专利名称：一种基于时反和ofdm联合处理的水声通信装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种时反以及OFDM的水声通信装置及方法，属于水声通信技术领域。
背景技术：
从上世纪90年代中后期开始，就有人逐步将正交频分利用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称“OFDM”)技术应用于水声通信中，由于OFDM技术频谱利用率高，通信速率快，发射和接收硬件实现简单，现在OFDM通信已成为水声通信领域研究的热点。为了实现可靠通信，OFDM的保护间隔长度要求大于信道最大时延扩展长度，而水声信道的时延扩展较严重，因此降低了 OFDM水声通信的效率。现有的办法是提升 OFDM符号的长度，这虽然提升了通信效率，但是也减少了 OFDM符号的子载波频率间隔，在动态的水声信道中，增加了子载波间干扰(inter-carrier interference，简称“ICI”)，降低了通信可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中OFDM水声通信保护间隔较长、子载波间干扰较大的缺陷，提供一种基于时反和OFDM联合处理的水声通信装置及方法。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是本发明基于时反和OFDM联合处理的水声通信装置包括信号发射机，用于形成通信信号，所述通信信号包括线性调频信号和OFDM信号， 且在线性调频信号和OFDM信号之间插入有保护间隔，所述OFDM信号是通过将外部通信数据插入导频数据后经OFDM调制而成；功率放大器，用于将所述通信信号进行功率放大；发射换能器，用于将放大后的通信信号转化为声信号，并将声信号发射至水中；接收水听器阵，用于接收发射换能器发射至水中的声信号，并将所述声信号转换为电信号；信号接收机，用于将所述电信号转换为数字信号并存储；信号处理器，该信号处理器包括——宽带多普勒估计与补偿模块，用于对信号接收机存储的数字信号进行多普勒因子的估计和宽带多普勒补偿；——时反处理模块，用于对经过宽带多普勒补偿后的信号进行被动时反处理；—OFDM解调模块，用于对经过被动时反处理的信号进行OFDM解调；——信道估计与补偿模块，用于利用OFDM解调后的信号和采用最小二乘信道估计方法估计出水声信道的响应，以及消除水声信道对OFDM解调后的信号的影响；——频偏估计与补偿模块，用于对经过信道估计与补偿模块处理后的信号进行频偏估计和补偿。本发明利用以上装置进行时反和OFDM联合处理的水声通信方法包括如下步骤
1)信号发射机产生线性调频信号1 (i)，并在外部通信数据中插入导频数据而得到插有导频数据的通信数据X(k)，将插有导频数据的通信数据x(k)经OFDM调制成第一 OFDM信号s (j)，然后在线性调频信号1 (i)和OFDM信号s (j)之间插入保护间隔形成通信信号；其中i = l，2，…，I，I为线性调频信号的长度；k= 1，2，…，K，K为插有导频数据的通信数据x(k)的长度；j = l，2，…，J，J为OFDM信号s (j)的长度，I、K、J均为大于1 的正整数；2)所述通信信号经过功率放大器放大后发送到放置于水中的发射换能器；3)发射换能器将放大后的通信信号转化为声信号并发射至水中；4)利用放置于水中的接收水听器阵接收发射换能器发射至水中的声信号，并将所述声信号转换为电信号；5)信号接收机将接收水听器阵所转换的电信号转换为数字信号Y(n)并进行存储；6)信号处理器中的宽带多普勒估计与补偿模块先对所述数字信号Y(η)与线性调频信号l(i)进行相关运算，然后利用所述相关运算的结果估计出数字信号Y(n)中的所有相邻的两个线性调频信号之间的间隔时间T2，得到如式(1-1)所示的那多普勒因子α和式 (1-2)所示的插值因子D α = I-VT1(1-1)D=I+α(1-2)式(1-1)中，T1表示信号发射机产生的两个相邻的线性调频信号的间隔时间；然后，利用所述插值因子D对所述数字信号Υ(η)进行插值得到补偿后的信号 Y ；7)信号处理器中的时反处理模块利用线性调频信号1 (i)作为探测源，对所述补偿后的信号Y1 (η)在频域上进行被动时反处理得到第二 OFDM信号S1 (j)；8)信号处理器中的OFDM解调模块对所述第二 OFDM信号S1 (j)进行解调，得到解调后的通信数据X1 (k)；9)信号处理器中的信道估计与补偿模块利用所述插有导频数据的通信数据x(k) 中的导频数据I和所述解调后的通信数据X1 (k)中的导频位置的数据，在频域上利用最小二乘法对水声信道进行估计，获得如式(2-1)所示的导频位置处的信道响应的估计值
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权利要求
1.一种基于时反和OFDM联合处理的水声通信装置，其特征是，包括信号发射机，用于形成通信信号，所述通信信号包括线性调频信号和OFDM信号，且在线性调频信号和OFDM信号之间插入有保护间隔，所述OFDM信号是通过将外部通信数据插入导频数据后经OFDM调制而成。功率放大器，用于将所述通信信号进行功率放大；发射换能器，用于将放大后的通信信号转化为声信号，并将声信号发射至水中； 接收水听器阵，用于接收发射换能器发射至水中的声信号，并将所述声信号转换为电信号；信号接收机，用于将所述电信号转换为数字信号并存储； 信号处理器，该信号处理器包括——宽带多普勒估计与补偿模块，用于对信号接收机存储的数字信号进行多普勒因子的估计和宽带多普勒补偿；——时反处理模块，用于对经过宽带多普勒补偿后的信号进行被动时反处理； —OFDM解调模块，用于对经过被动时反处理的信号进行OFDM解调； ——信道估计与补偿模块，用于利用OFDM解调后的信号和采用最小二乘信道估计方法估计出水声信道的响应，以及消除水声信道对OFDM解调后的信号的影响；——频偏估计与补偿模块，用于对经过信道估计与补偿模块处理后的信号进行频偏估计和补偿。
2.一种利用权利要求1的装置进行时反和OFDM联合处理的水声通信方法，其特征在于包括如下步骤1)信号发射机产生线性调频信号l(i)，并在外部通信数据中插入导频数据而得到插有导频数据的通信数据χ (k)，将插有导频数据的通信数据χ (k)经OFDM调制成第一 OFDM信号s (j)，然后在线性调频信号1 (i)和OFDM信号s (j)之间插入保护间隔形成通信信号；其中i = l，2，…，I，I为线性调频信号的长度；k= 1，2，…，K，K为插有导频数据的通信数据x(k)的长度；j = 1,2,…，J，J为OFDM信号s (j)的长度，I、K、J均为大于1的正整数。2)所述通信信号经过功率放大器放大后发送到放置于水中的发射换能器；3)发射换能器将放大后的通信信号转化为声信号并发射至水中；4)利用放置于水中的接收水听器阵接收发射换能器发射至水中的声信号，并将所述声信号转换为电信号；5)信号接收机将接收水听器阵所转换的电信号转换为数字信号Y(η)并进行存储；6)信号处理器中的宽带多普勒估计与补偿模块先对所述数字信号Υ(η)与线性调频信号l(i)进行相关运算，然后利用所述相关运算的结果估计出数字信号Y(n)中的所有相邻的两个线性调频信号之间的间隔时间T2，得到如式(1-1)所示的那多普勒因子α和式 (1-2)所示的插值因子D α = I-T2A1(1-1)D = 1+α(1-2)式(1-1)中，T1表示信号发射机产生的两个相邻的线性调频信号的间隔时间； 然后，利用所述插值因子D对所述数字信号Υ(η)进行插值得到补偿后的信号Y1 (η)；7)信号处理器中的时反处理模块利用线性调频信号l(i)作为探测源，对所述补偿后的信号Y1 (η)在频域上进行被动时反处理得到第二 OFDM信号S1 (j)；8)信号处理器中的OFDM解调模块对所述第二OFDM信号S1 (j)进行解调，得到解调后的通信数据X1 (k)；9)信号处理器中的信道估计与补偿模块利用所述插有导频数据的通信数据x(k)中的导频数据\和所述解调后的通信数据X1GO中的导频位置的数据，在频域上利用最小二乘法对水声信道进行估计，获得如式(2-1)所示的导频位置处的信道响应的估计值 :
3.根据权利要求2所述的水声通信方法，其特征在于在步骤1)中，所述线性调频信号l(i)的时间长度和带宽的乘积大于100。
全文摘要
本发明公开了一种基于时反和OFDM联合处理的水声通信装置包括信号发射机、功率放大器、发射换能器、接收水听器阵、信号接收机和信号处理器，其中，信号处理器包括宽带多普勒估计与补偿模块、时反处理模块、OFDM解调模块、信道估计与补偿模块和频偏估计与补偿模块。本发明利用时反的空时聚焦特性，来消除信道的多径影响，时反可以缩短脉冲信道响应长度，从而减少OFDM符号保护间隔的长度，提高了通信效率；由于减少了保护间隔，OFDM符号长度也可以缩短，这样增大了子载波频率间隔。本发明方法可以减少子载波间干扰，进一步提升OFDM水声通信的可用速率。
文档编号H04L27/26GK102546511SQ20121000846
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者徐来贵, 潘翔 申请人:浙江大学