水声高速ofdm通信的多普勒扩展处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法，该方法由以下三大模块组成，包括多普勒估计与补偿模块、基于压缩感知的信道估计模块和部分快速傅里叶变换解调模块，其核心是部分快速傅里叶变换解调模块，其余两个模块的输出作为部分快速傅里叶变换的输入。本发明改进了传统的OFDM解调方式，首次采用部分傅里叶变换作为一种解调方式，解调的过程中能够消除部分多普勒扩展；通过两次对多普勒扩展进行处理，能将多普勒扩展对信号的影响降低至一个比较低的范围，尤其对于快速变化的水声信道具有更强的适应性，因此对多普勒扩展具有较高的处理性能。
【专利说明】水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高速OFDM水声通信接收机中针对多普勒扩展的处理方法，属于水声通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着在海洋中的活动越来越频繁，人们对水声通信速率的要求越来越高。正交频分复用技术(OFDM)以其较高的频带利用率、低复杂性成为高速率水声通信的首选技术。相较于陆上无线电信道，水下声信道可用的信道带宽频率较低且水声声速不高(约1500m/S)。当水下运动目标之间即使存在很小的相对运动，都会引起较大的多普勒频移，将在OFDM系统接收端引起严重的子载波间干扰(Inter-Carrier Interference, ICI),导致解调器性能恶化，甚至不能正确解调。因此，OFDM高速移动水声通信技术的关键就是如何采取有效方法降低多普勒扩展引起的子载波间干扰。
[0003]当前，水声通信中主要采取以下三类方法来降低多普勒扩展引起的子载波间干扰:
[0004]1.均衡的方法。该类方法主要使用时域或频域均衡，比如自适应均衡器、判决反馈均衡器(DFE)，通过采用一定的均衡算法来对抗多普勒扩展，降低子载波间干扰。这类方法对于符号间干扰比较有效，但是对于子载波间干扰，仅适合小多普勒频移下的高速水声通信或非相干水声通信，对于高速OFDM水声通信，复杂性较高。
[0005]2.基于发送端处理的方法。这类方法通过组织发送端数据结构、改变子载波映射方式等消除子载波间干扰，比如自消除方法、编码算法等，采用这些方法的频带利用率比一般的OFDM要低，除导频及训练序列外，需要占用额外的带宽。
[0006]3.基于估计与补偿的方法。这类方法通过降低多普勒扩展对信号的影响来消除子载波间干扰，也是目前应用最为广泛的方法。它的思想是:首先估计多普勒因子，然后根据此多普勒因子对接收信号进行重采样，最后再进行解调。相较于前面两类方法，这类方法效果比较好，但是当信道快速变化时(比如收发机之间的相对运动速度较大)，该方法会导致多普勒残余过大，因此解调后的效果也较差。
[0007]上述三类现有技术方法的效果均不理想，尤其是对于高速OFDM水声通信存在多普勒残余量过大的问题，因此，如何改进传统的多普勒扩展处理方法，将多普勒扩展对信号的影响降到最低限度，以降低OFDM系统中的子载波间干扰，提高水声通信接收机的处理性能是值得研究的问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法，针对水声信道的特点，在传统多普勒估计与补偿的基础之上，提出一种能有效降低多普勒扩展的处理方法，以适合于快速变化的水声信道，同时又适当地降低复杂度。
[0009]本发明的目的通过以下技术方案予以实现:[0010]一种水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法，包括:
[0011]I)对接收机接收到的信号进行第一次多普勒扩展处理，即进行多普勒估计与补偿，具体包括如下步骤:
[0012]步骤Sl-1:输入信号首先进入带通滤波器BPF，滤除带外噪声；
[0013]步骤S1-2:进行符号和频率同步；
[0014]步骤S1-3:对经过上述步骤处理的信号进行下变频得到对应的基带版本信号；
[0015]步骤S1-4:估计多普勒因子a，得到多普勒因子的估计值?;
[0016]步骤S1-5:对步骤S1-3产生的基带信号以I+ 6进行重采样；
[0017]步骤S1-6:估计出相位频移因子 且
[0018]步骤S1-7:对步骤S1-5产生的重采样后的信号进行相位因子补偿得到最终的输出信号
[0019]2)将多普勒估计与补偿后的信号视为多径信号，利用压缩感知进行信道估计，具体包括如下步骤:
[0020]步骤S2-1:根据输入信号HO和收发两端均已知的由导频符号构成的对角矩阵
D,作矩阵乘法，生成超完备字典DW ；
[0021]步骤S2-2:对导频符号`进行解调，得到观测矩阵ζ ；
[0022]步骤S2-3:已知步骤S2-2的观测向量ζ，利用步骤S2_l生成的超完备字典去感知信道，采用重构算法求得所有可能的信道增益组成的向量a，再进一步求出导频处的信道响应h ;
[0023]步骤S2-4:由导频处的信道响应h，通过插值算法求得整个符号持续时间内的信道响应H1U)；
[0024]步骤S2-5:对氏(0进行定时抽样，得到部分快速傅里叶变换每个子区间中点处的信道响应Hk ；
[0025]3)将每个OFDM符号区间划分为多个子区间分别进行快速傅里叶变换，再用最优权值向量把每个子区间的输出结果合并，得到所需输出信号，具体包括如下步骤:
[0026]步骤S3-1:输入第一次多普勒扩展处理后的信号/.(/；)，用不同的矩形窗和输入信
号相乘，得到不同的子区间信号，对每个子区间的信号执行快速傅里叶变换，得到子区间输出向量Yk ;
[0027]步骤S3-2:求yk的自相关，并计算f:
[0028]步骤S3-3:由步骤S3-2的结果，加上信道估计模块输出的Hk，得到最优权值向量wf ;步骤S3-2、S3-3 —旦确定了最优权值模块，接收机将反复执行步骤S3-4，而不再执行S3-2、S3-3这两个步骤；
[0029]步骤S3-4:利用最优权值向量对步骤S3-1的输出信号进行加权合并，产生输出结果Xko
[0030]本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现:
[0031]前述水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法，其中步骤S2-3所述的重构算法为匹配追踪算法，或者是正交匹配追踪算法，或者是压缩采样匹配追踪算法。
[0032]与现有技术相比，本发明的有益效果是:1.改进了传统的OFDM解调方式，首次采用部分傅里叶变换作为一种解调方式，解调的过程中能够消除部分多普勒扩展，可谓一举两得；2.通过两次对多普勒扩展进行处理，能将多普勒扩展对信号的影响降低至一个比较低的范围，尤其对于快速变化的水声信道具有更强的适应性，因此对多普勒扩展具有较高的处理性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为多普勒扩展处理方法总体框图；
[0034]图2为多普勒估计与补偿模块框图；
[0035]图3为基于压缩感知(CS)的信道估计模块框图；
[0036]图4为Partial FFT解调原理说明示意图；
[0037]图5为Partial FFT解调模块示意图。
【具体实施方式】
[0038]在本发明中，所述OFDM和水声信道的数学模型如下所述。
[0039]1.0FDM数学模型
[0040]设OFDM子载波个数为K，第k个子载波的频率为fk = fe+kAf，其中Af= 1/T，为子载波间隔，T为OFDM符号持续时间，fc为载波频率，则发送端的发射信号可表示为:`_] 外) = Re{e/2^|,/e[0,r](I)
[0042]其中s[k]为发送端要传输的数据符号,里面包含要传输的信息符号,也有用于信道估计的导频符号；q(t) =T，表示傅里叶积分部分；另外，为方便叙述，(I)式中略去了发送信号所必须的保护间隔及循环前缀部分。
[0043]2.水声信道数学模型
[0044]对于收发两端存在相对运动的高速水声通信，其信道模型可等效为一个线性时变滤波器，时变冲激响应可表示为
[0045]
HrA 二 Σ MiM7r-tA))⑵
[0046]它表示信道在t-τ时刻加入冲激而在t时刻的响应，其中L为多径条数，A1W为第I条路径的衰落，T1U)为第I条路径的时延。
[0047]由于OFDM是以一个符号持续时间T为单位进行解调，因此时间T内A1⑴可视为常数，每条路径的多普勒因子可视为相同，于是有下面的关系:
[0048]A1 (t) ^ A1, τ χ (t) = τ -at(3)
[0049]其中a = v/c，称为多普勒因子，v, c分别为收发机之间的径向相对运动速度和声波在水中的传播速度。
[0050]3.接收信号[0051]由1、2发送信号及信道数学表示，将(3)式代入(2)式并与(I)式作卷积，可得接收信号为:
【权利要求】
1.一种水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法，其特征在于，包括: 1)对接收机接收到的信号进行第一次多普勒扩展处理，即进行多普勒估计与补偿，具体包括如下步骤: 步骤Sl-1:输入信号辟/)首先进入带通滤波器BPF，滤除带外噪声； 步骤S1-2:进行符号和频率同步； 步骤S1-3:对经过上述步骤处理的信号进行下变频得到对应的基带版本信号； 步骤S1-4:估计多普勒因子a，得到多普勒因子的估计值I 步骤S1-5:对步骤S1-3产生的基带信号以1 + 3进行重采样； 步骤S1-6:估计出相位频移因子S，且S 步骤S1-7:对步骤S1-5产生的重采样后的信号进行相位因子补偿得到最终的输出信号厂(小 2)将多普勒估计与补偿后的信号视为多径信号，利用压缩感知进行信道估计，具体包括如下步骤: 步骤S2-1:根据输入信号和收发两端均已知的由导频符号构成的对角矩阵D，作矩阵乘法，生成超完备字典DW ； 步骤S2-2:对导频符号进行解调，得到观测矩阵z ； 步骤S2-3:已知步骤S2-2的观测向量z，利用步骤S2-1生成的超完备字典去感知信道，采用重构算法求得所有可能的信道增益组成的向量a，再进一步求出导频处的信道响应h ； 步骤S2-4:由导频处的信道响应h，通过插值算法求得整个符号持续时间内的信道响M H1(t)； 步骤S2-5:对氏(0进行定时抽样，得到部分快速傅里叶变换每个子区间中点处的信道响应Hk ； 3)将每个OFDM符号区间划分为多个子区间分别进行快速傅里叶变换，再用最优权值向量把每个子区间的输出结果合并，得到所需输出信号，具体包括如下步骤: 步骤S3-1:输入第一次多普勒扩展处理后的信号HO，用不同的矩形窗和输入信号相乘，得到不同的子区间信号，对每个子区间的信号执行快速傅里叶变换，得到子区间输出向量Yk ； 步骤S3-2:求yk的自相关并计算; 步骤S3-3:由步骤S3-2的结果，加上信道估计模块输出的Hk，得到最优权值向量wf;步骤S3-2、S3-3 —旦确定了最优权值模块，接收机将反复执行步骤S3-4，而不再执行S3-2、S3-3这两个步骤； 步骤S3-4:利用最优权值向量对步骤S3-1的输出信号进行加权合并，产生输出结果Xk°
2.如权利要求1所述的水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法，其特征在于，所述步骤S2-3的重构算法为匹配追踪算法，或者是正交匹配追踪算法，或者是压缩采样匹配追踪算法。
【文档编号】H04L27/26GK103491046SQ201310416303
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】王彪, 支志福, 朱志宇, 曾庆军 申请人:江苏科技大学