基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种使用零相关带(ZCZ,zero correlation zone)序列作为训练序列来估计MIMO‑OFDM水声通信系统多普勒扩展因子的方法。该方法在数据帧前插入两段重复的ZCZ序列，接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算,根据最大输出结果的相关器的窗口长度估计多普勒扩展因子。与现有的多普勒扩展估计算法相比，该方法可显著提高多普勒扩展估计精度，信道适应性强，在信噪比大于‑5dB时，估计精度始终保持在10‑4以下，满足高数据率水声通信对多普勒扩展因子估计精度的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信领域，尤其涉及一种基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法。
技术介绍
带宽和频谱利用率是影响通信系统信息传输速率的两个关键因素，MIMO技术能够通过多根天线同时发射和接收信号而显著提高频谱利用率，同时，OFDM技术将频率选择性衰落信道划分为多个正交子信道，每一个子信道频率平坦衰落，以避免符号间干扰。因此，对于多径干扰严重的水声通信系统，MIMO-OFDM技术具有良好的应用前景。水声信道在物理上可以看成是具有不同时延、不同频移、不同起始角的许多传播路径的总和，其复杂性和多变性限制了水声通信的性能，特别是移动水声通信系统，由于声波在海水中的传播速度仅为1500m/s，远低于空气中电磁波的传播速度(3×108m/s)，收发端的移动导致通信信号在时间上的扩展或压缩远大于无线电通信，从而在接收端将严重恶化接收机的载频跟踪和相位符号同步，导致误码率增大。因此,对于移动水声通信系统,对多普勒效应进行估计和补偿是必不可少的，而进行多普勒补偿的前提是精确的估计出多普勒扩展因子。关于水声通信系统的多普勒估计与补偿，现已有比较丰富的研究成果。其中，使用线性调频(LFM,linearlyfrequencymodulated)信号作为前后同步信号，接收端利用已知的LFM序列与接收信号进行互相关运算，根据前后同步信号输出的峰值间隔与实际信号间隔的差值计算多普勒扩展因子的方法存在两个主要的缺点：接收机需要缓存所有的接收数据才能计算前后同步信号的峰值，不利于实时信号处理；由于接收信号与本地已知信号作互相关运算，无法消除由于收发端晶振频率差异等引起的信号频率偏移的影响。另一种使用具有较高多普勒容忍性的双曲线调频信号(HFM,hyperbolicfrequencymodulation)作为前后同步信号的方法，也不能进行实时的信号处理。使用双PN序列作为训练序列，接收端利用二维搜索算法估计多普勒扩展因子的方法，计算复杂度较高。使用带有循环前缀(CP,cyclicprefix)的正交频分复用(OFDM,orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)符号作为训练序列的方法，在低信噪比时估计精度不高。本专利技术提出使用ZCZ序列作为训练序列，接收端使用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关处理，根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。ZCZ序列具有良好的自相关特性：主瓣尖锐，旁瓣为0，利于接收端峰值的检测；另外，ZCZ序列具有恒模特性，因而有平坦的频谱响应，适合OFDM系统。同时，该方法在信号实时处理和消除收发端固定频偏方面具有优势：重复的序列结构位于数据帧前端，不需缓存整帧数据即可进行同步和多普勒估计等；两段重复序列受到相同的收发端固定频偏影响，自相关运算时取共轭可消除固定频偏。
技术实现思路
技术问题：为了克服水声通信系统中现有的多普勒估计方案估计精度较低的问题，本专利技术提供一种基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法，充分利用ZCZ序列良好的自相关特性，在接收端进行实时的信号处理，同时大大提高了多普勒扩展因子的估计精度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的一种基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法，使用具有恒模特性和良好的自相关特性的ZCZ序列作为MIMO-OFDM水声通信系统的训练序列，用以估计信号经过时变多径时延信道而引起的扩展或压缩。所述方案包括如下步骤：1)在发送数据帧前插入两段相同的ZCZ序列，每根发射天线上使用ZCZ序列集合中的不同序列作为训练序列；2)信号经过时变多径时延信道，造成时间上的扩展或压缩以及子载波的频率偏移；3)接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算；4)根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。所述步骤1)中，数据帧前插入的ZCZ序列是利用交织因子化方法生成的，令ZCZ序列集合表示为则Ψ(L,M,Z)的周期相关函数满足：Rci,cjP(τ)=Eci,cj,τ=0,i=j0,0<|τ|≤Z,i≠j0,0<|τ|≤Z,i=j]]>其中，上标P表示周期，L为ZCZ序列长度，M为ZCZ序列条数，Z为零相关带的长度，ci,cj表示序列元素。所述步骤2)中，时变多径时延信道是：冲激响应函数可以表示为：h(τ,t)=ΣpAp(t)δ(τ-τp(t))]]>其中，下标p表示多径数，Ap(t)是路径增益，τp(t)是路径时延，假定所有路径的多普勒扩展因子a相同，路径时延τp(t)，路径增益Ap(t)在一帧符号持续时间内保持不变，即记为τp,Ap。所述步骤2)中，时间上的扩展或压缩以及子载波的频率偏移是：接收端第j根接收天线上的接收信号可以表示为:y~j(t)=Σi=1Nt(Re{Σk=0K-1si[k]Hkej2π(kT+fc)(1+a)t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法，其特征在于：使用具有恒模特性和良好的自相关特性的ZCZ序列作为MIMO‑OFDM水声通信系统的训练序列，用以估计信号经过时变多径时延信道而引起的扩展或压缩，所述方法包括如下步骤：，1)在发送数据帧前插入两段相同的ZCZ序列，每根发射天线上使用ZCZ序列集合中的不同序列作为训练序列；2)信号经过时变多径时延信道，造成时间上的扩展或压缩以及子载波的频率偏移；3)接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算；4)根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法，其特征在于：使用具有恒模特性和良好的自相关特性的ZCZ序列作为MIMO-OFDM水声通信系统的训练序列，用以估计信号经过时变多径时延信道而引起的扩展或压缩，所述方法包括如下步骤：，1)在发送数据帧前插入两段相同的ZCZ序列，每根发射天线上使用ZCZ序列集合中的不同序列作为训练序列；2)信号经过时变多径时延信道，造成时间上的扩展或压缩以及子载波的频率偏移；3)接收端采用多个并行相关器对接收信号进行延时自相关运算；4)根据最大输出结果的相关器的窗口长度进行多普勒扩展因子估计。2.根据权利要求1基于零相关带序列的水声通信系统多普勒扩展估计方法，其特征在于：所述步骤1)中，数据帧前插入的ZCZ序列是利用交织因子化方法生成的，令ZCZ序列集合表示为则Ψ(L,M,Z)的周期相关函数满足：Rc1,cjp(τ)=Eci,cj,τ=0,i=j0,0<|τ|≤Z,i≠j0,0<|&...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春国，宋康，张行，曹冰昊，杨绿溪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32