稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于OFDM水声通信技术领域，特别涉及一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法及装置，该方法包含：构建正交频分复用OFDM信号通过水声信道后的信号模型，其中，正交频分复用OFDM信号包含同步段的同步信号和OFDM数据段的码元，每个码元中包含循环前缀和符号数据；通过分数阶傅里叶变换对同步段正交频分复用OFDM信号进行处理，获取信道稀疏度估计值；通过正交匹配追踪对水声OFDM稀疏信道进行重构，获取解调信号并输出。本发明专利技术信道估计方案更加实用，在稀疏度未知的情况下，通过试验验证，性能优于传统的稀疏度自适应方案，可以获得更精确的信道估计，从而获得更好的解调性能，保证通信稳健，性能稳定、运行高效，具有较强实际应用价值和发展前景。

【技术实现步骤摘要】
稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法及装置
本专利技术属于OFDM水声通信
，特别涉及一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法及装置。
技术介绍
水声信道是一种典型的时变、频变和空变信道，这为稳健的高速率水声通信提出了挑战。与传统的单载波通信系统相比，正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM)因其较高的频谱利用率，较强的抗多径能力和均衡器结构易于实现而成为一个研究热点。OFDM通过增加保护间隔(循环前缀)来减轻水声通信中的载波间干扰(inter-carrierinterference，ICI))和码间串扰(inter-symbolinterference，ISI)。但水声信道多途通常为几十甚至几百毫秒，仅仅通过保护间隔无法克服多途干扰。为了克服水声OFDM通信中的多途问题，精确地信道估计和信道均衡算法必不可少。传统的水声信道估计算法，比如最小平方(leastsquare，LS)和最小均方误差(minimummeansquareerror，MMSE)易受噪声干扰，因此信道估计精度不高。随着压缩感知(compressedsensing，CS)理论的发展，稀疏信道估计得到了越来越多的关注。水声信道在时域和频域都可认为具有稀疏特性，将基于压缩感知的贪婪算法用于信道估计，在已知稀疏度的情况下取得了较好的性能，然而在实际水声通信中，信道的稀疏度往往是未知的。现有稀疏度自适应算法(sparsityadaptivematchingpursuit，SAMP)，不适用于低信噪比下的水声信道估计。专利技术内容针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法及装置，适用于移动水声通信的信道估计，且能够实现较低信噪比下的信道估计，估计精度高，便于信号重构。按照本专利技术所提供的设计方案，一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，包含如下内容：构建正交频分复用OFDM信号通过水声信道后的信号模型，其中，正交频分复用OFDM信号包含同步段的同步信号和OFDM数据段的码元，每个码元中包含循环前缀和符号数据；通过分数阶傅里叶变换对同步段正交频分复用OFDM信号进行处理，获取信道稀疏度估计值；通过正交匹配追踪对水声OFDM稀疏信道进行重构，获取解调信号并输出。上述的，水声通信中OFDM信号采用线性调频Chirp信号；通过对Chirp信号进行多普勒因子估计和补偿，构建水声通信多途通道模型；将Chirp信号经过水声通信多途通道模型，获取接收信号。优选的，水声通信多途通道模型表示为:其中，Ap和τp分别是第p条路径的衰落和时延，p是多途数量，n(t)为高斯白噪声。优选的，将Chirp信号和接收信号分别进行分数阶傅里叶变换FRFT；依据两者FRFT变换结果，获取信道稀疏度估计值。更进一步，Chirp信号FRFT变换结果中，通过在[-π，π]内遍历搜索最佳旋转角度，确定获取接收信号的冲激函数，通过冲激函数获取接收信号在最佳旋转角度产生的系列峰值；并根据FRFT时频变换特性获取峰值间隔与时延关系；依据峰值间隔与时延关系，并通过设定门限，得到超出门限的峰值个数来获取信道稀疏度估计值。上述的，OFDM信号经过信号模型后，对信号模型前后的发送信号、接收信号，及信道冲激响应和高斯白噪声，分别进行傅里叶变换，借助信道稀疏度估计值并利用压缩感知理论重构稀疏信道，通过重构后的稀疏信道进行信道均衡并输出解调信号。优选的，信号模型前后的接收信号通过傅里叶变换后，表示为：Y＝XH+N，其中，Y和X分别为接收信号和发送信号的傅里叶变换，H和N分别为信道冲激响应和高斯白噪声的傅里叶变换。优选的，利用压缩感知理论重构稀疏信道过程中，将作为传感矩阵Φ，Y作为采样向量，信道稀疏度估计值作为输入参数，通过正交匹配追踪OMP方法进行信道估计重构。一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计装置，包含模型获取模块、估计模块和重构模块，其中，模型获取模块，用于构建正交频分复用OFDM信号通过水声信道后的信号模型，其中，正交频分复用OFDM信号包含同步段的同步信号和OFDM数据段的码元，每个码元中包含循环前缀和符号数据；估计模块，用于通过分数阶傅里叶变换对同步段正交频分复用OFDM信号进行处理，获取信道稀疏度估计值；重构模块，用于通过正交匹配追踪对水声OFDM稀疏信道进行重构，获取解调信号并输出。上述的装置中，重构模块包含信号变换子模块和信道估计重构子模块，其中，信号变换子模块，用于对信号模型前后的发送信号、接收信号，及信道冲激响应和高斯白噪声，分别进行傅里叶变换，接收信号通过傅里叶变换后，表示为：Y＝XH+N，其中，Y和X分别为接收信号和发送信号的傅里叶变换，H和N分别为信道冲激响应和高斯白噪声的傅里叶变换；信道估计重构子模块，用于利用压缩感知理论重构稀疏信道过程中，将作为传感矩阵Φ，Y作为采样向量，信道稀疏度估计值作为输入参数，通过正交匹配追踪OMP方法进行信道估计重构。本专利技术的有益效果：本专利技术中通过分数阶傅里叶变换(fractionalFouriertransform，FRFT)对同步段的线性调频(Chirp)信号进行处理，获得信道稀疏度的估计值；然后借助正交匹配追踪(orthogonalmatchingpursuit，OMP)对水声OFDM稀疏信道进行重构，通过虚拟时反技术进行信道均衡，输出解调信号。在稀疏信道重构之前，增加对稀疏度估计的预处理过程；将稀疏度估计值作为输入，使得基于正交匹配追踪的信道估计方案更加实用，并且性能优于稀疏度自适应方案。在稀疏度未知的情况下，通过试验验证，本专利技术技术方案性能优于传统的稀疏度自适应方案，可以获得更精确的信道估计，从而获得更好的解调性能，保证通信稳健，性能稳定、运行高效，具有较强的实际应用价值和发展前景。附图说明：图1为实施例中信道估计方法流程示意图；图2为实施例中OFDM信号模型示意图；图3为实施例中信道估计装置示意图；图4为实施例中重构模块示意图；图5为实施例中声速剖面图；图6为实施例中归一化Bellhop归一化冲激响应；图7为实施例中接收同步信号的三维峰值搜索图；图8为实施例中最佳旋转角度的FRFT二维峰值图；图9为实施例中三种信道估计方案均方误差对比曲线图；图10为实施例中未编码情况下设定导频间隔的误码率曲线图；图11为实施例中编码情况下设定导频间隔的误码率曲线图。具体实施方式：下面结合附图和技术方案对本专利技术作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本专利技术的实施方式，但本专利技术的实施方式并不限于此。目前，针对稀疏水声信道的估计方法中，存在两类问题：第一类问题为传统的最小平放，最小均方误差算法和稀疏度自适应类的算法对噪声敏感，导致精度较低；第二类基于压缩感知的贪婪算法虽然能够实现较低信噪比下的信道估计，但是需要先验的稀疏度信息作为输入，然而在实际水声通信中稀疏度时未知的，导致贪婪算法的实用性大大降低。为此，本申请实施例中，参见图1所示，提供一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，包含如下内容：构建正交频分复用OFDM信号通过水声信道后的信号模型，其中，正交频分复用OFDM信号包含同步段的同步信号和OFDM数据段的码元，每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，包含如下内容：构建正交频分复用OFDM信号通过水声信道后的信号模型，其中，正交频分复用OFDM信号包含同步段的同步信号和OFDM数据段的码元，每个码元中包含循环前缀和符号数据；通过分数阶傅里叶变换对同步段正交频分复用OFDM信号进行处理，获取信道稀疏度估计值；通过正交匹配追踪对水声OFDM稀疏信道进行重构，获取解调信号并输出。

【技术特征摘要】
1.一种稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，包含如下内容：构建正交频分复用OFDM信号通过水声信道后的信号模型，其中，正交频分复用OFDM信号包含同步段的同步信号和OFDM数据段的码元，每个码元中包含循环前缀和符号数据；通过分数阶傅里叶变换对同步段正交频分复用OFDM信号进行处理，获取信道稀疏度估计值；通过正交匹配追踪对水声OFDM稀疏信道进行重构，获取解调信号并输出。2.根据权利要求1所述的稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，水声通信中OFDM信号采用线性调频Chirp信号；通过对Chirp信号进行多普勒因子估计和补偿，构建水声通信多途通道模型；将Chirp信号经过水声通信多途通道模型，获取接收信号。3.根据权利要求2所述的稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，水声通信多途通道模型表示为:其中，Ap和τp分别是第p条路径的衰落和时延，p是多途数量，n(t)为高斯白噪声。4.根据权利要求2所述的稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，将Chirp信号和接收信号分别进行分数阶傅里叶变换FRFT；依据两者FRFT变换结果，获取信道稀疏度估计值。5.根据权利要求4所述的稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，Chirp信号FRFT变换结果中，通过在[-π，π]内遍历搜索最佳旋转角度，确定获取接收信号的冲激函数，通过冲激函数获取接收信号在最佳旋转角度产生的系列峰值；并根据FRFT时频变换特性获取峰值间隔与时延关系；依据峰值间隔与时延关系，并通过设定门限，得到超出门限的峰值个数来获取信道稀疏度估计值。6.根据权利要求1所述的稀疏度未知的水声正交频分复用信道估计方法，其特征在于，OFDM信号经过信号模型后，对信号模型前后的发送信号、接收信号，及信道冲激响应和高斯白噪声，分别进行傅里叶变换，...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊军辉，彭华，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南,41