一种虚拟时间反转水声ofdm信道均衡方法
【专利摘要】本发明涉及一种虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法，其特征在于：步骤1：发射端发射信号中加入用于信号估计的探测信号；步骤2：接收端完成同步过程，提取接收的探测信号；根据接收的探测信号，估计信道冲激响应；步骤3：根据估计的信道冲激响应，完成虚拟时反OFDM信道均衡；步骤4：对均衡后的信号串并转换，去循环前缀和循环后缀，完成解调过程。
【专利说明】一种虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法。
【背景技术】
[0002]水声信道具有带宽有限、多径干扰严重、空变、时变、频变等特点，尤其对于浅海水声信道，受海底地形以及声速分布的影响，信道非常复杂，信道多途时延往往达到上百毫秒，对水声通信带来了严重的干扰。OFDM(正交频分复用)具有频带利用率高、抗频率选择性衰落、均衡简单等优点，被广泛应用在近程高速水声通信中，但是为了克服长多途时延带来的符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，需要加入大于信道最大多途时延长度的循环前缀，并插入较密的导频以及加入纠错编码等，这将造成OFDM频带利用率的严重下降，因此，如何减小多途信道对OFDM的干扰成为高速水声通信的关键问题之一。
[0003]信道均衡技术是克服信道多途带来的干扰的有效方法，常用的OFDM信道均衡方法是基于导频的频域信道均衡算法，通过在时域或频域插入已知的序列，并在接收端估计出信道频率响应。现有的信道均衡算法，如最小平方(LS)、最小均方误差(MMSE)等，均需要加入大于信道最大多途时延的循环前缀克服ISI和ICI，并加入较密的导频估计信道，严重限制了 OFDM的通信速率。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法，能够有效缩短信道长度，减小多途带来的码间干扰，提高OFDM频带利用率。
[0005]实现本发明目的技术方案:
[0006]—种虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法,在OFDM符号内加入大于信道最大多途时延长度的循环前缀和循环后缀，其特征在于:
[0007]步骤1:发射端发射信号中加入用于信号估计的探测信号；
[0008]步骤2:接收端完成同步过程，提取接收的探测信号；根据接收的探测信号，估计信道冲激响应；
[0009]步骤3:根据估计的信道冲激响应，完成虚拟时反OFDM信道均衡；
[0010]步骤4:对均衡后的信号串并转换，去循环前缀和循环后缀，完成解调过程。
[0011]步骤I中，选用伪随机序列经过OFDM调制后作为探测信号。
[0012]步骤2中，根据接收的探测信号，利用匹配追踪算法估计信道的幅度、时延和相位，估计信道冲激响应。
[0013]步骤3中，估计的信道冲激响应时间反转，与接收信号卷积，完成虚拟时反OFDM信道均衡。
[0014]本发明具有的有益效果:
[0015]本发明发射端发射信号中加入用于信号估计的探测信号，接收端根据接收的探测信号，估计信道冲激响应，完成虚拟时反OFDM信道均衡；利用虚拟时间反转信道均衡算法，可以有效的缩短信道长度，提高接收信噪比，减小多途信道带来的ISI和ICI，提高OFDM频带利用率，实现自适应信道均衡。本发明利用匹配追踪算法估计信道的幅度、时延和相位，估计精度高，可以准确的估计出信道冲激响应，为虚拟时反信道提供准确的信道信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为VTRM技术的基本原理图；
[0017]图2为发射信号帧结构图；
[0018]图3为VTRM用于OFDM信道均衡的接收机实现框图；
[0019]图4为在OFDM符号中加入循环前缀和循环后缀的示意图。
【具体实施方式】
[0020]步骤1:根据虚拟时间反转镜(VTRM)原理，发射端发射信号中加入用于信号估计的探测信号；
[0021]如图1所示，VTRM技术的基本原理为，发射信息信号之前，先发送一个探测信号，根据探测信号估计出信道冲激响应，然后将其时间反转信号与接收信号做卷积，得到虚拟时反后的信号。
[0022]根据VTRM原理，设计发射信号帧结构如图2所示，帧头采用线性调频(LFM)信号进行帧定时同步，后面加入一个单频脉冲(CW)信号用于估计多普勒因子，在接收端用于消除多普勒频偏的影响，之后为探测信号，用于估计信道冲激响应，最后为OFDM符号。各个信号之间都留有一定的保护间隔，且保护间隔大于信道最大多途时延的长度。
[0023]步骤2:接收端完成同步过程，提取接收的探测信号；根据接收的探测信号，利用匹配追踪算法估计信道的幅度、时延和相位，估计信道冲激响应。
[0024]步骤3:根据估计的信道冲激响应，对卷积后的信号重新进行同步，完成虚拟时反OFDM信道均衡；
[0025]步骤4:对均衡后的信号串并转换，去循环前缀和循环后缀，完成解调过程。
[0026]具体实施时，如图3所示，接收的信号通过同步信号找到信号起始的位置后，提取出CW信号，通过测频得到多普勒压缩因子，根据多普勒因子对接收的信号进行变采样处理，消除多普勒频偏对信号的影响。然后从变采样后的信号中提取探测信号，估计信道冲激响应，将其时间反转与接收信号做卷积，完成VTRM信道均衡，均衡后的信号串并转换，去循环前缀和循环后缀，进行FFT解调和星座逆映射，完成OFDM解调过程。
[0027]其中，有一项关键技术影响着VTRM用于OFDM信道均衡的性能，即在OFDM符号中应加入循环后缀，且循环后缀和循环前缀长度均应大于时反信道的最大多途时延长度。循环后缀即将OFDM符号块前面的若干个数据复制到符号块的后面，如图4所示。
[0028]设实际信道冲激响应为h(t)，估计的信道冲激响应为/?(0，定义虚拟时间反
转信道冲激响应为=可视为信号最终经过的信道。假设直达声幅度
最大，长度为L的离散信道可以表示为h=[h(0)h(l)...h(L-1)],时反信道可以表示为h' =[h' (1-L)...h' (-l)h' (O)h' (l)...h' (L-l)]，其长度为 2L-1，其中，h' (0)为各个路径叠加后的声线，幅度最大，可以看到时反信道是一个非最小相位信道，即在幅度最大的声线之前仍存在多途分量。若同步时以能量最大的声线为起始时刻，能量最大声线之后的多途分量引起的ISI和ICI可以通过循环前缀加以克服，而能量最大声线之后的多途分量引起的ISI和ICI则需要通过循环后缀加以克服。
[0029]下面分析一下循环后缀如何克服ISI和ICI，设当前解调的第P个OFDM符号为rp，对应的发射信号表不为Sp,前一个和后一个OFDM符号表不为Sp^Sp+1,若未加入循环前缀和循环后缀，经过冲激响应为h的信道后，接收信号可以表示为
[0030]rp = h>p +1 + hfV+1 +(I)
[0031 ] 其中，rp、sp、Sp' Sp+1和np为NX I维列向量，K、K'和hf为NX N维矩阵，分别
可以表示为
[0032]
【权利要求】
1.一种虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法，在OFDM符号内加入大于信道最大多途时延长度的循环前缀和循环后缀，其特征在于: 步骤1:发射端发射信号中加入用于信号估计的探测信号； 步骤2:接收端完成同步过程，提取接收的探测信号；根据接收的探测信号，估计信道冲激响应； 步骤3:根据估计的信道冲激响应，完成虚拟时反OFDM信道均衡； 步骤4:对均衡后的信号串并转换，去循环前缀和循环后缀，完成解调过程。
2.根据权利要求1所述的虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法，其特征在于:步骤I中，选用伪随机序列经过OFDM调制后作为探测信号。
3.根据权利要求2所述的虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法，其特征在于:步骤2中，根据接收的探测信号，利用匹配追踪算法估计信道的幅度、时延和相位，估计信道冲激响应。
4.根据权利要求3所述的虚拟时间反转水声OFDM信道均衡方法，其特征在于:步骤3中，估计的信道冲激响应时间反转，与接收信号卷积，完成虚拟时反OFDM信道均衡。
【文档编号】H04L27/26GK103905355SQ201410122955
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】乔钢, 尹艳玲, 马璐, 周峰, 孙宗鑫, 刘凇佐, 马雪飞, 聂东虎 申请人:哈尔滨工程大学