基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法技术

本发明专利技术提出了基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法，所述估计方法包括以下步骤：接收信号自相关输出；选取峰值附近的三个邻点；判断λ＝1或λ>1，并分别求得不同情况下的多普勒因子估计值。本发明专利技术针对CP‑OFDM系统接收信号自相关输出表达式，通过二次函数拟合后泰勒级数展开、三角函数变换等近似方式，得到了多普勒因子估计值在不同的过采样因子条件下适用的闭式解，利用该解可以显著提高多普勒因子估计精度。同时，本发明专利技术得到了过采样因子的综合最佳取值，为通信系统接收机过采样参数设置提供最优解。

Doppler factor estimation method based on autocorrelation peak interpolation of underwater acoustic OFDM signal

【技术实现步骤摘要】
基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法
本专利技术涉及基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法，属于水声通信领域

技术介绍
近年来正交频分复用(OFDM)在水声通信系统中得到广泛应用，但不同于无线电通信，水声通信过程会由于低速传播的声波和较小的载波频率带宽比而存在强烈的多普勒效应，因此为了保证OFDM系统能够在水声信道中实现，必须适当处理多普勒效应。一种方法采用线性调频(LFM)信号和双曲调频(HFM)信号的这种多普勒不敏感信号作为前导码和后同步码，在接收端处理得到前导码与后同步码的时间间隔，与原始间隔比较即可估算多普勒因子。该方法引入多余信号，且需要线下处理。在不引入额外信号的情况下，CP-OFDM系统通过循环前缀(CP)的自相关输出进行多普勒因子估计，但直接应用该方法的精度受接收信号采样率的影响，通过过采样提高估计精度的同时也会增加计算复杂度。采取插值方式可以最低限度地改善估计准确度，一种方法将频率估计的插值技术直接应用于多普勒因子估计，但没有给出明确的解释。另一种方法基于一阶导数的插值方法将一阶导数替换为瞬时相关输出，但导致性能下降。本专利技术通过基于水声CP-OFDM系统的接收信号自相关输出经过一系列数学近似得到的闭式表达式的输出峰附近三点的插值进行高精度多普勒因子估计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法，要解决的技术问题是是对基于CP-OFDM系统自相关输出的多普勒因子估计方法所采用的插值技术给出合理的解释，并且使估计性能得到提升。基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法，所述估计方法包括以下步骤：S100：得到一系列假设近似之后的自相关输出表达式取绝对值，在自相关输出峰附近取三个样本点和S200：判断λ＝1或λ>1，当λ＝1时，执行步骤S310；当λ>1时，执行步骤S410，其中，λ为过采样因子；当λ＝1时，多普勒因子估计方法包括以下步骤：S310：对选取的三个样本点处的自相关输出的分母进行泰勒级数展开，忽略高阶项，得到近似表达式；S320：根据期望自相关输出表达式得到三点的输出函数关系；S330：将上式中的分子中的三角函数部分转化为其他形式；S340；λ＝1，且α很小的情况下，上式中转化得到的项近似等于1，将步骤320中的输出表达式分子近似为一致可约去；S350：定义关于三个样本点的新变量Re(θ)；S360：计算二次函数的两个根和S370：根据和的正负来选择其中一个根作为真正的多普勒因子估计值，当λ>1时，多普勒因子估计方法包括以下步骤：S410：定义和将三个样本点的|Ψα[·]|输出化简为关于η和γ的自相关输出表达式；S420：根据自相关输出表达式确定新变量的函数表达式；S430：根据函数表达式计算多普勒因子估计值。进一步的，S420中，包括以下步骤：S421：对上式中的分母进行泰勒级数展开，忽略高阶项，得到泰勒展开近似后的输出表达式；S422：将输出表达式转化为三点的输出与关于η和γ的三角函数的等式；S423：将S422得到的等式转化为η关于γ和输出值的等式，定义分子为μ1，分母为μ2；S424：计算多普勒因子估计值进一步的，S420中，包括以下步骤：S425：根据得到的自相关输出表达式中的三角函数部分的和，进行差化积运算，将三个样本点的输出结合在一个等式；S426：定义和得到η关于Γ1，Γ2和γ的表达式；S427：计算多普勒因子估计值本专利技术的主要优点是：本专利技术针对CP-OFDM系统接收信号自相关输出表达式，通过二次函数拟合后泰勒级数展开、三角函数变换的近似方式，得到了多普勒因子估计值在不同的过采样因子条件下适用的闭式解，利用该解可以显著提高多普勒因子估计精度。同时，本专利技术得到了过采样因子的综合最佳取值，为通信系统接收机过采样参数设置提供最优解。附图说明图1为根据q(t)定义决定的两种CP-OFDM信号结构；图2为三种多普勒因子估计方法流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出了基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法的一实施例，所述估计方法包括以下步骤：S100：得到一系列假设近似之后的自相关输出表达式取绝对值，在自相关输出峰附近取三个样本点和S200：判断λ＝1或λ>1，当λ＝1时，执行步骤S310；当λ>1时，执行步骤S410，其中，λ为过采样因子；当λ＝1时，多普勒因子估计方法包括以下步骤：S310：对选取的三个样本点处的自相关输出的分母进行泰勒级数展开，忽略高阶项，得到近似表达式；S320：根据期望自相关输出表达式得到三点的输出函数关系；S330：将上式中的分子中的三角函数部分转化为其他形式；S340；λ＝1，且α很小的情况下，上式中转化得到的项近似等于1，将步骤320中的输出表达式分子近似为一致可约去；S350：定义关于三个样本点的新变量Re(θ)；S360：计算二次函数的两个根和S370：根据和的正负来选择其中一个根作为真正的多普勒因子估计值，当λ>1时，多普勒因子估计方法包括以下步骤：S410：定义和将三个样本点的|Ψα[·]|输出化简为关于η和γ的自相关输出表达式；S420：根据自相关输出表达式确定新变量的函数表达式；S430：根据函数表达式计算多普勒因子估计值。具体的，本实施例采用了CP-OFDM系统与水声多径信道模型，涉及的OFDM系统采用循环前缀模式，假定一个OFDM数据块的总子载波数为K，s[k]为每个子载波上相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)的调制符号，为第k个子载波的频率，fc为载波频率，T为符号持续时间，q(t)为矩形脉冲成形窗。那么时域上的基带传输CP-OFDM信号表达式为将CP长度记为Tcp，根据对q(t)的定义，考虑两种信号结构，结构1：结构2：如图1所示，结构1表示CP后为两个一致的OFDM符号，结构2则CP后为一个OFDM符号。假定多径信道多径数为L，第l条径的幅度和时延分别为βl和τl，所有路径一致多普勒因子为α，则信道冲激响应表达式为经过下变频和低通滤波后，基带接收信号为其中为基带等效复信道幅度，w(t)为基带噪声。基于自相关的多普勒因子估计：忽略噪声，(3)式存在周期为T/(1+α)的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法，其特征在于，所述估计方法包括以下步骤：/nS100：得到一系列假设近似之后的自相关输出表达式

【技术特征摘要】
1.基于水声OFDM信号自相关输出峰插值的多普勒因子估计方法，其特征在于，所述估计方法包括以下步骤：
S100：得到一系列假设近似之后的自相关输出表达式取绝对值，在自相关输出峰附近取三个样本点和
S200：判断λ＝1或λ>1，当λ＝1时，执行步骤S310；当λ>1时，执行步骤S410，其中，λ为过采样因子；
当λ＝1时，多普勒因子估计方法包括以下步骤：
S310：对选取的三个样本点处的自相关输出的分母进行泰勒级数展开，忽略高阶项，得到近似表达式；
S320：根据期望自相关输出表达式得到三点的输出函数关系；
S330：将上式中的分子中的三角函数部分转化为其他形式；
S340；λ＝1，且α很小的情况下，上式中转化得到的项近似等于1，将步骤320中的输出表达式分子近似为一致可约去；
S350：定义关于三个样本点的新变量Re(θ)；
S360：计算二次函数的两个根和
S370：根据和的正负来选择其中一个根作为真正的多普勒因子估计值，
当λ>1时，多普勒因子估计方法包括以下步骤：
S410：定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宗鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨哈船海洋信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙;23