本發(fā)明涉及一種消除正交頻分復用水聲通信系統(tǒng)限幅噪聲的方法，屬于水聲通信領域，涉及降低正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)水聲通信系統(tǒng)峰值平均功率比(peak-to-averageratio,PAPR)中的限幅法產生的限幅噪聲，對限幅噪聲的恢復和去除問題，以降低其對系統(tǒng)誤碼性能的影響。
背景技術：
：水聲通信為探尋海洋資源，監(jiān)測海洋環(huán)境等方面提供了有利支持，因此目前國內外大量學者對其進行深入研究，但由于水聲信道帶寬有限、并且具有嚴重的多途干擾，是具有時變、頻變和空變的復雜信道,因此信道估計方法以及可靠高速的水聲通信方法成為了研究和關注的重點。多載波調制技術中OFDM技術以其高頻譜利用率這一優(yōu)勢，近年來在帶寬資源有限的水聲高速通信中得到了廣泛應用。然而OFDM技術存在較高的峰值平均功率比(PAPR)的缺陷，這一缺陷成為其在水聲通信領域中廣泛應用的障礙，并且PAPR會隨著子載波數(shù)目的增加而增加。高PAPR會受水聲發(fā)射機的功放線性動態(tài)范圍的制約，產生削波失真，影響整個系統(tǒng)的誤碼率性能，同時還會增加模數(shù)轉換器的復雜度并且降低它們的準確性，引起信號畸變，破壞OFDM子載波間的正交性，因此降低OFDM峰均比方法尤為重要。國內外對于降低峰均比技術的研究主要分為以下幾大類，編碼技術，概率類技術，信號預畸變技術。在無線電領域，很多國內外學者針對降低OFDM峰均比進行了深入研究，但是在水聲領域中該技術發(fā)展緩慢，由于水聲信道的復雜性，算法的復雜度、參數(shù)的選擇等諸多方面都影響著水聲通信系統(tǒng)的性能，因此簡單易于實現(xiàn)的降低峰均比方法，更適合水聲通信領域。在以上三類技術中，信號預畸變類技術具有算法簡單，計算復雜度不隨子載波數(shù)目的增加而增加的優(yōu)勢，更適合信道帶寬有限、子載波數(shù)目較多的OFDM水聲通信，信號預畸變類技術中限幅類技術實現(xiàn)簡單，在OFDM水聲通信領域中得到了廣泛的應用。但限幅是一個非線性過程，將導致嚴重的帶內干擾和帶外噪聲，從而降低整個系統(tǒng)的誤比特率性能和頻譜效率，導致系統(tǒng)性能下降。在以往的水聲通信中，為了降低限幅法對系統(tǒng)誤碼性能的影響，均采用提高限幅門限的方式，即以影響降低峰均比效果為代價，同時對系統(tǒng)誤碼性能的影響依然存在，未對限幅噪聲進行處理，未從根本上解決限幅法產生的影響問題。本發(fā)明基于這一問題，提出重疊壓縮感知方法，對限幅噪聲進行恢復和消除處理，保證降低系統(tǒng)峰均比性能的前提下，提高了正交頻分復用水聲通信系統(tǒng)的誤碼性能。壓縮感知理論，表明當信號具有稀疏性，或者具有可壓縮性時，就可以利用一個與變換基不相干的測量矩陣將變換所得的高維信號線性投影到一個低維空間上，得到測量信號?？梢员ＷC低維測量信號中包含了高維測量信號的全部信息，然后在處理時通過求解一個稀疏最優(yōu)化問題就可以精確或高概率精確恢復出原信號。重建方法利用的是信號在某個域上具有稀疏性和可壓縮性,通過給定信號更好的表征域，對稀疏信號進行估計。壓縮感知信道估計就利用了水聲信道的稀疏特性對水聲信道進行估計，較傳統(tǒng)信道估計均衡方法可減少導頻信息或者優(yōu)化導頻信息來提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率。同時利用限幅噪聲的稀疏性，本發(fā)明在通信系統(tǒng)接收端，提出了重疊壓縮感知方法，對限幅噪聲進行恢復的同時利用壓縮感知信道估計的結果，該方法能夠有效的恢復恢復限幅噪聲，進而降低限幅噪聲對通信系統(tǒng)性能的影響，提升通信系統(tǒng)誤比特率性能和頻譜效率。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對限幅法產生的帶內干擾和帶外噪聲降低OFDM水聲通信系統(tǒng)性能而提供一種消除正交頻分復用水聲通信系統(tǒng)限幅噪聲的方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括如下步驟：步驟一：在發(fā)射端發(fā)射信號經(jīng)過串并變換后經(jīng)過IFFT模塊，將頻域信號轉換成時域信號；步驟二：對時域信號進行限幅操作，限幅比CR為其中σ為限幅前OFDM符號的平均能量，A為預先設定的限幅門限，限幅后符號表示為：sclipping=sn,|sn|≤Asgn(sn)·A,else]]>其中：sclipping是限幅操作后的信號，sgn(·)是符號函數(shù)，sn是限幅前的離散數(shù)據(jù)；步驟三：對限幅后的信號進行串并轉換，將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過水聲信道到達接收端，而接收端限幅后的頻域信號為：S‾(k)=S(k)+C(k)]]>其中：k＝0,1,…N-1，S(k)為原始發(fā)射信號頻域表達式，C(k)為限幅噪聲的頻域表達式，為限幅后的發(fā)射信號頻域表達式；步驟四：接收端將接收的時域數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT模塊轉換為頻域數(shù)據(jù)，且經(jīng)過水聲信道后的接收信號的頻域表達式為：Y(k)＝H(k)(S(k)+C(k))+N(k),0≤k≤N-1其中：Y(k)代表接收信號，H(k)是水聲信道的傳輸函數(shù)、且為N×N維對角陣，限幅噪聲由C＝[C0,C1,…CN-1]T表示、維度是N×1，N(k)是均值為0、方差為的高斯白噪聲、維度是N×1，Y、S、C、N均為列向量；步驟五：利用壓縮感知方法，估計水聲信道H-1；步驟六：利用信道信息估計得到發(fā)射信號，而發(fā)射信號Seq等效為：Seq＝H-1Y＝S+C+H-1N，在從中選取M個觀測量，在等式兩端乘以選擇矩陣PRR，得到：PRRSeq＝PRRFc+PRRS+PRRH-1N；步驟七：利用選取的信號處的觀測量對限幅噪聲進行重構，選擇的是CS算法中OMP準則，重構后的噪聲量為PRRSeq與估計量的差值為：S~=PRRSeq-PRRS^=PRRFc+PRR(S-S^)+PRRH-1=Φc+PRR(S-S^)+PRRH-1N]]>其中：Φ＝PRRF是維度為M×N的壓縮感知觀測矩陣，F(xiàn)是傅里葉變換矩陣；通過壓縮感知方法可重構限幅噪聲接收端，Seq減去重構的限幅噪聲頻域量后的結果進行下一步的判決；步驟八：對接收信號進行判決，得到發(fā)射信號的估計值，去除了限幅噪聲對系統(tǒng)的影響。本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：1.步驟八中的判決式為：本發(fā)明在發(fā)射端針對正交頻分復用高峰均比的問題，采用了限幅法降低了通信系統(tǒng)的峰均比。限幅后的信號可表示為：sc(n)＝s(n)+c(n)，其中sc(n)為限幅后信號，s(n)為限幅前原始信號，c(n)為時域限幅噪聲。在接收端采用了壓縮感知的方法估計水聲信道。將正交頻分復用中的離散傅里葉變換和壓縮感知技術關聯(lián)起來，離散傅里葉變換相當于基矩陣Ψ，信道的頻域觀測數(shù)據(jù)相當于少部分觀測量Ω。由于水聲信道具有在時域上是稀疏的特點，滿足壓縮感知關于信號重建的條件，因此，水聲信道可以通過壓縮感知技術準確地恢復出來?；谙薹肼晻o通信系統(tǒng)帶來帶內干擾和帶外噪聲這一缺點，在接收端，利用限幅噪聲的稀疏性，采用壓縮感知方法，對限幅噪聲進行恢復。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過仿真和水池實驗驗證了該方法的可行性，仿真中在保證降低峰均比效果的前提下，即使在較低信噪比情況下，仍可保持系統(tǒng)誤碼性能，本發(fā)明一種消除水聲通信系統(tǒng)限幅噪聲的方法，解決了以往利用限幅法降低OFDM水聲通信系統(tǒng)峰均比時降低系統(tǒng)性能的問題，簡單易行。從附圖7中可以看出，即使當信噪比較低時，改進算法依然能提高系統(tǒng)的誤碼率，可較限幅法降低10-1，較不恢復限幅噪聲有5dB的增益，達到了有效提高通信系統(tǒng)誤碼性能的作用。附圖說明圖1是發(fā)射端加入限幅法降低PAPR流程圖；圖2是接收端重疊壓縮感知法恢復限幅噪聲流程圖；圖3是MP和OMP法估計水聲信道比較圖；圖4是MP和OMP估計的均方誤差比較圖；圖5是MP和OMP殘差能量比較圖；圖6是發(fā)明中方法-重疊壓縮感知法恢復限幅噪聲圖；圖7是多途信道下誤碼率性能比較圖。具體實施方式下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。本發(fā)明包括如下步驟：步驟一：在發(fā)射端發(fā)射信號經(jīng)過串并變換后經(jīng)過IFFT模塊，將頻域信號轉換成時域信號。步驟二：對時域信號進行限幅操作，其中限幅比CR(ClippingRatio)定義為其中σ為限幅前OFDM符號的平均能量。步驟三：對限幅后的信號進行串并轉換，將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過水聲信道到達接收端。步驟四：接收端將接收的時域數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT模塊轉換為頻域數(shù)據(jù)。步驟五：利用壓縮感知方法，估計水聲信道，得到H-1。步驟六：利用信道信息估計得到發(fā)射信號，同時在發(fā)射信號中選取M組可靠信息，即乘以選擇矩陣PRR。步驟七：利用選取的信號處的觀測量對限幅噪聲進行重構，同樣利用CS算法中OMP準則，重構后的噪聲量用表示。步驟八：最后經(jīng)過判決式2對接收信號進行判決，去除限幅噪聲對系統(tǒng)的影響。本發(fā)明一種消除正交頻分復用水聲通信系統(tǒng)限幅噪聲的方法，更為詳盡的對本法進行描述：在發(fā)射端，對OFDM水聲通信系統(tǒng)時域信號做限幅處理。限幅后符號表示為：sclipping=sn,|sn|≤Asgn(sn)·A,else,]]>其中：sclipping代表限幅操作后的信號，sgn(·)代表符號函數(shù)，A為預先設定的限幅門限，限幅比CR(ClippingRatio)定義為其中σ為限幅前OFDM符號的平均能量。在接收端，首先進行壓縮感知信道估計。信道沖擊響應表示為：其中Np為多徑數(shù)目，與環(huán)境和傳播距離有關的第p條路徑的復增益為Ap，τp代表第p條路徑的時延。將OFDM中的離散傅里葉變換和壓縮感知技術關聯(lián)起來，離散傅里葉變換相當于基矩陣Ψ，信道的頻域觀測數(shù)據(jù)相當于少部分觀測量Ω。由于水聲信道具有在時域上是稀疏的特點，滿足壓縮感知關于信號重建的條件，因此，水聲信道可以通過壓縮感知技術準確的恢復出來。在接收端，進行壓縮感知恢復限幅噪聲，限幅后的頻域信號表達式為：其中k＝0,1,...N-1，其中S(k)為原始發(fā)射信號頻域表達式，C(k)為限幅噪聲的頻域表達式，為限幅后的發(fā)射信號頻域表達式。經(jīng)過水聲信道后的接收信號的頻域表達式為：Y(k)＝H(k)(S(k)+C(k))+N(k),0≤k≤N-1其中：Y(k)代表接收信號，H(k)是水聲信道的傳輸函數(shù)，為N×N維對角陣。限幅噪聲由C＝[C0,C1,...CN-1]T表示，維度是N×1，N(k)是0均值，方差為的高斯白噪聲，維度是N×1。Y,S,C,N均為列向量。假設接收端信道估計和同步準確，經(jīng)過水聲信道，發(fā)射信號等效為：Seq＝H-1Y＝S+C+H-1N。從中選取M個觀測量，在等式兩端乘以選擇矩陣PRR，得到：PRRSeq＝PRRFc+PRRS+PRRH-1N用上式減去估計量得：S~=PRRSeq-PRRS^=PRRFc+PRR(S-S^)+PRRH-1=Φc+PRR(S-S^)+PRRH-1N]]>其中：Φ＝PRRF是維度為M×N的壓縮感知觀測矩陣，其中F是傅里葉變換矩陣。上式可以用壓縮感知技術解決。通過壓縮感知方法可重構限幅噪聲接收端，Seq減去重構的限幅噪聲頻域量得到最終結果。式中H通過壓縮感知信道估計所得。利用壓縮感知信道估計所得結果來恢復的限幅噪聲，在接收端將限幅噪聲去除，提高正交頻分復用水聲通信系統(tǒng)誤碼性能。在接收端，由重構限幅噪聲等式得，恢復限幅噪聲過程中，需要利用信道H的信息，以及通過信道信息估計所得發(fā)射數(shù)據(jù)。因此提出重疊壓縮感知恢復限幅噪聲法，其中說明書附圖2包含兩個判決：判決1：判決2：本發(fā)明一種消除正交頻分復用水聲通信系統(tǒng)限幅噪聲的方法，壓縮感知信道估計和壓縮感知恢復限幅噪聲采用了了貪婪重構算法中的OMP(OrthogonalMatchingPursuit)正交匹配追蹤算法，對MP(MatchingPursuit)算法和OMP算法性能進行了比較，OMP性能較優(yōu)。其中OMP算法實現(xiàn)步驟如下：1).初始化k＝0，y0＝0，e0＝y(tǒng)，其中k是迭代次數(shù)，y0是y的初始值，y為迭代結果，e0為誤差的初始值2).遞歸提取a.內積計算，<ek,aj>,aj∈A/Ak，A/Ak代表原子字典A中去除前幾次迭代選出的原子的殘留原子庫。b.內積計算結果中選取最大值aj作為c.正交化，當k＞0時，將正交化，并用uk+1表示，即d.k次循環(huán)后,y近似表示為，k次循環(huán)后的殘差為：3).判定殘差，k值將一直增加，直到小于預設的信噪比能量的值。當前第1頁1 2 3