水聲高速ofdm通信的多普勒擴(kuò)展處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法，該方法由以下三大模塊組成，包括多普勒估計(jì)與補(bǔ)償模塊、基于壓縮感知的信道估計(jì)模塊和部分快速傅里葉變換解調(diào)模塊，其核心是部分快速傅里葉變換解調(diào)模塊，其余兩個(gè)模塊的輸出作為部分快速傅里葉變換的輸入。本發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)的OFDM解調(diào)方式，首次采用部分傅里葉變換作為一種解調(diào)方式，解調(diào)的過程中能夠消除部分多普勒擴(kuò)展；通過兩次對多普勒擴(kuò)展進(jìn)行處理，能將多普勒擴(kuò)展對信號的影響降低至一個(gè)比較低的范圍，尤其對于快速變化的水聲信道具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，因此對多普勒擴(kuò)展具有較高的處理性能。
【專利說明】水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高速OFDM水聲通信接收機(jī)中針對多普勒擴(kuò)展的處理方法，屬于水聲通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著在海洋中的活動(dòng)越來越頻繁，人們對水聲通信速率的要求越來越高。正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)以其較高的頻帶利用率、低復(fù)雜性成為高速率水聲通信的首選技術(shù)。相較于陸上無線電信道，水下聲信道可用的信道帶寬頻率較低且水聲聲速不高(約1500m/S)。當(dāng)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間即使存在很小的相對運(yùn)動(dòng)，都會(huì)引起較大的多普勒頻移，將在OFDM系統(tǒng)接收端引起嚴(yán)重的子載波間干擾(Inter-Carrier Interference, ICI),導(dǎo)致解調(diào)器性能惡化，甚至不能正確解調(diào)。因此，OFDM高速移動(dòng)水聲通信技術(shù)的關(guān)鍵就是如何采取有效方法降低多普勒擴(kuò)展引起的子載波間干擾。
[0003]當(dāng)前，水聲通信中主要采取以下三類方法來降低多普勒擴(kuò)展引起的子載波間干擾:
[0004]1.均衡的方法。該類方法主要使用時(shí)域或頻域均衡，比如自適應(yīng)均衡器、判決反饋均衡器(DFE)，通過采用一定的均衡算法來對抗多普勒擴(kuò)展，降低子載波間干擾。這類方法對于符號間干擾比較有效，但是對于子載波間干擾，僅適合小多普勒頻移下的高速水聲通信或非相干水聲通信，對于高速OFDM水聲通信，復(fù)雜性較高。
[0005]2.基于發(fā)送端處理的方法。這類方法通過組織發(fā)送端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、改變子載波映射方式等消除子載波間干擾，比如自消除方法、編碼算法等，采用這些方法的頻帶利用率比一般的OFDM要低，除導(dǎo)頻及訓(xùn)練序列外，需要占用額外的帶寬。
[0006]3.基于估計(jì)與補(bǔ)償?shù)姆椒?。這類方法通過降低多普勒擴(kuò)展對信號的影響來消除子載波間干擾，也是目前應(yīng)用最為廣泛的方法。它的思想是:首先估計(jì)多普勒因子，然后根據(jù)此多普勒因子對接收信號進(jìn)行重采樣，最后再進(jìn)行解調(diào)。相較于前面兩類方法，這類方法效果比較好，但是當(dāng)信道快速變化時(shí)(比如收發(fā)機(jī)之間的相對運(yùn)動(dòng)速度較大)，該方法會(huì)導(dǎo)致多普勒殘余過大，因此解調(diào)后的效果也較差。
[0007]上述三類現(xiàn)有技術(shù)方法的效果均不理想，尤其是對于高速OFDM水聲通信存在多普勒殘余量過大的問題，因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)的多普勒擴(kuò)展處理方法，將多普勒擴(kuò)展對信號的影響降到最低限度，以降低OFDM系統(tǒng)中的子載波間干擾，提高水聲通信接收機(jī)的處理性能是值得研究的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法，針對水聲信道的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)多普勒估計(jì)與補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)之上，提出一種能有效降低多普勒擴(kuò)展的處理方法，以適合于快速變化的水聲信道，同時(shí)又適當(dāng)?shù)亟档蛷?fù)雜度。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):[0010]一種水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法，包括:
[0011]I)對接收機(jī)接收到的信號進(jìn)行第一次多普勒擴(kuò)展處理，即進(jìn)行多普勒估計(jì)與補(bǔ)償，具體包括如下步驟:
[0012]步驟Sl-1:輸入信號首先進(jìn)入帶通濾波器BPF，濾除帶外噪聲；
[0013]步驟S1-2:進(jìn)行符號和頻率同步；
[0014]步驟S1-3:對經(jīng)過上述步驟處理的信號進(jìn)行下變頻得到對應(yīng)的基帶版本信號；
[0015]步驟S1-4:估計(jì)多普勒因子a，得到多普勒因子的估計(jì)值?;
[0016]步驟S1-5:對步驟S1-3產(chǎn)生的基帶信號以I+ 6進(jìn)行重采樣；
[0017]步驟S1-6:估計(jì)出相位頻移因子 且
[0018]步驟S1-7:對步驟S1-5產(chǎn)生的重采樣后的信號進(jìn)行相位因子補(bǔ)償?shù)玫阶罱K的輸出信號
[0019]2)將多普勒估計(jì)與補(bǔ)償后的信號視為多徑信號，利用壓縮感知進(jìn)行信道估計(jì)，具體包括如下步驟:
[0020]步驟S2-1:根據(jù)輸入信號HO和收發(fā)兩端均已知的由導(dǎo)頻符號構(gòu)成的對角矩陣
D,作矩陣乘法，生成超完備字典DW ；
[0021]步驟S2-2:對導(dǎo)頻符號`進(jìn)行解調(diào)，得到觀測矩陣ζ ；
[0022]步驟S2-3:已知步驟S2-2的觀測向量ζ，利用步驟S2_l生成的超完備字典去感知信道，采用重構(gòu)算法求得所有可能的信道增益組成的向量a，再進(jìn)一步求出導(dǎo)頻處的信道響應(yīng)h ;
[0023]步驟S2-4:由導(dǎo)頻處的信道響應(yīng)h，通過插值算法求得整個(gè)符號持續(xù)時(shí)間內(nèi)的信道響應(yīng)H1U)；
[0024]步驟S2-5:對氏(0進(jìn)行定時(shí)抽樣，得到部分快速傅里葉變換每個(gè)子區(qū)間中點(diǎn)處的信道響應(yīng)Hk ；
[0025]3)將每個(gè)OFDM符號區(qū)間劃分為多個(gè)子區(qū)間分別進(jìn)行快速傅里葉變換，再用最優(yōu)權(quán)值向量把每個(gè)子區(qū)間的輸出結(jié)果合并，得到所需輸出信號，具體包括如下步驟:
[0026]步驟S3-1:輸入第一次多普勒擴(kuò)展處理后的信號/.(/；)，用不同的矩形窗和輸入信
號相乘，得到不同的子區(qū)間信號，對每個(gè)子區(qū)間的信號執(zhí)行快速傅里葉變換，得到子區(qū)間輸出向量Yk ;
[0027]步驟S3-2:求yk的自相關(guān)，并計(jì)算f:
[0028]步驟S3-3:由步驟S3-2的結(jié)果，加上信道估計(jì)模塊輸出的Hk，得到最優(yōu)權(quán)值向量wf ;步驟S3-2、S3-3 —旦確定了最優(yōu)權(quán)值模塊，接收機(jī)將反復(fù)執(zhí)行步驟S3-4，而不再執(zhí)行S3-2、S3-3這兩個(gè)步驟；
[0029]步驟S3-4:利用最優(yōu)權(quán)值向量對步驟S3-1的輸出信號進(jìn)行加權(quán)合并，產(chǎn)生輸出結(jié)果Xko
[0030]本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn):
[0031]前述水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法，其中步驟S2-3所述的重構(gòu)算法為匹配追蹤算法，或者是正交匹配追蹤算法，或者是壓縮采樣匹配追蹤算法。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:1.改進(jìn)了傳統(tǒng)的OFDM解調(diào)方式，首次采用部分傅里葉變換作為一種解調(diào)方式，解調(diào)的過程中能夠消除部分多普勒擴(kuò)展，可謂一舉兩得；2.通過兩次對多普勒擴(kuò)展進(jìn)行處理，能將多普勒擴(kuò)展對信號的影響降低至一個(gè)比較低的范圍，尤其對于快速變化的水聲信道具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，因此對多普勒擴(kuò)展具有較高的處理性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為多普勒擴(kuò)展處理方法總體框圖；
[0034]圖2為多普勒估計(jì)與補(bǔ)償模塊框圖；
[0035]圖3為基于壓縮感知(CS)的信道估計(jì)模塊框圖；
[0036]圖4為Partial FFT解調(diào)原理說明示意圖；
[0037]圖5為Partial FFT解調(diào)模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]在本發(fā)明中，所述OFDM和水聲信道的數(shù)學(xué)模型如下所述。
[0039]1.0FDM數(shù)學(xué)模型
[0040]設(shè)OFDM子載波個(gè)數(shù)為K，第k個(gè)子載波的頻率為fk = fe+kAf，其中Af= 1/T，為子載波間隔，T為OFDM符號持續(xù)時(shí)間，fc為載波頻率，則發(fā)送端的發(fā)射信號可表示為:`_] 外) = Re{e/2^|,/e[0,r](I)
[0042]其中s[k]為發(fā)送端要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號,里面包含要傳輸?shù)男畔⒎?也有用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號；q(t) =T，表示傅里葉積分部分；另外，為方便敘述，(I)式中略去了發(fā)送信號所必須的保護(hù)間隔及循環(huán)前綴部分。
[0043]2.水聲信道數(shù)學(xué)模型
[0044]對于收發(fā)兩端存在相對運(yùn)動(dòng)的高速水聲通信，其信道模型可等效為一個(gè)線性時(shí)變?yōu)V波器，時(shí)變沖激響應(yīng)可表示為
[0045]
HrA 二 Σ MiM7r-tA))⑵
[0046]它表示信道在t-τ時(shí)刻加入沖激而在t時(shí)刻的響應(yīng)，其中L為多徑條數(shù)，A1W為第I條路徑的衰落，T1U)為第I條路徑的時(shí)延。
[0047]由于OFDM是以一個(gè)符號持續(xù)時(shí)間T為單位進(jìn)行解調(diào)，因此時(shí)間T內(nèi)A1⑴可視為常數(shù)，每條路徑的多普勒因子可視為相同，于是有下面的關(guān)系:
[0048]A1 (t) ^ A1, τ χ (t) = τ -at(3)
[0049]其中a = v/c，稱為多普勒因子，v, c分別為收發(fā)機(jī)之間的徑向相對運(yùn)動(dòng)速度和聲波在水中的傳播速度。
[0050]3.接收信號[0051]由1、2發(fā)送信號及信道數(shù)學(xué)表示，將(3)式代入(2)式并與(I)式作卷積，可得接收信號為:
【權(quán)利要求】
1.一種水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法，其特征在于，包括: 1)對接收機(jī)接收到的信號進(jìn)行第一次多普勒擴(kuò)展處理，即進(jìn)行多普勒估計(jì)與補(bǔ)償，具體包括如下步驟: 步驟Sl-1:輸入信號辟/)首先進(jìn)入帶通濾波器BPF，濾除帶外噪聲； 步驟S1-2:進(jìn)行符號和頻率同步； 步驟S1-3:對經(jīng)過上述步驟處理的信號進(jìn)行下變頻得到對應(yīng)的基帶版本信號； 步驟S1-4:估計(jì)多普勒因子a，得到多普勒因子的估計(jì)值I 步驟S1-5:對步驟S1-3產(chǎn)生的基帶信號以1 + 3進(jìn)行重采樣； 步驟S1-6:估計(jì)出相位頻移因子S，且S 步驟S1-7:對步驟S1-5產(chǎn)生的重采樣后的信號進(jìn)行相位因子補(bǔ)償?shù)玫阶罱K的輸出信號廠(小 2)將多普勒估計(jì)與補(bǔ)償后的信號視為多徑信號，利用壓縮感知進(jìn)行信道估計(jì)，具體包括如下步驟: 步驟S2-1:根據(jù)輸入信號和收發(fā)兩端均已知的由導(dǎo)頻符號構(gòu)成的對角矩陣D，作矩陣乘法，生成超完備字典DW ； 步驟S2-2:對導(dǎo)頻符號進(jìn)行解調(diào)，得到觀測矩陣z ； 步驟S2-3:已知步驟S2-2的觀測向量z，利用步驟S2-1生成的超完備字典去感知信道，采用重構(gòu)算法求得所有可能的信道增益組成的向量a，再進(jìn)一步求出導(dǎo)頻處的信道響應(yīng)h ； 步驟S2-4:由導(dǎo)頻處的信道響應(yīng)h，通過插值算法求得整個(gè)符號持續(xù)時(shí)間內(nèi)的信道響M H1(t)； 步驟S2-5:對氏(0進(jìn)行定時(shí)抽樣，得到部分快速傅里葉變換每個(gè)子區(qū)間中點(diǎn)處的信道響應(yīng)Hk ； 3)將每個(gè)OFDM符號區(qū)間劃分為多個(gè)子區(qū)間分別進(jìn)行快速傅里葉變換，再用最優(yōu)權(quán)值向量把每個(gè)子區(qū)間的輸出結(jié)果合并，得到所需輸出信號，具體包括如下步驟: 步驟S3-1:輸入第一次多普勒擴(kuò)展處理后的信號HO，用不同的矩形窗和輸入信號相乘，得到不同的子區(qū)間信號，對每個(gè)子區(qū)間的信號執(zhí)行快速傅里葉變換，得到子區(qū)間輸出向量Yk ； 步驟S3-2:求yk的自相關(guān)并計(jì)算; 步驟S3-3:由步驟S3-2的結(jié)果，加上信道估計(jì)模塊輸出的Hk，得到最優(yōu)權(quán)值向量wf;步驟S3-2、S3-3 —旦確定了最優(yōu)權(quán)值模塊，接收機(jī)將反復(fù)執(zhí)行步驟S3-4，而不再執(zhí)行S3-2、S3-3這兩個(gè)步驟； 步驟S3-4:利用最優(yōu)權(quán)值向量對步驟S3-1的輸出信號進(jìn)行加權(quán)合并，產(chǎn)生輸出結(jié)果Xk°
2.如權(quán)利要求1所述的水聲高速OFDM通信的多普勒擴(kuò)展處理方法，其特征在于，所述步驟S2-3的重構(gòu)算法為匹配追蹤算法，或者是正交匹配追蹤算法，或者是壓縮采樣匹配追蹤算法。
【文檔編號】H04L27/26GK103491046SQ201310416303
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】王彪, 支志福, 朱志宇, 曾慶軍 申請人:江蘇科技大學(xué)