(zhuǎn)化為窄帶多普勒問題；接下來按照逐數(shù)據(jù)塊的方式，利用每個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊中固有的有效子載波能量，搜索實現(xiàn)殘余的窄帶多普勒精細(xì)估計和跟蹤；最后進(jìn)行全部接收數(shù)據(jù)的解調(diào)。

本發(fā)明的主要優(yōu)勢在于：(1)通過采用寬帶脈沖對信號實現(xiàn)了寬帶多普勒的穩(wěn)健估計，以此有效避免了單頻信號受多途衰落水聲信道的影響信噪比損失的問題，同時解決了首尾插入線性調(diào)頻信號(lfm)方法受時變多途水聲信道影響估計穩(wěn)定性差的問題，且脈沖對方法無需接收數(shù)據(jù)的長時間存儲，提高了通信的實時性；(2)現(xiàn)有的技術(shù)采用脈沖對算法可以有效提高多普勒的估計穩(wěn)定性，但由于受多途環(huán)境的影響，其估計精度與真實值存在一定的偏差(或者稱為殘余偏差)，而本發(fā)明提供的方法在脈沖對方法基礎(chǔ)上，利用每個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊固有的有效子載波，將有效子載波能量和作為代價函數(shù)，通過對不同多普勒因子進(jìn)行搜索來獲得逐個數(shù)據(jù)塊的精細(xì)多普勒估計，有效確保了多普勒因子的估計精度，實現(xiàn)了多普勒的跟蹤，彌補(bǔ)了脈沖對算法只能對瞬時多普勒進(jìn)行估計的缺點(diǎn)；(3)相比于傳統(tǒng)ofdm系統(tǒng)中的空子載波方法，本發(fā)明提供的方法采用的是每個數(shù)據(jù)塊中固有的子載波，并未插入空子載波，因此沒有犧牲系統(tǒng)原有的頻帶利用率和通信速率，所以提出的基于子載波能量的ofdm-mfsk水聲通信寬帶多普勒估計與補(bǔ)償方法可以在快變多途信道下實現(xiàn)穩(wěn)健高精度的寬帶多普勒估計與補(bǔ)償；(4)本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于基于循環(huán)前綴的ofdm-mfsk(cp-ofdm-mfsk)水聲通信系統(tǒng)，也可應(yīng)用于基于置零的ofdm-mfsk(zp-ofdm-mfsk)水聲通信系統(tǒng)中，具有良好的通用性。

附圖說明

圖1是ofdm-mfsk水聲通信系統(tǒng)發(fā)射幀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊的兩種實現(xiàn)方式示意圖；

圖3是ofdm-mfsk水聲通信系統(tǒng)接收端的多普勒處理流程圖；

圖4是有效子載波能量搜索示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明給出更詳細(xì)的說明。

1、首先在發(fā)射的一幀數(shù)據(jù)中加入寬帶脈沖對信號，具體使用的發(fā)射幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用線性調(diào)頻信號作為同步信號，采用的寬帶脈沖對由線性調(diào)頻信號(lfm)組成，最后是多個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊組成的數(shù)據(jù)。脈沖對與同步信號和數(shù)據(jù)之間要加入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔長度大于信道多途擴(kuò)展長度。每個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊為單個時域ofdm-mfsk符號加入循環(huán)前綴或者置零數(shù)據(jù)后的信號，圖2給出的是單個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊的兩種實現(xiàn)方式。

2、接收端的信號處理過程如圖3所示。首先對同步信號進(jìn)行檢測，截取脈沖對信號和數(shù)據(jù)。利用脈沖對信號實現(xiàn)寬帶多普勒粗估計，并完成多普勒初步補(bǔ)償。下面給出利用脈沖對信號實現(xiàn)寬帶多普勒粗估計的詳細(xì)過程：

假設(shè)發(fā)送單個脈沖序列的時域信號xn的復(fù)通帶等效信號為

sn＝xnexp(j2πftnts)(1)

其中，ft為發(fā)送載波頻率，ts為采樣間隔。

在接收端，若不考慮噪聲的影響，則復(fù)基帶等效信號為

rn＝xnexp(j2πfrnts)exp(-j2πftnts)＝xnexp(j2πδfnts)(2)

式中，fr為接收載波頻率，δf＝fr-ft為載波頻率偏移。

則兩個重復(fù)序列的復(fù)相關(guān)為

其中，d為這兩個重復(fù)序列這間的延時對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，即為單個脈沖序列的采樣點(diǎn)數(shù)。

因此，得到載波頻率偏移量

式中，∠rr為復(fù)相關(guān)函數(shù)計算出的相位，fs＝1/ts為采樣頻率，τ單個脈沖的持續(xù)時間。

兩個重復(fù)序列自相關(guān)函數(shù)的相位取值范圍∠rr∈(-π,+π)，因此測量頻偏頻率超過這個范圍將產(chǎn)生多普勒頻偏估計模糊的現(xiàn)象，故實際中需要根據(jù)載體的最大運(yùn)動速度，確定系統(tǒng)最大載波頻率偏移，進(jìn)而確定使用的單個脈沖的持續(xù)時間。由此，粗估計得到的多普勒因子ε1為

ε1＝δf/ft(5)

根據(jù)估計出的多普勒因子ε1，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，完成數(shù)據(jù)多普勒初步補(bǔ)償，新的采樣率fs′＝fs(1+ε1)。

3、經(jīng)過多普勒初步補(bǔ)償后，可以將系統(tǒng)寬帶多普勒問題轉(zhuǎn)化為窄帶多普勒問題。按照逐數(shù)據(jù)塊的方式，對數(shù)據(jù)中每個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解調(diào)，估計出有效子載波位置，并將全部有效子載波處的能量和作為代價函數(shù)，按照假設(shè)的不同多普勒因子進(jìn)行搜索，以此獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的精細(xì)多普勒因子，并完成多普勒的細(xì)補(bǔ)償。下面詳細(xì)給出單個ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊的多普勒因子精細(xì)估計過程：

假定經(jīng)過多普勒初步補(bǔ)償以后每個ofdm-mfsk符號的離散信號表達(dá)式為r＝[r1,r2,...,rn]。若對該符號進(jìn)行g(shù)次速度搜索，則第i(1≤i≤g)次搜索時得到的每個子載波的幅度為

式中，w為傅立葉變換矩陣，為含有多普勒因子的對角矩陣，n為dft點(diǎn)數(shù)，k為全部載波個數(shù)，()^t代表矩陣轉(zhuǎn)置,()^*代表矩陣共軛。

其中，t為一個ofdm-mfsk符號長度，為搜索時假定的多普勒因子，vi搜索時假定的相對運(yùn)動速度，c水下聲速。

將解調(diào)后的數(shù)據(jù)以m為一組進(jìn)行劃分，按照最大似然判決得到全部p＝k/m個有效子載波，并將全部有效子載波的能量求和，得到第i次多普勒因子搜索的能量和

其中，pm為第p組mfsk數(shù)據(jù)中的第m個元素。

圖4給出了利用傅立葉變換求解子載波能量和的示意圖，由圖可知當(dāng)設(shè)定的多普勒因子為真值時，可以獲得每個有效子載波能量的最大值，即子載波能量和的代價函數(shù)是關(guān)于假設(shè)多普勒因子的凸函數(shù)，搜索函數(shù)中最大值所對應(yīng)的多普勒因子即為估計值ε2，表達(dá)式如下：

4、由估計出的殘余窄帶多普勒因子ε2，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次重采樣，完成殘余多普勒的精細(xì)補(bǔ)償，最后完成數(shù)據(jù)的解調(diào)。