專利名稱：一種移動(dòng)ofdm水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲通信領(lǐng)域，更確切對(duì)說(shuō)，涉及正交頻分復(fù)用水聲通信方法，主要是一種移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)具有良好的抗頻率選擇性衰落性能和高的帶寬利用率，可以用于多途嚴(yán)重的水下高速聲通信。然而，OFDM有著其自身決定的缺點(diǎn)，即接收性能對(duì) 符號(hào)同步偏差和頻率偏差敏感。在水聲通信中，由于通常工作在低頻，而且聲速遠(yuǎn)低于無(wú)線電，因此當(dāng)存在多普勒時(shí)，相比無(wú)線電來(lái)說(shuō)更加嚴(yán)重的影響了 OFDM系統(tǒng)的性能，多普勒對(duì)水聲OFDM通信的影響本質(zhì)是大的多普勒對(duì)寬帶通信的影響，因此，窄帶無(wú)線電OFDM通信中的多普勒修正方法不適合水聲OFDM通信。水聲通信中的多普勒補(bǔ)償方法，比較典型的方法是1998年Sharif B S采用的塊多普勒估計(jì)方法、時(shí)域線性差值方法。2007年Baosheng Li借鑒Sharif的塊處理方法，針對(duì)水聲OFDM通信中的補(bǔ)償多普勒問題，提出首先進(jìn)行寬帶多普勒補(bǔ)償，即先測(cè)得多普勒擴(kuò)展量(擴(kuò)展因子)，在時(shí)域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行重采樣，然后進(jìn)行窄帶多普勒補(bǔ)償，即將殘留的多普勒近似看成載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset, CFO),進(jìn)行CFO估計(jì),然后進(jìn)行補(bǔ)償。上述方法需要保存一幀完整的信號(hào)，內(nèi)存占用大，不利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，且采用近似處理方法，多普勒補(bǔ)償精度不高，解碼效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，補(bǔ)償在頻域中進(jìn)行，精度高、實(shí)用性好。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該方法包括如下步驟(I)在發(fā)射端，在每幀的起始使用一個(gè)幀頭信號(hào)(如線性調(diào)頻信號(hào)LFM)，用于第一個(gè)符號(hào)的粗同步，在每個(gè)OFDM符號(hào)頻譜的外側(cè)添加一根測(cè)頻譜線，用于多普勒粗估計(jì)，在OFDM頻域中插入偽隨機(jī)序列[‘ Cl1,…，(V1]作為導(dǎo)頻序列，導(dǎo)頻序列不僅可以用作信道估計(jì)，還可以用作每個(gè)符號(hào)的精度同步和多普勒估計(jì)；(2)在接收端，采用副本相關(guān)法捕獲幀頭信號(hào)，計(jì)算幀頭信號(hào)的達(dá)到時(shí)刻Ttl，由τ ο后推得到第一個(gè)OFDM符號(hào)的起始位^的粗估計(jì)；(3)以&為起始時(shí)刻取出一個(gè)OFDM符號(hào)，根據(jù)測(cè)頻信號(hào)的頻率偏移量，計(jì)算得到該符號(hào)內(nèi)多普勒擴(kuò)展(或壓縮)量的粗估計(jì)成；(4)以^和爲(wèi)為搜索中心，設(shè)置時(shí)-頻搜索區(qū)間，用Chirp-Z變換(線性調(diào)頻Z變換)將OFDM信號(hào)變換到頻域，提取偽隨機(jī)導(dǎo)頻序列，計(jì)算代價(jià)函數(shù)，并比較大小，使代價(jià)函數(shù)達(dá)到最大的f和#就是該符號(hào)的精確起始位置和多普勒擴(kuò)展量，為了提高多普勒搜索效率，可以將多普勒搜索分成兩步，先以大步距搜索，再以小步距搜索；(5)根據(jù)步驟(4)中得到的符號(hào)起始時(shí)刻？，取出一個(gè)符號(hào)，進(jìn)行Chirp-Z變換，得到多普勒補(bǔ)償后的OFDM頻域信號(hào)，然后進(jìn)行信道估計(jì)和均衡，恢復(fù)出原始信息；(6)再以當(dāng)前符號(hào)的起始時(shí)刻f為基準(zhǔn)，得到下一個(gè)OFDM符號(hào)的起始位置^，重復(fù)步驟(3) (6),直至一巾貞信號(hào)結(jié)束。 上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中多普勒擴(kuò)展量的粗估汁是這樣得到的假設(shè)測(cè)頻信號(hào)的頻率為fz，受多普勒影響，接收到的測(cè)頻信號(hào)的頻率偏移至f' z，則爲(wèi)的計(jì)算公式是
權(quán)利要求
1.一種移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)在發(fā)射端，在每幀的起始使用一個(gè)幀頭信號(hào)，用于第一個(gè)符號(hào)的粗同步，在每個(gè)OFDM符號(hào)頻譜的外側(cè)添加一根測(cè)頻譜線，用于多普勒粗估計(jì)，在OFDM頻域中插入偽隨機(jī)序列[CUd1，…，(V1]作為導(dǎo)頻序列； (2)在接收端，采用副本相關(guān)法捕獲幀頭信號(hào)，計(jì)算幀頭信號(hào)的達(dá)到時(shí)刻Ttl，由τ(1后推得到第一個(gè)OFDM符號(hào)的起始位^的粗估計(jì)； (3)以&為起始時(shí)刻取出一個(gè)OFDM符號(hào)，根據(jù)測(cè)頻信號(hào)的頻率偏移量，計(jì)算得到該符號(hào)內(nèi)多普勒擴(kuò)展或壓縮量的粗估計(jì)成; (4)以和成為搜索中心，設(shè)置時(shí)-頻搜索區(qū)間，用Chirp-Z變換將OFDM信號(hào)變換到頻域，提取偽隨機(jī)導(dǎo)頻序列，計(jì)算代價(jià)函數(shù)，并比較大小，使代價(jià)函數(shù)達(dá)到最大的f和P就是該符號(hào)的精確起始位置和多普勒擴(kuò)展量，多普勒搜索分為兩步，先以大步距搜索，再以小步距搜索； (5)根據(jù)步驟(4)中得到的符號(hào)起始時(shí)刻？,取出一個(gè)符號(hào)，進(jìn)行Chirp-Z變換，得到多普勒補(bǔ)償后的OFDM頻域信號(hào)，然后進(jìn)行信道估計(jì)和均衡，恢復(fù)出原始信息； (6)再以當(dāng)前符號(hào)的起始時(shí)刻f為基準(zhǔn)，得到下一個(gè)OFDM符號(hào)的起始位置^，重復(fù)步驟(3) (6),直至一巾貞信號(hào)結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，其特征是所述步驟(4)中用Chirp-Z變換將OFDM信號(hào)變換到頻域，其公式為 N-IY{zk) = Yy(H)A-nWnkn=Q 其中，y(n)是接收信號(hào)，j =為起始頻率，Φ。為頻率分辨率，4是采樣率，&和由多普勒擴(kuò)展量β決定，其公式為f0=fiow*(l+^)φ0=^*(1 + β) 其中，flow是OFDM信號(hào)的最低子載波的頻率，B是OFDM信號(hào)帶寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，其特征是所述步驟(4)中的以^和成為搜索中心，設(shè)置時(shí)-頻搜索區(qū)間是指設(shè)置時(shí)間區(qū)間Γ，4+Γ]，Τ為搜索半徑，設(shè)置多普勒區(qū)間= 4成+而，δ為搜索半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，其特征是所述步驟(4)中提取偽隨機(jī)導(dǎo)頻序列，計(jì)算代價(jià)函數(shù)，代價(jià)函數(shù)的計(jì)算公式是 u I2XaV,β,) = d, *Conjidi)(Ji € s iOl,,) ι={> 其中，I · I表示取模運(yùn)算，con j ( ·)表示共軛運(yùn)算，[d0, Cl1，…，dM_J是本地偽隨機(jī)序列，[H · .,4—,]是接收端提取的偽隨機(jī)序列。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，其特征是所述步驟(4)中多普勒搜索分為兩步，先以大步距搜索，再以小步距搜索是指在多普勒搜索區(qū)間《/ 內(nèi)，先以大步距搜索，搜索使代價(jià)函數(shù)XcHti, β,)達(dá)到最大的β。，再以β。為中心，用小步距進(jìn)行細(xì)搜索，最后得到精確的估計(jì)β O
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法，其特征是所述步驟(5)中根據(jù)步驟(4)中得到的符號(hào)起始時(shí)刻f,取出一個(gè)符號(hào)，進(jìn)行Chirp-Z變換的方法為根據(jù)起始時(shí)刻？，取長(zhǎng)度為Γ-, Ι + 為的信號(hào)，Irfdm是發(fā)射符號(hào)長(zhǎng)度，進(jìn)行Chirp-Z變換，起始頻率和頻率分辨率分別為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)OFDM水聲通信信號(hào)的精確符號(hào)同步和多普勒補(bǔ)償方法。首先利用幀頭信號(hào)得到第一個(gè)OFDM符號(hào)起始位置的粗估計(jì)，提取符號(hào)，然后利用符號(hào)內(nèi)的測(cè)頻單頻信號(hào)得到符號(hào)的多普勒擴(kuò)展粗估計(jì)，利用Chirp-z變換將符號(hào)變換到頻域，通過(guò)頻域?qū)ьl與本地導(dǎo)頻的相關(guān)值作為代價(jià)函數(shù)，搜索符號(hào)的精確起始時(shí)刻和多普勒擴(kuò)展量，然后用當(dāng)前符號(hào)的起始位置推測(cè)下一個(gè)符號(hào)的起始位置，提取下一個(gè)符號(hào)，周而復(fù)始，直至一幀信號(hào)結(jié)束。本發(fā)明的多普勒測(cè)量和補(bǔ)償方法基于Chirp-Z變換，測(cè)量和補(bǔ)償精度高，可利用FFT實(shí)現(xiàn)Chirp-Z變換，實(shí)用性好，多普勒擴(kuò)展的搜索方法采用先大步距，后小步距，搜索效率高，多普勒測(cè)量范圍不受限制，可用于勻速運(yùn)動(dòng)，還可用于變速運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H04L27/26GK102868659SQ20121031974
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者張宏滔, 王忠康, 謝哲, 岳志杰 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所