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(jì)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(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)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(hào)通過(guò)估計(jì)頻率偏移來(lái)計(jì)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(hào)在使用中信噪比損失嚴(yán)重，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，同時(shí)為了獲得較高的估計(jì)精度，一般單頻信號(hào)較長(zhǎng)，會(huì)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(hào)(lfm)，通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)時(shí)間上的壓縮與擴(kuò)展來(lái)估計(jì)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(zhǎng)時(shí)，接收端必須存儲(chǔ)全部的一幀數(shù)據(jù)才能完成多普勒的補(bǔ)償，由此帶來(lái)較大的硬件存儲(chǔ)開銷和較長(zhǎng)的通信時(shí)延，不利于系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用，而且當(dāng)信道惡劣變化較快時(shí)，首尾線性調(diào)頻信號(hào)的相關(guān)峰最大值會(huì)出現(xiàn)在不同的多途路徑上，導(dǎo)致測(cè)時(shí)不準(zhǔn)，給多普勒估計(jì)結(jié)果帶來(lái)較大偏差。在無(wú)線電ofdm系統(tǒng)中，通過(guò)在發(fā)射數(shù)據(jù)中插入空子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)多普勒的精確估計(jì)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(duì)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(huì)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(jì)方法在使用中存在一定的問(wèn)題，而本發(fā)明則可以有效避免上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了水下ofdm-mfsk系統(tǒng)寬帶多普勒的穩(wěn)健高精度估計(jì)。

技術(shù)實(shí)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(jì)與補(bǔ)償方法，該方法有效實(shí)現(xiàn)了水下ofdm-mfsk通信系統(tǒng)中寬帶多普勒的精確估計(jì)與補(bǔ)償，解決了傳統(tǒng)多普勒估計(jì)方法在快變多途水聲信道應(yīng)用中存在穩(wěn)定性差、估計(jì)精度低的問(wèn)題。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)發(fā)射端在同步信號(hào)與數(shù)據(jù)之間插入脈沖對(duì)信號(hào)；

(2)接收端首先對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，截取脈沖對(duì)信號(hào)和數(shù)據(jù)，利用脈沖對(duì)信號(hào)對(duì)多普勒進(jìn)行粗估計(jì)，并完成多普勒初步補(bǔ)償；

(3)按照逐數(shù)據(jù)塊的方式，對(duì)數(shù)據(jù)中每個(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解調(diào)估計(jì)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(jià)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(hào)與數(shù)據(jù)之間加入寬帶脈沖對(duì)信號(hào)；然后接收端利用寬帶脈沖對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬帶多普勒的穩(wěn)健粗估計(jì)，并對(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為窄帶多普勒問(wèn)題；接下來(lái)按照逐數(shù)據(jù)塊的方式，利用每個(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊中固有的有效子載波能量，搜索實(shí)現(xiàn)殘余的窄帶多普勒精細(xì)估計(jì)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(shì)在于：(1)通過(guò)采用寬帶脈沖對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了寬帶多普勒的穩(wěn)健估計(jì)，以此有效避免了單頻信號(hào)受多途衰落水聲信道的影響信噪比損失的問(wèn)題，同時(shí)解決了首尾插入線性調(diào)頻信號(hào)(lfm)方法受時(shí)變多途水聲信道影響估計(jì)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，且脈沖對(duì)方法無(wú)需接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，提高了通信的實(shí)時(shí)性；(2)現(xiàn)有的技術(shù)采用脈沖對(duì)算法可以有效提高多普勒的估計(jì)穩(wěn)定性，但由于受多途環(huán)境的影響，其估計(jì)精度與真實(shí)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(duì)方法基礎(chǔ)上，利用每個(gè)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(jià)函數(shù)，通過(guò)對(duì)不同多普勒因子進(jìn)行搜索來(lái)獲得逐個(gè)數(shù)據(jù)塊的精細(xì)多普勒估計(jì)，有效確保了多普勒因子的估計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)了多普勒的跟蹤，彌補(bǔ)了脈沖對(duì)算法只能對(duì)瞬時(shí)多普勒進(jìn)行估計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)塊中固有的子載波，并未插入空子載波，因此沒(méi)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(jì)與補(bǔ)償方法可以在快變多途信道下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健高精度的寬帶多普勒估計(jì)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(shuō)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(shí)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明給出更詳細(xì)的說(shuō)明。

1、首先在發(fā)射的一幀數(shù)據(jù)中加入寬帶脈沖對(duì)信號(hào)，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(hào)作為同步信號(hào)，采用的寬帶脈沖對(duì)由線性調(diào)頻信號(hào)(lfm)組成，最后是多個(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊組成的數(shù)據(jù)。脈沖對(duì)與同步信號(hào)和數(shù)據(jù)之間要加入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔長(zhǎng)度大于信道多途擴(kuò)展長(zhǎng)度。每個(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊為單個(gè)時(shí)域ofdm-mfsk符號(hào)加入循環(huán)前綴或者置零數(shù)據(jù)后的信號(hào)，圖2給出的是單個(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊的兩種實(shí)現(xiàn)方式。

2、接收端的信號(hào)處理過(guò)程如圖3所示。首先對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，截取脈沖對(duì)信號(hào)和數(shù)據(jù)。利用脈沖對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬帶多普勒粗估計(jì)，并完成多普勒初步補(bǔ)償。下面給出利用脈沖對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬帶多普勒粗估計(jì)的詳細(xì)過(guò)程：

假設(shè)發(fā)送單個(gè)脈沖序列的時(shí)域信號(hào)xn的復(fù)通帶等效信號(hào)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(hào)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(gè)重復(fù)序列的復(fù)相關(guān)為

其中，d為這兩個(gè)重復(fù)序列這間的延時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，即為單個(gè)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(jì)算出的相位，fs＝1/ts為采樣頻率，τ單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間。

兩個(gè)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(cè)量頻偏頻率超過(guò)這個(gè)范圍將產(chǎn)生多普勒頻偏估計(jì)模糊的現(xiàn)象，故實(shí)際中需要根據(jù)載體的最大運(yùn)動(dòng)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(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間。由此，粗估計(jì)得到的多普勒因子ε1為

ε1＝δf/ft(5)

根據(jù)估計(jì)出的多普勒因子ε1，對(duì)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(guò)多普勒初步補(bǔ)償后，可以將系統(tǒng)寬帶多普勒問(wèn)題轉(zhuǎn)化為窄帶多普勒問(wèn)題。按照逐數(shù)據(jù)塊的方式，對(duì)數(shù)據(jù)中每個(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解調(diào)，估計(jì)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(jià)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(gè)ofdm-mfsk數(shù)據(jù)塊的多普勒因子精細(xì)估計(jì)過(guò)程：

假定經(jīng)過(guò)多普勒初步補(bǔ)償以后每個(gè)ofdm-mfsk符號(hào)的離散信號(hào)表達(dá)式為r＝[r1,r2,...,rn]。若對(duì)該符號(hào)進(jìn)行g(shù)次速度搜索，則第i(1≤i≤g)次搜索時(shí)得到的每個(gè)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(duì)角矩陣，n為dft點(diǎn)數(shù)，k為全部載波個(gè)數(shù)，()^t代表矩陣轉(zhuǎn)置,()^*代表矩陣共軛。

其中，t為一個(gè)ofdm-mfsk符號(hào)長(zhǎng)度，為搜索時(shí)假定的多普勒因子，vi搜索時(shí)假定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)，可以獲得每個(gè)有效子載波能量的最大值，即子載波能量和的代價(jià)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(duì)應(yīng)的多普勒因子即為估計(jì)值ε2，表達(dá)式如下：

4、由估計(jì)出的殘余窄帶多普勒因子ε2，再對(duì)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)。