一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法技术

一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法，涉及水声通信。1)大尺度多普勒估计及补偿；2)残余多普勒估计及补偿；3)多普勒相位旋转补偿。为了准确且高效地估计移动水声通信环境下的多普勒因子，从而克服与陆上无线电信道相比更为明显的多普勒效应，消除其对水声OFDM通信系统带来的不良影响，需要一种兼顾准确性和计算复杂度的移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法。在移动水声通信中，尤其应用于移动水声OFDM系统的多普勒因子估计和补偿方法，估计在频域进行，针对水声信道的特点，在传统多普勒估计及补偿的基础之上，更加适用于快速变化的移动水声信道。其估计精度高，同时又适当地降低计算复杂度，实用性优良。

【技术实现步骤摘要】
一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法
本专利技术涉及水声通信领域，尤其是涉及一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法。
技术介绍
水下无人航行器(UnmannedUnderwaterVehicle,UUV)作为海洋探测和水声通信的重要载体，已成为各国海洋工程领域的研究热点。UUV具有智能型、隐蔽性、机动性、经济性等特点，并且重量轻、尺寸小，使用方便，具有广阔的经济和工业价值[1]。利用UUV进行高速运动过程中的移动水声通信，已成为涵盖海洋技术与信息技术的世界各国急需的高新技术之一。不同于陆地上的无线电通信，声波在水下的传播速度远小于电磁波的传播速度，故与陆空无线通信比较而言，水声信道中存在更为明显的多普勒效应。由于水声信道的可用带宽窄，水声通信本质上是一个宽带通信系统，因此，水声信道中的多普勒效应将会引起接收信号在频域上的频率偏移和频谱扩展，在时域上则表现为接收时域波形的压缩或扩展。对于水下无人航行器，其运动速度一般为1.5～15m/s,此时的多普勒扩展因子可达10-3量级，在无线电通信系统中唯一能够与之相比的是低轨卫星系统过顶时产生的多普勒效应。为了减小多普勒效应对水声信号接收和处理的不良影响，有必要对接收到的水声信号进行有效的多普勒扩展因子估计和补偿，从而能够恢复出原始信号波形。正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)具有良好的抗频率选择性衰落和高的带宽利用率，可以用于多径效应严重的水下高速声通信。然而，OFDM水声通信系统的接收性能对符号同步偏差和频率偏差敏感。相较于陆上无线电信道，在水声通信中，由于通常工作频率较低，且水声声速(约1500m/s)远低于无线电传输速率，当水下运动目标之间即使存在很小的相对运动，都会引起较大的多普勒扩展，将在OFDM水声通信系统接收端引起严重的子载波间干扰(Inter-CarrierInterference,ICI)，导致解调器性能恶化，甚至不能正确解调。因此，OFDM移动水声通信技术的关键就是如何有效地降低多普勒扩展引起的子载波间干扰。当前，水声通信中主要采取以下三类方法来降低多普勒扩展引起的子载波间干扰[2]：1.均衡的方法。该类方法主要使用时域或频域均衡，通过采用一定的均衡算法来对抗多普勒扩展，降低子载波间干扰。这类方法对于符号间干扰比较有效，但是对于子载波间干扰，仅适合小多普勒频移下的高速水声通信或非相干水声通信，对于高速OFDM水声通信，计算复杂度较高。2.基于发送端处理的方法。这类方法通过设计发送端数据结构、改变子载波映射方式等消除子载波间干扰，采用这些方法，通信系统的频带利用率比一般的OFDM要低，除导频及训练序列外，需要占用额外的带宽。3.基于估计与补偿的方法。这类方法通过降低多普勒扩展对信号的影响来消除子载波间干扰，也是目前应用最为广泛的方法。它的思想是：首先估计多普勒因子，然后根据此多普勒因子对接收信号进行重采样，最后再进行解调。相较于前面两类方法，这类方法效果较好。公开的移动水声通信多普勒估计方法中多为基于时域相关运算的经典多普勒因子估计算法，主要包括块多普勒估计法、自循环移位序列估计法、模糊度函数估计法等。其基本思想为利用首尾的同步信号或是循环前缀进行整体的多普勒因子估计，其中块多普勒估计法对多普勒因子的估计只能在一次数据包发送完成后进行，不具备实时操作性，而自循环移位序列估计法和模糊度函数估计法可以直接通过接收端的相关运算进行估计，但对于水声高噪声、强多径的环境下，训练序列的自相关性往往受到限制，基于时域相关运算的多普勒估计方法在水声信号处理领域对多普勒因子的估计结果往往不甚理想。在频域，多普勒因子的估计则可以通过多普勒偏移的检测来完成。经典的基于FFT(FastFourierTransformation)的频偏检测算法，由于受到加窗信号FFT变换后的频谱泄漏效应的限制，导致估计算法的分辨率较低，往往难以满足实际应用的需求。而若通过增加有效数据长度以提高分辨率，则增大了计算量，降低了有效数据通信速率。为此研究者提出了一系列在不增加有效信号长度前提下提高频率分辨率的方法。目前已有多种测频算法成功应用于水声信号测频工程中，诸如复相关、ZOOM-FFT、插值FFT等多普勒估计方法[3][4]，但这些频域估计方法在计算复杂度和估计精度间无法兼顾。文献[5]提出了一种“基于初始角频率可调FFT(FFTω)的多普勒估计算法”，其特点在于估计精度高，但同时具有较高计算复杂度。实际应用中用探测信号的估计结果来补偿后续的OFDM符号，有可能会存在较大的偏差。此外，由于重采样误差、海浪在通信时间内的起伏、收发两端相对运动速度变化等原因，在大尺度多普勒估计后，仍存在较大的残余多普勒扩展因子。基于空子载波的OFDM频偏估计算法[6]，是一种通过对空子载波上的能量进行计算，以估计载波频率偏移的大小的方法,但其以一定频率步长进行预设频带内的估计，其估计精度存在一定偏差。目前公开的移动水声通信多普勒因子估计方法多可归纳为基于首尾的同步信号或是自循环移位序列的时域估计方法和基于单频信号的频域估计方法，对接收信号进行整体的多普勒因子估计。如公开的专利文献中，公开号为CN105282082A的一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法提出在每帧信号首尾插入线性调频信号，进行整体的多普勒因子估计，该方法仅根据数据帧的整体多普勒扩展作出估计，难以实现对多普勒因子的准确估计；公开号为CN104901718A的基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计方法，基于直接序列扩频信号对解扩后的信号测量频率值，对比估计频率值和原载波频率值估计多普勒因子；公开号为CN103618686A的水声OFDM多普勒因子精确估计方法，设计一种加入带循环前缀的前同步码和单频信号的OFDM帧，对接收信号进行多普勒估计；公开号为CN102916922A的文献《水声OFDM自适应搜索多普勒补偿方法》采用CW(ContinuesWave)单频信号作为训练序列进行多普勒频偏因子粗测，利用FFT对多普勒频偏进行补偿。以上方案均是通过同步信号或是自循环序列对接收信号进行整体的多普勒因子估计，在具有强时变性的水声信道环境下，仅以同步信号或自循环序列所在时刻的多普勒因子估计值来补偿后续OFDM数据符号的多普勒扩展，其估计准确性难以保证。以上方法不能精确地估计出每个OFDM符号的多普勒因子，从而不能达到对信号进行准确解调的效果。参考文献[1]普湛清,王巍,张扬帆等.UUV平台OFDM水声通信时变多普勒跟踪与补偿算法[J].仪器仪表学报,2017,38(7):1634-1634.[2]王彪，支志福，朱志宇等.水声高速OFDM通信的多普勒扩展处理方法[P].中国:201310416303.7,2013.09.12.[3]Susaki,H.,"Methodofhigh-resolutionfrequencymeasurementforpulse-Dopplersonar,"UnderwaterTechnology,2002.Proceedingsofthe2002InternationalSymposiumon,vol.,no.,pp本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法，其特征在于包括以下步骤：1)大尺度多普勒估计及补偿；2)残余多普勒估计及补偿；3)多普勒相位旋转补偿。

【技术特征摘要】
1.一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法，其特征在于包括以下步骤：1)大尺度多普勒估计及补偿；2)残余多普勒估计及补偿；3)多普勒相位旋转补偿。2.如权利要求1所述一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法，其特征在于在步骤1)中，所述大尺度多普勒估计及补偿，为对接收机接收到的信号进行第一次多普勒扩展处理，具体包括如下步骤：(1)接收机接收信号首先进入带通滤波器BPF，滤除带外噪声；(2)对带通滤波器BPF的输出信号进行同步检测，实现起始信号的定位；(3)根据发送信号中插入的探测信号，基于“初始角频率可调的FFT变换(FFTω)”的多普勒扩展因子估计算法，结合抛物线拟合算法降低原有多普勒扩展因子估计算法的计算复杂度，实现对多普勒扩展因子a的粗估计，得到估计值所述探测信号包括三组频率，三组频率分别为f1,f2,f3的单频信号序列；(4)以多相滤波器重采样的方法，对带通滤波器BPF输出信号以进行重采样，得到重采样后信号实现对接收信号的第一次多普勒补偿。3.如权利要求1所述一种移动水声通信的多普勒因子估计及补偿方法，其特征在于在步骤2)中，所述残余多普勒估计及补偿的具体方法为：经过大尺度多普勒估计及补偿后，系统仍然受残余的多普勒扩展因子的影响，利用空子载波进行残余多普勒估计，相对于传统的残余频偏估计，其估计精度更高，此为对接收信号进行第二次多普勒扩展处理，具体步骤如下：(1)对步骤1)第(4)部分产生的重采样后信号r′(t)，以采样率fs进行采样，采样后得到接收信号r′(n)；(2)由已知空子载波个数K、空子载波位置信息k＝[k1,k2,…,kK]以及m个不同残余多普勒扩展因子组成的集合a′m,m＝1,2,…,M，对接收信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德清，徐景鑫，胡晓毅，解永军，林志达，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35