水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法，其在发送端对原始的二进制数据交织变换和调制处理后得到二进制发送数据；在接收端将二进制时域信号转化为OFDM频域信号，并提取出OFDM频域信号的相位信息；对时域的脉冲噪声信号和多普勒频偏进行基于子空间的联合抑制；对抑制后的频域信号进行解调处理和解交织变换得到时域中的估计信号；优点是能够联合抑制脉冲噪声与多普勒频偏，且抑制效果好。

Joint suppression method of pulse noise and Doppler frequency offset in underwater acoustic communication system

【技术实现步骤摘要】
水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法
本专利技术涉及一种水声通信系统中抑制干扰的方法，尤其是涉及一种水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法。
技术介绍
随着人类对近海岸的开发利用，新一代水声通信系统可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构、海洋环境观测等情景，这也将是未来不可或缺的一项通信技术。但是，水声通信的广泛应用受到了诸多限制，其中，水声信道中多普勒频偏的存在及水声信道中丰富的脉冲噪声是制约水声通信系统性能的主要因素。在实际中，水声信道中的多普勒频偏与脉冲噪声的影响是同时存在的，多普勒频偏估计与脉冲噪声估计也是无法独立分开的，因此联合估计多普勒频偏和脉冲噪声逐渐引起了重视。现有的联合估计并抑制多普勒频偏和脉冲噪声的方法有很多，如：文献“Carrierfrequencyoffsetandimpulsenoiseestimationforunderwateracousticorthogonalfrequencydivisionmultiplexing”(水下声正交频分复用的载波频偏和脉冲噪声估计)中提出了利用OMP(正交匹配追踪)算法和空子载波能量最小化方法来联合估计脉冲噪声和多普勒频偏，但是该方法需要在频偏范围内搜索值并进行脉冲噪声估计，计算量较大，且抑制性能并不理想。又如：文献“Apilot-aidedDopplerestimatorforunderwateracousticchannels”(水下声通道的辅助多普勒估计器)中提出了一种基于接收信号能量谱密度的水声多普勒估计器，其估计精度依赖于导频估计窗口的选取。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法，其抑制效果好。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：在基于OFDM的水声通信系统的发送端，对原始的二进制数据进行交织变换，交织变换后得到一个M行J列的矩阵；然后对交织变换后得到的矩阵进行调制处理，得到二进制发送数据；再经过水声信道将二进制发送数据发送给基于OFDM的水声通信系统的接收端；其中，原始的二进制数据的长度为N，N表示OFDM子载波数量，N为正整数，N≥64，M和J均为正整数，M≥1，J≥1，M×J＝N；步骤二：在基于OFDM的水声通信系统的接收端，将接收端接收到的二进制时域信号转化为OFDM频域信号，记为RF，RF＝FR＝DFhFHs+Fv+Fn；接着令Λ＝FhFH，并令将RF＝FR＝DFhFHs+Fv+Fn转化为再将DΛs分离为将转化为之后对RF提取相位信息，得到RF＝BS1；其中，RF的长度为N，F表示维数为N×N的离散傅里叶变换矩阵，R表示接收端接收到的二进制时域信号，R的长度为N，D表示维数为N×N的多普勒频偏，h表示维数为N×N的信道循环矩阵，h的第1列为归一化的信道脉冲响应，FH为F的共轭转置，s表示原始的二进制数据，v表示时域的脉冲噪声信号，v的长度为N，n表示时域的背景噪声信号，n的长度为N，Λ和均为引入的中间变量，符号“[]”为向量表示符号，Rn表示RF中空子载波所对应的部分信号，Rd表示RF中数据子载波所对应的部分信号，B表示维数为N×M的相移矩阵，B是一个满秩矩阵，S1表示s对应的频域信号S中的第1列；步骤三：对时域的脉冲噪声信号v和多普勒频偏D进行基于子空间的联合抑制，具体步骤如下：1)令k表示迭代次数，k的初始值为1；2)计算第k次迭代过程中Rn的协方差矩阵，记为其中，为维数为N×N的对角矩阵，(S(k))H为S(k)的共轭转置，S(k)表示第k次迭代过程中s对应的频域信号，k＝1时S(k)＝S，BH为B的共轭转置，表示S(k)的协方差矩阵；3)令表示第k次迭代过程中的噪声向量子空间；然后从中的所有特征值中筛选出值大于或等于2σ2的特征值；接着将筛选出的每个特征值对应的特征向量作为一列存入中；再利用确定第k次迭代过程中v在频域中的具体位置；其中，σ2表示n的方差，f(k)表示第k次迭代过程中v的频谱图，表示S(k)中对应的部分频域信号，为的共轭转置；4)构造一个最小二乘方程，描述为：然后求解得到其中，表示Rn中所对应的部分信号，表示B中所对应的部分，表示第k次迭代过程中v的幅度估计值，为的共轭转置；5)当第k次迭代过程中v在频域中的具体位置和v的幅度估计值确定后，即得到第k次迭代过程中v的值，记为v(k)；然后在第k次迭代过程中对时域的脉冲噪声和时域的背景噪声信号进行抑制，得到第k次迭代过程中D的值，记为D(k)，其中，θ(k)为引入的中间变量，表示第k次迭代过程中的OFDM频域信号，k＝1时6)判断v(k)与v(k-1)的差值的绝对值是否小于设定阈值，如果是，结束迭代过程，得到时域的脉冲噪声信号v和多普勒频偏D联合抑制后的频域信号，然后执行步骤四；否则，计算然后令k＝k+1，再返回步骤2)继续执行；其中，k≠1时v(k-1)表示第k-1次迭代过程中v的值，k＝1时v(k-1)为无穷大，表示第k+1次迭代过程中的OFDM频域信号，k＝k+1中的“＝”为赋值符号；步骤四：对时域的脉冲噪声信号v和多普勒频偏D联合抑制后的频域信号进行解调处理，然后对解调处理后得到的二进制数据进行解交织变换，解交织变换后得到时域中的估计信号。所述的步骤6)中设定阈值为10-5。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术方法在估计脉冲噪声的基础上，利用数据子载波联合估计了多普勒频偏，在发送信息已知的条件下，能够更好地完成水声通信系统中脉冲噪声的抑制，提升性能，仿真结果表明，本专利技术方法在相同信噪比下误比特率为未进行多普勒补偿情况下的脉冲噪声抑制算法的10-2。2)本专利技术方法能够更加准确地估计水声通信系统中的脉冲噪声，从而完成脉冲噪声的抑制，与未进行脉冲噪声抑制相比，在误比特率为10-2时，信噪比提升了5dB。3)由于增加空子载波的个数会降低系统容量，为了在不降低系统容量的条件下联合估计多普勒频偏与脉冲噪声，本专利技术方法在估计多普勒频偏时使用数据子载波所携带的信息，提高了鲁棒性。附图说明图1为本专利技术方法的总体实现框图；图2为空子载波数为30时MUSIC算法、SBL算法、压缩感知方法、只补偿多普勒方法、未抑制情况下的误比特率曲线；图3为空子载波数为90时MUSIC算法、SBL算法、压缩感知方法、只补偿多普勒方法、未抑制情况下的误比特率曲线；图4为信噪比SNR为-10dB时MUSIC算法、SBL算法、压缩感知方法、只补偿多普勒方法、未抑制情况下的误比特率曲线；图5为信噪比SNR为10dB时MUSIC算法、SBL算法、压缩感知方法、只补偿多普勒方法、未抑制情况下的误比特率曲线。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术提出的一种水声通信系统中脉冲噪声与多普本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：在基于OFDM的水声通信系统的发送端，对原始的二进制数据进行交织变换，交织变换后得到一个M行J列的矩阵；然后对交织变换后得到的矩阵进行调制处理，得到二进制发送数据；再经过水声信道将二进制发送数据发送给基于OFDM的水声通信系统的接收端；其中，原始的二进制数据的长度为N，N表示OFDM子载波数量，N为正整数，N≥64，M和J均为正整数，M≥1，J≥1，M×J＝N；/n步骤二：在基于OFDM的水声通信系统的接收端，将接收端接收到的二进制时域信号转化为OFDM频域信号，记为R

【技术特征摘要】
1.一种水声通信系统中脉冲噪声与多普勒频偏联合抑制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在基于OFDM的水声通信系统的发送端，对原始的二进制数据进行交织变换，交织变换后得到一个M行J列的矩阵；然后对交织变换后得到的矩阵进行调制处理，得到二进制发送数据；再经过水声信道将二进制发送数据发送给基于OFDM的水声通信系统的接收端；其中，原始的二进制数据的长度为N，N表示OFDM子载波数量，N为正整数，N≥64，M和J均为正整数，M≥1，J≥1，M×J＝N；
步骤二：在基于OFDM的水声通信系统的接收端，将接收端接收到的二进制时域信号转化为OFDM频域信号，记为RF，RF＝FR＝DFhFHs+Fv+Fn；接着令Λ＝FhFH，并令将RF＝FR＝DFhFHs+Fv+Fn转化为再将DΛs分离为将转化为之后对RF提取相位信息，得到RF＝BS1；其中，RF的长度为N，F表示维数为N×N的离散傅里叶变换矩阵，R表示接收端接收到的二进制时域信号，R的长度为N，D表示维数为N×N的多普勒频偏，h表示维数为N×N的信道循环矩阵，h的第1列为归一化的信道脉冲响应，FH为F的共轭转置，s表示原始的二进制数据，v表示时域的脉冲噪声信号，v的长度为N，n表示时域的背景噪声信号，n的长度为N，Λ和均为引入的中间变量，符号“[]”为向量表示符号，Rn表示RF中空子载波所对应的部分信号，Rd表示RF中数据子载波所对应的部分信号，B表示维数为N×M的相移矩阵，B是一个满秩矩阵，S1表示s对应的频域信号S中的第1列；
步骤三：对时域的脉冲噪声信号v和多普勒频偏D进行基于子空间的联合抑制，具体步骤如下：
1)令k表示迭代次数，k的初始值为1；
2)计算第k次迭代过程中Rn的协方差矩阵，记为其中，为维数为N×N的对角矩阵，(S(k))H为S(k)的共轭转置，S(k)表示第k...

【专利技术属性】
技术研发人员：李有明，曾宇恩，卢志刚，王沛鑫，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33