一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法技术

本发明专利技术公开了一种水声OFDM通信中基于Dual‑Zadoff‑Chu序列的信号同步方法，涉及水声OFDM通信领域，包括发送机和接收机，发送机发送的前导码长度为2N，由两个相同的长度为N的Dual‑ZC序列串联而成，Dual‑ZC序列由两个长度为N，参数设定相同，频率相差g(0

【技术实现步骤摘要】
一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法
本专利技术涉及水声OFDM通信领域，尤其涉及一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法。
技术介绍
OFDM(正交频分复用技术)在陆上通信中的运用已经取得了重大成功，同时水声通信领域基于OFDM的研究也广泛开展。信号的同步是通信中非常重要的领域，一般而言，信号同步主要分为两个方面：定时同步和频率同步。定时同步主要是指接收机检测到信号的到来并估计出一个较为精确的时钟偏移量。频率同步主要是指估计出多普勒拓展等于多普勒拓展效应相关的参数，并补偿信号的剩余频率偏移量。在OFDM通信的信号设计中，通常会在OFDM信号前面加入循环前缀来缓解一些定时同步误差对于信号的影响，但是，OFDM信号依旧对于频率同步误差非常敏感。在水声通信领域，水声信道具有多径效应和多普勒拓展效应，OFDM信号对于同步误差敏感的这一特征使得其应用面临着更大的挑战。通常，我们会在信号前加入前导码来解决同步问题。前导码所使用的波形大致可以分为两类：多普勒不敏感型和多普勒敏感型。例如线性调频、双曲调频产生的波形都是常见的多普勒不敏感的波形，这种波形通常可以用于解决信号检测和时钟偏移量的估计问题。而m序列和相同符号序列是典型的多普勒敏感型波形，通常会用于解决定时同步和多普勒拓展的估计问题。目前已有很多工作使用上述的波形解决同步问题，但受限于多径信道和多普勒拓展效应的影响，各种解决方法都有其局限性。除了前述的前导码波形，Zadoff-Chu(ZC)序列也可以用作前导码。ZC序列是一种恒包络零自相关序列，具有良好的自相关和互相关特性。一个ZC序列与其循环移位后所得到的序列都不具有相关性。所以，ZC序列很适合于同步问题。现有工作中，ZC序列已经用于解决陆上射频通信中的定时同步、信道估计以及载波频率偏移等问题中。然而，对于水声通信中极为重要的多普勒拓展效应问题的考虑，在陆上射频通信中鲜有考虑。所以，ZC序列在水声同步问题中的使用无法照搬陆上射频通信的使用方法，需要研究出一套可适应水下环境的同步方法。经检索发现，中国申请专利号为：201610414017.0，名称为：基于Zadoff-Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法，该技术提供了一种使用Zadoff-Chu序列作为同步包的水声通信同步方法，但是该技术仅可以解决水声通信的定时同步，没有考虑频率同步等问题；中国申请专利号为：201610626974.X，名称为：基于ZC序列的周期前导序列生成方法，该技术提供了一种基于Zadoff-Chu序列的帧检测方法，但是没有给出具体的同步方法；中国申请专利号为：200910021976.6，名称为：移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，该技术提供了一种水下设备高速移动时通信信号的精确同步和多普勒估计，但是该技术也仅考虑了定时同步，对于水声通信中的频率同步、载波频率偏移、信道均衡等重要问题均没有涉及。综上，现有技术存在如下缺陷：缺少可以同时解决定时同步、频率同步和信道估计的方法；现有技术需要做多维搜索，运算复杂度较高；缺少适于通信符号解调的精细时间同步方法；在现有技术中，高精度的多普勒拓展估计多用基于搜索的方法，没有显式解。因此，本领域的技术人员致力于开发一种水声OFDM通信中基于Zadoff-Chu序列的信号同步方法，解决水声通信中定时同步和频率同步，多普勒扩展估计以及信道估计等难题。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，在水声OFDM通信环境中，基于Zadoff-Chu序列进行信号同步，本专利技术所要解决的技术问题是：1)如何使用一个信号前导码来完成定时同步、频率同步以及信道估计问题；2)把时间同步、频率同步以及信道估计问题独立解耦，降低运算复杂度；3)提出适于通信符号解调的精细时间同步方法；4)对于高精度的多普勒拓展估计提出显式求解方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法，包括发送机和接收机，发送机发送的前导码长度为2N，由两个相同的长度为N的Dual-ZC序列串联而成，Dual-ZC序列由两个长度为N的ZC序列ZC_seq1与ZC_seq2叠加而成，ZC_seq1与ZC_seq2的参数设定相同，ZC_seq2在ZC_seq1的基础上加入频率移动g，频率移动g的取值范围为0<g<N；接收机包括自相关检测器和循环检测器，工作时包含以下步骤：步骤1：接收到一段原始序列，若检测器检测到信号到来，则进入步骤2，否则继续检测下一个接收到的序列；步骤2：当检测器检测到信号到达，根据检测器提供的信息粗略地估计出序列的信号时间偏移量和多普勒扩展；步骤3：对接收到的原始序列进行下变频、升采样，并使用步骤2中得到的信号时间偏移量的粗略估计值对原始序列进行补偿，并将补偿后的序列送入平方率装置并减去直流分量；步骤4：对步骤3中输出序列使用ESPRIT算法进行精确的多普勒扩展估计；步骤5：使用步骤4中精确的多普勒扩展估计，消除大部分多普勒扩展对原始序列的影响；步骤6：将步骤5得到的序列进行下变频并进行降采样，并使用步骤2中信号时间偏移量的粗略估计值对接收序列进行补偿，得到序列x[n]；步骤7：使用步骤6中得到的序列x[n]估计载波频率偏移量，并使用估计值进行补偿；步骤8：将步骤7中补偿过载波频率偏移量的信号序列与本地模板进行互相关运算，并用互相关得到的序列z[l]精确估计信号时间偏移量以及信道响应。进一步地，步骤1中首先对接收序列预处理，对接收序列进行下变频，然后进行λ倍升采样得到序列seq1，将seq1送入平方率装置并减去其的直流分量得到序列seq2；如果使用自相关检测器，则检测器输入为seq1；如果使用循环检测器，则检测器输入为seq2。对于接收序列中包含前导码序列的前提下，预处理序列seq2可被视为正弦序列与噪声相关序列的叠加；进一步地，如果检测器为自相关检测器，所述自相关检测器中包含级联的第一滑窗与第二滑窗，所述第一滑窗与所述第二滑窗既不重叠也无间隔，使用所述第一滑窗与所述第二滑窗内的序列进行归一化的互相关运算；计算结果与第一个滑窗的第一个采样点的位置以及每个滑窗的长度Nl相关。第一个滑窗的第一个采样点的位置k以及每个滑窗的长度Nl构成的(k，Nl)对应一个归一化的互相关结果y(k，Nl)；第一个滑窗中的第一个采样点的位置为整个序列的第k个采样点，检测过程中k的取值为从1开始的正整数；对于某一个k值，不同的滑窗长度Nl可以在取值范围[(1-γmax)λN，(1+γmax)λN]中均匀取得，其中γmax为多普勒扩展的绝对值的最大值，对于水下移动节点，γmax取值一般为3000ppm；如果存在一个y(k，Nl)大于预先设定好的检测器门限值，则认为检测到信号到来；如果所有归一化的互相关值均没有超过检测器门限值，则k＝k+1，重新计算下一组结果。1.进一步地，步骤2中检测器为自相关检测器时，对于超出检测门限值的互相关值y(k，Nl)对应的k值，作为信号时间偏移量的粗略估计值粗略的多普勒扩展的估计值可由下式求得：进一步地，如果检测器为循环检测器，计算输入信号序列的循环自相关函数，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声OFDM通信中基于Dual‑Zadoff‑Chu序列的信号同步方法，其特征在于，包括发送机和接收机，所述发送机发送的前导码长度为2N，由两个相同的长度为N的Dual‑ZC序列串联而成，所述Dual‑ZC序列由两个长度为N的ZC序列ZC_seq1与ZC_seq2叠加而成，所述ZC_seq1与所述ZC_seq2的参数设定相同，所述ZC_seq2在所述ZC_seq1的基础上加入频率移动g，所述频率移动g的取值范围为0

【技术特征摘要】
1.一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法，其特征在于，包括发送机和接收机，所述发送机发送的前导码长度为2N，由两个相同的长度为N的Dual-ZC序列串联而成，所述Dual-ZC序列由两个长度为N的ZC序列ZC_seq1与ZC_seq2叠加而成，所述ZC_seq1与所述ZC_seq2的参数设定相同，所述ZC_seq2在所述ZC_seq1的基础上加入频率移动g，所述频率移动g的取值范围为0<g<N；所述接收机包括自相关检测器和循环检测器，工作时包含以下步骤：步骤1：接收到一段原始序列，若检测器检测到信号到来，则进入步骤2，否则继续检测下一个接收到的序列；步骤2：当所述检测器检测到信号到达，根据所述检测器提供的信息粗略地估计出序列的信号时间偏移量和多普勒扩展；步骤3：对接收到的所述原始序列进行下变频、升采样，并使用步骤2中得到的所述信号时间偏移量的粗略估计值对所述原始序列进行补偿，并将补偿后的序列送入平方率装置并减去直流分量；步骤4：对步骤3中输出序列使用ESPRIT算法进行精确的多普勒扩展估计；步骤5：使用步骤4中所述精确的多普勒扩展估计，消除大部分多普勒扩展对所述原始序列的影响；步骤6：将步骤5得到的序列进行下变频并进行降采样，并使用步骤2中所述信号时间偏移量的粗略估计值对接收序列进行补偿，得到序列x[n]；步骤7：使用步骤6中得到的所述序列x[n]估计载波频率偏移量，并使用估计值进行补偿；步骤8：将步骤7中补偿过载波频率偏移量的信号序列与本地模板进行互相关运算，并用互相关得到的序列z[l]精确估计所述信号时间偏移量以及信道响应。2.如权利要求1所述的水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法，其特征在于，所述步骤1中首先对接收序列预处理，对接收序列进行下变频，然后进行λ倍升采样得到序列seq1，将所述seq1送入平方率装置并减去其直流分量得到序列seq2；如果使用所述自相关检测器，则输入为所述seq1；如果使用所述循环检测器，则输入为所述seq2。3.如权利要求2所述的水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法，其特征在于，所述自相关检测器中包含级联的第一滑窗与第二滑窗，所述第一滑窗与所述第二滑窗既不重叠也无间隔，使用所述第一滑窗与所述第二滑窗内的序列进行归一化的互相关运算；所述第一滑窗的第一个采样点的位置k以及所述第一滑窗的长度Nl构成的(k，Nl)对，对应一个归一化的互相关结果y(k，Nl)；所述第一滑窗中的第一个采样点的位置为整个序列的第k个采样点，检测过程中k的取值为从1开始的正整数；对于某一个k值，不同的滑窗长度Nl可以在取值范围[(1-γmax)λN，(1+γmax)λN]中均匀取得，其中γmax为多普勒扩展的绝对值的最大值，所述γmax取值一般为3000ppm；如果存在一个y(k，Nl)大于预先设定好的检测器门限值，则认为检测到信号到来；如果所有归一化的互相关值均没有超过所述检测器门限值，则k＝k+1，重新计算下一组结果。4.如权利要求2所述的水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王易因，李一辰，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31