一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法，包括以下步骤，在发射端将待发送的二进制数据调制成插入有空子载波的OFDM符号；将L个OFDM符号进行组帧，在每帧信号首尾插入线性调频信号；在接收端对接收信号进行采样，采用拷贝相关进行多普勒粗估；通过粗估的多普勒因子计算得到发射端与接收端的相对移动速度；估算出的相对移动速度附近对一帧信号中每个OFDM符号进行速度补偿，采用DFT求解速度补偿时每个OFDM符号空子载波处能量和，能量和最小所对应的速度是精确估计的速度，得到精确估计的多普勒因子。本发明专利技术提高了估计精度，减少了线性调频信号的插入个数，提高通信速率的同时降低了运算量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声通信领域，尤其涉及一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法。
技术介绍
由于海洋的复杂环境，水声信道存在严重的噪声、多途时延、多普勒频移和时变等特点，严重影响了水声通信的质量。正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术由于其频带利用率高和抗多途能力强等特点，被广泛的应用于水声通信领域。由于OFDM对载波频偏敏感，多普勒频移破坏了OFDM子载波间的正交性，严重影响了其性能和通信质量，因此，如何降低多普勒频移的影响是提高OFDM水声通信质量的关键。目前，OFDM水声通信中常用的多普勒估计方法主要有以下三种方法：(1)单频信号测频估计法。该方法是在发射端同步信号后插入一段已知频率的CW信号，在接收端对接收信号经过同步后计算接收到CW信号的频率，将发送的CW信号与接收的CW信号频率进行比较可算出估计的多普勒因子。该方法估计的精度受CW信号长度限制，且易受多途和噪声的干扰。(2)拷贝相关估计法。该方法是在发送端在OFDM符号的前后插入线性调频信号，在接收端通过拷贝相关测得接收到OFDM符号长度，将接收到的OFDM符号长度与发送的OFDM符号长度进行比较可得出估计的多普勒因子。该方法估计的精度受插入信号的时间带宽积限制，为保证接收端相关峰的尖锐，插入信号的时间带宽积应足够大，且该方法需要在每个OFDM符号前后都插入线性调频信号，插入信号频率较高，运算量较大，降低了数据传输速率。(3)空子载波估计法。该方法是在发送端在OFDM符号中插入空子载波，在接收端通过补偿不同的多普勒速度计算OFDM符号中空子载波位置处的能量，能量和最低所对应的速度即为估计的多普勒速度，将其转化为多普勒因子即为估计的多普勒因子。该方法估计的多普勒因子较为准确，进行补偿后具有较好的效果。但算法要求在每个OFDM符号中插入空子载波，降低了载波利用率，且随着多普勒速度搜索范围的增大和搜索精度的提高，算法复杂度大大增加。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水声OFDM精确的、算法复杂度小、易实现的，基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法。一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法，包括以下步骤，步骤一：在发射端将待发送的二进制数据调制成插入有空子载波的OFDM符号；步骤二：将L个OFDM符号进行组帧，在每帧信号首尾插入线性调频信号；步骤三：在接收端对接收信号进行采样，采用拷贝相关进行多普勒粗估，通过每帧信号首尾的相关峰计算信号压缩和伸展程度，得到粗估的多普勒因子：δ~=TT′-1]]>其中T是未经多普勒影响的一帧信号的长度，T’是测得的经过多普勒影响的一帧信号长度；步骤四：通过粗估的多普勒因子计算得到发射端与接收端的相对移动速度：v~=δ~*c]]>其中c为声波在水中速度；步骤五：采用空子载波法在估算出的相对移动速度附近对一帧信号中每个OFDM符号进行速度补偿，采用DFT求解速度补偿时每个OFDM符号空子载波处能量和，能量和最小所对应的速度是精确估计的速度，将精确估计的速度转化为多普勒因子即为精确估计的多普勒因子。本专利技术一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法，还可以包括：速度补偿的精度为Δ，补偿次数为n，则补偿范围为经过DFT运算解得多普勒速度补偿后各空子载波处的幅度为：Yi＝Ζ×W其中，Yi＝[y0,y1,...yK-1]，一帧数据中每个OFDM符号表示成Ζ＝[z0,z1,...zN-1]，每个OFDM符号空子载波个数为K，空子载波位置为Κ＝[k1,k2,...kK]，第i次多普勒补偿速度为vi，i＝1,2,…n，W为一个N×K维矩阵；则第i次多普勒速度补偿得到空子载波处的能量为：E(vi)＝YiYiHn次补偿E(vi)中最小值所对应的速度即为得到的精确估计的相对移动速度：v^=argminE(vi)]]>精确估计的多普勒因子为：δ^=v^c.]]>有益效果：本专利技术对多普勒因子进行二次估计，提高了估计精度；以帧为单位进行多普勒估计，减少了线性调频信号的插入个数，提高通信速率的同时降低了运算量；采用拷贝相关对多普勒进行粗估，减少了空子载波算法速度搜索个数，在确保精确度的同时降低了算法的复杂度。附图说明图1为本专利技术实现OFDM水声通信的具体流程；图2为本专利技术实现OFDM水声通信一帧信号结构；图3为本专利技术多普勒估计的具体流程。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的目的在于提供一种水声OFDM精确的、算法复杂度小、易实现的多普勒估计方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)在发射端将待发送的二进制数据调制成插入有空子载波的OFDM符号；(2)将多个OFDM符号进行组帧，在每帧信号首尾插入线性调频信号；(3)在接收端对接收信号进行采样，采用拷贝相关进行多普勒粗估，通过每帧信号首尾的相关峰计算信号压缩和伸展程度，得到粗估的多普勒因子：(4)通过粗估的多普勒因子计算得到发射端与接收端大致的相对移动速度：(5)采用空子载波法在估算出的相对移动速度附近对一帧信号中每个OFDM符号进行不同的速度补偿，采用DFT求解不同速度补偿时每个OFDM符号空子载波处能量和，能量和最小所对应的速度便是精确估计的速度，将估计的速度转化为多普勒因子即为精确估计的多普勒因子。本专利技术公开了一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法。该方法应用于水声OFDM通信，发送端将多个插入有空子载波的OFDM符号组成一帧，将一帧信号的首尾插入线性调频信号；接收端首先采用拷贝相关的方法进行多普勒的粗估，计算出大致的相对移动速度；然后采用空子载波法进行多普勒的精确估计，在估算出的相对移动速度附近对一帧信号进行不同的速度搜索，得到精确的多普勒因子。本专利技术对多普勒因子进行二次估计，提高了估计精度；以帧为单位进行多普勒估计，减少了线性调频信号的插入个数，提高通信速率的同时降低了运算量；采用拷贝相关对多普勒进行粗估，减少了空子载波算法速度搜索个数，在确保精确度的同时降低了算法的复杂度。下面结合附图举例对本专利技术做进一步说明：(1)由图1所示，在发射端将待发送的二进制数据调制成插入有空子载波的OFDM符号；(2)图2为本专利技术所设计的OFDM水声通信帧结构，将多个OFDM符号进行组帧，在每帧信号首尾插入线性调频信号；(3)根据图3所示的本专利技术多普勒估计算法，在接收端对接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：在发射端将待发送的二进制数据调制成插入有空子载波的OFDM符号；步骤二：将L个OFDM符号进行组帧，在每帧信号首尾插入线性调频信号；步骤三：在接收端对接收信号进行采样，采用拷贝相关进行多普勒粗估，通过每帧信号首尾的相关峰计算信号压缩和伸展程度，得到粗估的多普勒因子：δ~=TT′-1]]>其中T是未经多普勒影响的一帧信号的长度，T’是测得的经过多普勒影响的一帧信号长度；步骤四：通过粗估的多普勒因子计算得到发射端与接收端的相对移动速度：v~=δ~*c]]>其中c为声波在水中速度；步骤五：采用空子载波法在估算出的相对移动速度附近对一帧信号中每个OFDM符号进行速度补偿，采用DFT求解速度补偿时每个OFDM符号空子载波处能量和，能量和最小所对应的速度是精确估计的速度，将精确估计的速度转化为多普勒因子即为精确估计的多普勒因子。

【技术特征摘要】
1.一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：在发射端将待发送的二进制数据调制成插入有空子载波的OFDM符号；
步骤二：将L个OFDM符号进行组帧，在每帧信号首尾插入线性调频信号；
步骤三：在接收端对接收信号进行采样，采用拷贝相关进行多普勒粗估，通过每帧信号首尾
的相关峰计算信号压缩和伸展程度，得到粗估的多普勒因子：
δ~=TT′-1]]>其中T是未经多普勒影响的一帧信号的长度，T’是测得的经过多普勒影响的一帧信号长度；
步骤四：通过粗估的多普勒因子计算得到发射端与接收端的相对移动速度：
v~=δ~*c]]>其中c为声波在水中速度；
步骤五：采用空子载波法在估算出的相对移动速度附近对一帧信号中每个OFDM符号进行速
度补偿，采用DFT求解速度补偿时每个OFDM符号空子载波处能量和，能量和最小所对应
的速度是精确估计的速度，将精确估计...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵安邦，惠娟，王志欣，牛芳，宋雪晶，程越，马林，曾财高，毕雪洁，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23