水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法技术

本发明专利技术的目的在于提供水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法，在帧结构中的第一个OFDM符号中的低频信道插入块状导频信号。将接收信号做PFFT，利用自适应算法估计各段的加权因子。对加权之后的数据进行信道解码，再进行信号重构、多普勒补偿。不需要预先获得信道数据，可以跟踪一个OFDM符号内部的多普勒时变。DPFFT相对于传统的FFT，可以更好地适应时变信道，多普勒补偿效果明显。信号判决重构过程增加了导频数据的数量，仿真和试验结果表明该算法可行，能够提高系统的性能，而且仅使用了很少的导频数据。

【技术实现步骤摘要】
水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法
本专利技术涉及的是一种水声通信方法。
技术介绍
在水声信道中，多普勒是要影响水声信号检测性能的主要因素，多普勒会破坏正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)载波的正交性，产生载波间的干扰(intercarrierinterference,ICI)，导致严重的地板效应。大量关于多普勒补偿的研究已经展开。研究结果集中于水下平台的高速移动，以及水下宽带信号而产生的宽带多普勒补偿问题。OFDM水声通信中产生的时变多普勒会因子载波频率不同而具有差别，这种宽带多普勒具有非一致性，传统的补偿算法不能抑制信号产生的畸变。由于传播速度和水下平台运动速度，水声信道中的多普勒要比无线信道大得，主要由于声音在水中传播速度仅为(1500m/s)。水下节点运动时发射的宽带信号导致多普勒在频带内具有非一致性。水声信道时变宽带多普勒使ICI变得更加复杂，依靠传统FFT后频域均衡的方法，根本无法解决载波间的干扰，而且在进行FFT时，干扰已经混叠在频域内，根本无法消除。传统多普勒抑制采用重采样的方法，这种方法对宽带恒定多普勒有效，也就是通信节点相对速度恒定的情况下。然而实际水下信道中，OFDM等多载波的水声信道是时变的、宽带的，发射节点、接收节点的运动都是随机的。因此原重采样的方法只能对宽带多普勒进行粗补，必然会有残余多普勒无法补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供解决水声通信系统信道估计问题的水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法，其特征是：(1)发送水声OFDM信号：在水声信道中，水下平台换能器发出宽带信号：其中，Sk为子载波传送的数据，k为载波序数，N为DFT点数，To为单个OFDM符号时间长度；(2)接收信号：宽带信号经水声信道传输后，移除循环前缀后的宽带信号为：在多径水声信道中，hp(t)为信道冲激响应，τp(t)为信道多径时延，n(t)为接收机加性高斯白噪声，τp(t)＝τp+apt其中ap是多普勒因子；(3)使用DPFFT完成对接收信号的多普勒补偿：水声信道中发射的宽带信号，在经过傅里叶变换以后，输出的频域数据为：Rk＝HkSk+Nk其中，信道幅频响应信道的频响在一个符号内随时间产生变化，Nk为噪声频谱；在进行FFT变换前，对信号进行匹配滤波，假设信道冲激响应可以表示为：经匹配滤波后解调的数据为：rect(t)为矩形函数，将To长度的宽带信号r(t)分成I个字段，对每一子段的数据分别进行多普勒补偿；合并器的输出表示为：xk＝Hksk+χk其中Hk是信道频响，χk包含噪声和残余多普勒的干扰；定义第k个子载波的合并系数为向量wk，每次对单个载波进行合并，该载波的不同字段数据表示为Rk,I＝[Rk,0，Rk,1，Rk,I-1]合并器的输出为:xk＝wkRk,I利用离散时间等效模型表示接收信号，接收机采样的信号r(t)表示为向量r＝[r(0),r(1),…r(K-1)]，PFFT的输出表示成关于r的等式：其中ek是单位矢量，βm是用来计算PFFT输出的矩形窗，F是K×K阶的离散傅里叶变换矩阵，合并后的输出可以表示成：其中定义对第k个子载波的估计误差为εk＝sk-wkRk,I误差的平方为：对上式两边取数学期望，得到均方误差：对合并器的系数wk求导数，得到均方误差函数的梯度为：当子载波间隔小于信道相关带宽时，DPFFT利用前一个载波的权系数进行变换，合并后便得到对发射数据的估计：为合并后数据，对合并后的数据进行PSK或QAM解调，得到：再进行Viterbi译码，得到纠错后的bit数据流，利用纠错编码纠正发生错误的数据(···bk-2,bk-1,bk)＝vitdec(···ck-2,ck-1,ck)；纠错后的数据重新进行卷积编码再进行PSK或QAM调制，调制后的数据作为导频使用；对第k个子载波进行差错判决，如果判决结果正确或者是导频载波，误差变为在不能精确获得互相关函数和自相关函数先验知识情况下，根据最有权向量近似值的方法，即梯度的最陡下降法，即使下一子载波的权向量等于当前子载波的权向量加上一个负均方误差梯度的比例项：wk+1＝wk-μ▽(k)＝wk+2μεkRk,IDPFFT仅对每一帧的第一个符号中的信道使用导频，完成多普勒补偿。本专利技术的优势在于：不需要预先获得信道数据，可以跟踪一个OFDM符号内部的多普勒时变。DPFFT相对于传统的FFT，可以更好地适应时变信道，多普勒补偿效果明显。信号判决重构过程增加了导频数据的数量，仿真和试验结果表明该算法可行，能够提高系统的性能，而且仅使用了很少的导频数据。附图说明图1为PFFT分段波形，其中I＝6,T为OFFM单个符号时间长度；图2为PFFT时变多普勒补偿框图；图3为自适应随机梯度法的原理框图；图4为OFDM符号的帧结构；图5为本专利技术流程图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：结合图1-5，本专利技术的目的是这样实现的：(1)在帧结构中的第一个OFDM符号中的低频信道插入块状导频信号。(2)将接收信号做PFFT，利用自适应算法估计各段的加权因子。(3)对加权之后的数据进行信道解码，再进行信号重构、多普勒补偿。PFFT将单个宽带信号平均分成了I个部分，每个部分时间都比原始信号短，分段长度I可以根绝多普勒变化程度而变化，如果子段长度足够短，子段间的信道时变可以忽略不计，分段后的数据通过合并后，时变多普勒即被移除。对接收到的符号做PARTIALFFT，将加权因子看过前段滤波器，结合估计的信道频响，采用RLS算法估计加权因子，从而均衡信道，得到解调结果。合并器主要产生相应的加权系数对各字段数据进行合并，加权系数通过自适应算法产生。当子载波间隔小于信道的相干带宽时，相邻子载波的信道变化是比较小，可以近似相等。寻找最优解时，可以利用相邻信道的权系数进行迭代。为了提高系统的补偿性能，对合并后的数据进行信道译码，再进行信道编码和调制实现信号重构。本专利技术具体流程如下：1、发送水声OFDM信号在水声信道中，水下平台换能器发出的宽带信号为：Sk为子载波传送的数据，k为载波序数，N为DFT点数，To为单个OFDM符号时间长度。2、接收信号宽带信号经水声信道传输后，不考虑同步对系统性能的影响，移除循环前缀后的宽带信号为：在多径水声信道中，hp(t)为信道冲激响应，τp(t)为信道多径时延，n(t)为接收机加性高斯白噪声。τp(t)＝τp+apt(3)其中ap是多普勒因子，在宽带水声信道中每条路径的多普勒因子是不同的。传统的多普勒补偿算法认为水声信道的增益和延迟在一个OFDM符号内保持不变，在移动节点后发射信号时，速度不是恒定不变的，宽带信号产生的多普勒是随时间而发生变化的，整个OFDM符号频带内的多普勒是宽带的、时变的。多径时延也是随时间产生变化的，此外每条路径的增益在一个OFDM符号内也会产生变化。3、使用DPFFT完成对接收信号的多普勒补偿水声信道中发射的宽带信号，在经过傅里叶变换以后，输出的频域数据为：Rk＝HkSk+Nk(4)其中，信道幅频响应为信道的频响在一个符号内随时间产生变化，其中Nk本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法，其特征是：(1)发送水声OFDM信号：在水声信道中，水下平台换能器发出宽带信号：

【技术特征摘要】
1.水声OFDM中DPFFT时变宽带多普勒补偿方法，其特征是：(1)发送水声OFDM信号：在水声信道中，水下平台换能器发出宽带信号：其中，Sk为子载波传送的数据，k为载波序数，N为DFT点数，To为单个OFDM符号时间长度；(2)接收信号：宽带信号经水声信道传输后，移除循环前缀后的宽带信号为：在多径水声信道中，hp(t)为信道冲激响应，τp(t)为信道多径时延，n(t)为接收机加性高斯白噪声，τp(t)＝τp+apt其中ap是多普勒因子；(3)使用DPFFT完成对接收信号的多普勒补偿：水声信道中发射的宽带信号，在经过傅里叶变换以后，输出的频域数据为：Rk＝HkSk+Nk其中，信道幅频响应信道的频响在一个符号内随时间产生变化，Nk为噪声频谱；在进行FFT变换前，对信号进行匹配滤波，假设信道冲激响应可以表示为：经匹配滤波后解调的数据为：rect(t)为矩形函数，将To长度的宽带信号r(t)分成I个字段，对每一子段的数据分别进行多普勒补偿；合并器的输出表示为：xk＝Hksk+χk其中Hk是信道频响，χk包含噪声和残余多普勒的干扰；定义第k个子载波的合并系数为向量wk，每次对单个载波进行合并，该载波的不同字段数据表示为Rk,I＝[Rk,0，Rk,1，Rk,I-1]合并器的输出为:xk＝wkRk,I利用离散时间等效模型表示接收信号，接...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雪飞，郑彩云，
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