一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，所述方法包括：步骤1)接收端将OFDM接收信号进行混频、滤波、降采样、同步以及OFDM帧的多普勒估计后，利用接收端的非均匀空子载波信号，采用多重信号分类即MUSIC方法求出谱函数；步骤2)根据求出的谱函数采用模拟遗传算法快速求解基于非均匀空载波的谱函数极值解，通过计算群体中个体适应度得到个体评价依据，采用复制、交叉和突变的基因操作得到适应度优化的新种群，并直至迭代收敛到最终结果。通过本发明专利技术，使得空载波放置更加任意灵活，能够直接获得多个符号时变多普勒因子的联合最优估计，相较于谱峰搜索算法，运算量更小、搜索效率更高。搜索效率更高。搜索效率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法


[0001]本专利技术属于水声通信领域，特别是涉及一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法。

技术介绍

[0002]正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术因其具有抗信道衰落特性强和频谱利用率高的优势而广泛的应用于水声通信系统中。与雷达系统不同的是由于声波的传播速度远远小于电磁波的传播速度，声呐的多普勒频移远大于雷达的多普勒频移。因此为了实现正确的跟踪和译码，多普勒估计与补偿技术一直是OFDM水声通信系统的关键部分。
[0003]公开号为CN105282082A的专利公开了一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法。该方法采用拷贝相关进行多普勒粗估计，针对多普勒粗估计值对一帧内每个OFDM符号进行多普勒补偿；采用DFT求解速度补偿时每个OFDM符号空子载波处能量和，能量和最小对应的速度是精确估计的速度。公开号为CN107231176A的专利公开了一种基于子载波能量的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法。该方法对数据块中每个OFDM-MFSK进行解调估计出有效子载波位置并将全部有效子载波能量和作为代价函数，按照假设的不同多普勒因子进行搜索得到多普勒估计结果。上述两种方法均采用谱峰搜索法寻找能量和的极值，当多普勒估计精度要求较高时该方法运算量大，搜索效率较低。
[0004]公开号为CN106961403A的专利公开了一种基于稀疏信道模型的OFDM水声语音通信多普勒补偿估计方法。该方法采用随机分布的梳状导频结合时空编码、解码方法获得导频处信道频域响应，利用信道的稀疏特性得到当前OFDM符号的多普勒估计结果。公开号为CN102664840A的专利公开了一种基于循环前缀的水声正交频分复用多普勒估计方法。该方法利用帧头部分的线性调频信号和单频信号、数据符号部分的循环前缀估计多普勒，利用单频信号进行FFT测频估计得到初步多普勒估计，利用循环前缀采用拷贝相关得到符号多普勒估计。上述两种方法分别采用基于导频、基于单频信号和循环前缀的多普勒估计方法，相较于基于空子载波的多普勒估计方法，上述两种方法浪费了发射能量且估计精度不高。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的专利技术目的是降低OFDM水声时变多普勒估计的运算量、提高搜索效率，为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒估计方法，该方法包括，采用模拟遗传迭代MUSIC快速算法得到时变多普勒估计。
[0006]本专利技术具有以下几处有益效果：
[0007]1、相较于Root-MUSIC快速算法只适用于均匀空载波情况，本专利技术提出的模拟遗传迭代MUSIC快速算法适用于非均匀空载波情况下的多普勒估计，空载波放置更加任意灵活。
[0008]2、本专利技术提出的模拟遗传迭代MUSIC快速算法相较于传统的谱峰搜索算法，运算量更小、搜索效率更高。
[0009]3、本专利技术提出的一种模拟遗传迭代MUSIC快速算法将多个符号上的时变多普勒估计问题转化为多维优化问题，可以获得多个符号时变多普勒因子的联合最优估计。
附图说明
[0010]图1为本专利技术采用的发射信号的OFDM数据帧结构。
[0011]图2为本专利技术基于非均匀空载波的OFDM水声通信时变多普勒频偏估计的流程图。
[0012]图3为本专利技术所提出的基于模拟遗传算法的多普勒因子估计与传统逐点搜索法的均方根误差性能比较。
具体实施方式
[0013]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细的说明。
[0014]本专利技术提供了一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，利用OFDM水声通信接收端中非均匀空载波信号，采用MUSIC算法得到关于多普勒频偏的代价函数，运用模拟遗传算法快速搜索代价函数极值点得到多个符号时变多普勒因子的联合最优估计。
[0015]本专利技术采用的发射信号的OFDM数据帧结构如图1所示，数据帧长度为N
f
，数据帧首尾采用线性调频(LFM)信号作为前同步码和后同步码，一个数据帧内包含K个符号，每个符号前加入循环前缀(CP)防止符号间干扰。
[0016]图2给出了本专利技术基于非均匀空载波的OFDM水声通信时变多普勒频偏估计的流程图，如图所示，具体步骤包括：
[0017]步骤1：在接收端，将OFDM接收信号进行混频、滤波和降采样处理，然后进行OFDM信号同步，将接收信号与本地线性调频信号进行拷贝相关，搜索相关结果得到第一个峰值位置，即为接收信号的起始时刻；
[0018]步骤2：以数据帧作为搜索范围，计算数据帧的多普勒因子d1,从而得到OFDM符号序列y
k
，k＝1,
…
,K；本专利技术一具体实施方式中采用MF-ABS-CORR-MAX算法(“Shipborne Underwater Acoustic Communication System and Sea Trials with Submersible ShenhaiYongshi”，China Ocean Engineering，December 2018，Volume 32，Issue 6，pp746
–
754)计算得到数据帧的整数倍多普勒扩展点数，具体包括：
[0019]步骤2.1：以数据帧长度N
f
作为搜索间隔，将同步得到的帧信号首尾两端的线性调频信号与本地线性调频信号进行拷贝相关，得到相关函数R1(t)和R2(t)，取绝对值后的|R1(t)|和|R1(2)|再次进行拷贝相关，得到相关函数R3(t)，搜索R3(t)极值点得到相关峰位置，从而得到多普勒整数倍扩展点数M
int
；
[0020]步骤2.2：利用步骤2.1得到的相关函数R3(t)，对R3(t)运用Sinc函数插值法，从而得到多普勒分数倍扩展点数M
frac
，由M
frac
和步骤2.1得到的M
int
计算出数据帧信号的多普勒因子估计结果：
[0021][0022]由数据帧信号的多普勒因子估计d1，确定数据帧内符号序列k的起始时刻，截取得到OFDM符号序列y
k
，k＝1,
…
,K；
[0023]步骤3：利用OFDM接收端非均匀空子载波信号，采用多重信号分类即MUSIC方法求出谱函数；
[0024]在发射端，假设第k个OFDM符号为s
k
＝[s1(k),s2(k),
…
,s
N
(k)]T
，总载波个数有N＝N
data
+N
null
，其中N
data
为数据子载波个数，N
null
为空子载波个数，不失一般性，假设数据子载波的下标为idx
p
,p＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，包括：步骤1)接收端将OFDM接收信号进行混频、滤波、降采样、同步以及OFDM帧的多普勒估计后，利用接收端的非均匀空子载波信号，采用多重信号分类即MUSIC方法求出谱函数；步骤2)根据求出的谱函数采用模拟遗传算法快速求解基于非均匀空载波的谱函数极值解，通过计算群体中个体适应度得到个体评价依据，采用复制、交叉和突变的基因操作得到适应度优化的新种群，并直至迭代收敛到最终结果。2.根据权利要求1所述的基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，其特征在于，所述步骤1)包括：步骤1-1)在发射端，OFDM帧中符号空载波采用非均匀放置，假设第k个OFDM符号为并且有总载波个数N＝N
data
+N
null
，其中N
data
为数据子载波个数，N
null
为空子载波个数；不失一般性，假设数据子载波的下标为idx
p
，p＝1，...，N
data
，空子载波的下标为idy
p
，p＝1，...，N
null
；步骤1-2)在接收端，当存在多普勒频移e
jφ
时第k个符号为：其中，E＝diag[1，e
jφ
，...，e
j(N-1)φ
]，W
data
是N
×
N
data
的截断IDFT矩阵，且有H＝diag[H(1)，H(2)，...，H(N
data
)]是频域信道冲激响应，N
g
是循环前缀离散后长度；步骤1-3)基于正交子空间理论，已知因此采用子空间的MUSIC方法可以求出谱函数为：其中，K为一个OFDM帧内的符号数，是第k个符号上多普勒频移估计矩阵，是第k个符号上多普勒频移估计，z＝[z1，...，z
K
]是OFDM帧中K个符号上多普勒频移估计。3.根据权利要求2所述的基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，其特征在于，OFDM发射信号组帧的具体步骤为：OFDM帧由4个OFDM符号组成，每个OFDM符号前加入持续时间10ms的循环前缀；OFDM帧的首尾加入持续时间21.3ms的线性调频信号。4.根据权利要求2所述的基于非均匀空载波的OFDM水声时变多普勒频偏估计方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：步骤2-1)模拟遗传算法初始参数选取：串长l＝K＝4，种群大小n＝200，交叉概率p
c
＝0.7～0.9，突变概率p
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张舒然，武岩波，朱敏，房小芳，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：