CN102025424A - 一种基于矢量传感器的ofdm水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量传感器的OFDM水声通信方法，接收端使用一条由M元矢量传感器构成的垂直接收阵，每个矢量传感器包括一个声压通道和至少垂直方向的振速通道，经帧同步信号捕获之后，对声压通道、振速垂直通道进行频域被动时反处理，将各通道数据合并成一路，再经OFDM信道估计与均衡处理，最后恢复出原始信息。本发明有益的效果：本发明使用矢量传感器作为OFDM通信系统的接收端，利用声压与振速垂直分量的弱相关性，为时反处理所需的空间分集提供条件，在接收阵尺寸相同的情况下，用矢量传感器阵代替传统的声压阵，可以显著改善通信性能。

Description

一种基于矢量传感器的OFDM水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术，主要是一种基于矢量传感器的OFDM水声通信方法。

背景技术

近年来，随着水下防卫和民用海洋开发需求的日益增长，水声通信技术得到快速发展。水声信道是一种带宽有限、多途干扰严重的空、时、频变信道。直到目前，为了在复杂多途环境中获得稳健的通信性能，水声通信系统通常依靠大尺寸的接收阵来对抗多途引起的深衰落，但是这种基于大孔径阵处理的方法难以满足一些安装空间紧凑的应用场合，例如网络化通信的节点。

正交频分复用(OFDM)技术因为高效的频谱利用方式以及收发信机可使用FFT技术的简单性优点，已在无线电通信领域流行，近年来，也受到水声领域的关注。在OFDM系统中，解决多途扩展的一个办法是在OFDM符号间加入足够宽的时间保护间隔，便可全部或部分消除码间干扰(ISI)的影响，但随之而来的是数据速率的降低，这个问题在水声通信中尤为突出。

矢量传感器是一种由传统的无指向性声压传感器和质点振速水听器组成的复合传感器，可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量，目前已在水声弱信号检测和目标定位等领域得到应用。与传统的只利用声压信息的水声系统相比，矢量传感器水声系统可以利用更多的信息，必然可以带来更好的处理结果。矢量传感器在自由场中，声压信号与振速信号是完全相关的，但在海洋波导中，声压与振速分量(尤其是振速垂直分量)的相关性降低。矢量传感器的这一特性，为水声通信对抗多途衰落提供了新的途径。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种基于矢量传感器的OFDM水声通信方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种基于矢量传感器的OFDM水声通信方法，包括如下步骤：

(1)发射端在发射OFDM信号之前，先将OFDM信号通过一个由帧同步信号构成的滤波器，导频子载波被等间隔地安排在OFDM的数据子载波间，用于接收端信道估计；

(2)接收端使用一条由M元矢量传感器构成的垂直接收阵，每个矢量传感器包含声压通道Pⁱ和至少垂直方向的质点振速通道

(3)将各通道的接收信号进行解调、低通、降采样得到基带信号，用拷贝相关法捕获帧同步信号；

(4)在声压通道Pⁱ、振速垂直通道

中进行频域被动时反处理，即将捕获的帧同步信号(复基带信号)的频域形式保存，并与后续到达的OFDM频域信号共轭相乘，完成对各个通道数据的预处理；

(5)将各通道的预处理结果合并成一路信号，再经OFDM信道估计与均衡处理，最后恢复出原始信息。

所述的将声压通道Pⁱ、垂直通道

信号送入一个时反预处理器，输出结果再合并成一路信号，接着，采用基于导频的频域信道估计方法，利用导频数据恢复出导频子载波上的信道响应，然后通过内插获得数据子载波上的信道响应H_k，进而得到数据子载波上的信息最后判决恢复出发射信息。

本发明有益的效果是：

(1)接收端使用矢量传感器，可以利用声压与振速垂直分量的弱相关性，获得空间分集增益，与传统的声压阵系统相比，在相同的阵尺寸条件下，用矢量传感器阵代替声压阵，可以获得更好的通信性能。

(2)考虑到OFDM使用FFT进行解调，接收端在频域进行时反处理，利用时反处理的空时聚焦效果，压缩信道多途扩展，可以提高OFDM通信系统的性能。

附图说明

图1是水声OFDM通信系统的发射信号帧结构示意图；

图2是OFDM符号生成示意图。

图3是基于矢量传感器的OFDM水声通信系统接收端原理框图。

图4是时反预处理器原理框图。

图5是水平距离2km时，声压和振速通道的信道响应示意图。

图6是声压与振速分量之间的相关性示意图；

图7是水平距离2km时，P方式、P&V_z方式的误码率曲线图。

图8是水平距离5km时，P方式、P&V_z方式的误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

水声OFDM通信系统的发射信号帧结构如图1所示，每帧的第1部分是一段帧同步信号，用于接收端对帧起始位置的捕获，可以选用线性调频(LFM)、双曲调频信号(HFM)信号或者扩频信号作为帧同步信号，只要帧同步信号的带宽能覆盖后续的信息信号；第2部分是一段空闲延时，用于消除帧同步信号的多途分量；第3部分是N个经过滤波的OFDM符号(滤波器系数为帧同步信号)；第4部分又是一段空闲延时，用来消除多途对下一个帧同步信号的影响。

一个OFDM发射信息符号可以表示成：

$x\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{e}^{j2\mathrm{\π}(f_0+\frac{k}{T})t}---\left(1\right)$

式(1)中K是子载波数量，T是一个OFDM符号长度，f₀是载波中心频率，{d_k}，k＝1…K是用于生成一个OFDM符号的频域数据，其中导频子载波被等间隔地安排在子载波中，用于接收端的信道估计，并且在每个OFDM符号之前插入了作为保护间隔的空白(采用zerospadded-OFDM形式)。图2是OFDM符号生成示意图。

图3给出基于矢量传感器接收的OFDM水声通信系统接收端原理框图，接收端使用一条由M元矢量传感器构成的垂直接收阵，每个矢量传感器包含声压通道Pⁱ和至少垂直方向的振速垂直通道各接收通道的采样信号经解调、低通、降采样处理得到基带信号。

将声压通道Pⁱ、垂直通道

信号送入一个时反预处理器，输出结果再合并成一路信号。接着，采用基于导频的频域信道估计方法，利用导频数据恢复出导频子载波上的信道响应，然后通过内插获得数据子载波上的信道响应H_k，进而得到数据子载波上的信息

最后判决恢复出发射信息。

各通道的时反预处理器原理框图可用图4表示。将捕获的帧同步信号(复基带信号)的频域形式保存，然后与后续到达的OFDM频域信号共轭相乘。帧同步信号受多途的影响在接收端已被扩展，选取帧同步信号的时间窗应包含其主要多途分量，这样有利于收集主要多途能量。

下面对利用矢量传感器进行被动时反处理的方法原理进行分析。

海洋波导中点源激发声场可近似表示为：

$p(r,z)=\frac{i}{\mathrm{\ρ}\left(z_s\right)\sqrt{8\mathrm{\πr}}}{e}^{-\mathrm{i\π}/4}\×\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_m\left(z_s\right){\mathrm{\ψ}}_m\left(z\right)\frac{e^{{\mathrm{ik}}_{\mathrm{rm}}r}}{\sqrt{k_{\mathrm{rm}}}}---\left(5\right)$

k_rm为水平波数，ψ_m(z)为模深度函数，r为接收器与声源的水平距离，z_s为声源深度，ρ为海水密度，由(5)式可以推得远场3个正交的质点振速矢量：

$V_x(r,z)\text{=}\frac{-\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω\ρ}\left(z\right)\mathrm{\ρ}\left(z_s\right)\sqrt{8\mathrm{\πr}}}{e}^{-\mathrm{i\π}/4}\×\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_m\left(z_s\right){\mathrm{\ψ}}_m\left(z\right)e^{{\mathrm{ik}}_{\mathrm{rm}}r}\sqrt{k_{\mathrm{rm}}}---\left(6\right)$

$V_y(r,z)=\frac{-\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω\ρ}\left(z\right)\mathrm{\ρ}\left(z_s\right)\sqrt{8\mathrm{\πr}}}{e}^{-\mathrm{i\π}/4}\×\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_m\left(z_s\right){\mathrm{\ψ}}_m\left(z\right)e^{{\mathrm{ik}}_{\mathrm{rm}}r}\sqrt{k_{\mathrm{rm}}}---\left(7\right)$

$V_z(r,z)=\frac{1}{\mathrm{\ω\ρ}\left(z\right)\mathrm{\ρ}\left(z_s\right)\sqrt{8\mathrm{\πr}}}{e}^{-\mathrm{i\π}/4}\×\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_m\left(z_s\right)\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_m\left(z\right)}{\∂z}\frac{e^{{\mathrm{ik}}_{\mathrm{rm}}r}}{\sqrt{k_{\mathrm{rm}}}}---\left(8\right)$

式中θ为声源相对于接收器的水平方位角。根据式(6)～式(8)，可以计算海洋波导中质点振速分量。

比较式(5)与式(6)、式(7)，对声压与振速水平分量来说，每一号简正模叠加系数表达式的差异主要表现为相差了水平波数k_rm的1次幂。由于各号简正模的水平波数k_rm差异并不大，因此声压与振速水平分量的差异主要还是表现在求和号外的常系数不同，即声压与振速水平分量应有很好的相关性。与声压相比，振速垂直分量表达式求积号内的叠加系数变为模深度函数的导数，这将完全破坏各号模叠加的幅相关系，使声压与振速垂直分量的相关性很差。

下面用仿真计算来验证上述关于声压与振速分量相关性的理论分析。仿真时声场计算采用kraken模型，声速剖面由某海区的实测数据得到，海深为100m，海底为泥沙底，声源和接收点距离海面25m，声源与接收点的水平距离2km，图5给出线性调频信号(带宽2-4kHz，脉宽10ms，水平方位角30°)经2km传播后得到的波形。可以看出，声压与振速水平分量有很好的相似性，而声压与振速垂直分量的相似性较差。

图6给出了水平距离对声压与振速相关性影响的仿真结果。其中图6(a)是声压P与振速水平分量V_x之间的相关性，图6(b)是声压P与振速垂直分量V_z之间的相关性。仿真时，声源位于海面以下25m，声源频率2-4kHz，接收点位于海面以下25m，水平距离变化范围0-5000m。如图6(a)所示，接收点的声压P与振速水平分量V_x的相关系数始终较大，在0.84-0.93之间。如图6(b)所示，声压P与振速垂直分量V_z的相关系数随着距离的增加而减小，当水平距离大于2km后，两者的相关系数可以降至0.3以下。

由上分析可以看出，声压与振速水平分量的相关性较好，声压与振速垂直分量的相关性很弱，因此，在接收阵尺寸相同时，由矢量传感器组成的基阵能够比单纯声压水听器基阵获得更大的空间分集增益。

下面给出一个基于矢量传感器的OFDM通信系统的仿真计算例。

接收端为一条M元的矢量传感器垂直阵，阵元间距为5m，海深为100m，声源及接收阵的第1个阵元(离海面最近的阵元)距离海面25m。

发射信号帧结构如图2所示。第1部分是中心频率3kHz、带宽2kHz、脉宽100ms的LFM信号，第2部分是一段500ms的空闲延时，第3部分是OFDM符号，第4部分是一段1000ms的延时。OFDM符号的中心频率和带宽与LFM信号相同，子载波数量K＝1024，保护间隔长度是OFDM符号的1/4，调制形式采用QPSK，导频间隔1/4(即每3个数据子载波插入1个导频子载波)，通信速率为2400bps。

以下比较了2种多通道被动时反处理方式的误码率性能，包括单纯声压P(简称P方式)、声压P联合振速垂直分量V_z(简称P&V_z方式)。

图7显示了通信距离为2km时的误码率曲线，可以看出，P&V_z方式的性能优于P方式。图8显示了通信距离为5km时误码率曲线，与图7类似，P&V_z方式的性能优于P方式，可见，振速垂直分量的引入明显改善了通信性能，这是因为振速垂直分量与声压分量的弱相关性，增加了时反处理的空间分集增益。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于矢量传感器的OFDM水声通信方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)发射端在发射OFDM信号之前，先将OFDM信号通过一个由帧同步信号构成的滤波器，导频子载波被等间隔地安排在OFDM的数据子载波间，用于接收端信道估计；

(2)接收端使用一条由M元矢量传感器构成的垂直接收阵，每个矢量传感器包含声压通道Pⁱ和至少垂直方向的质点振速通道

(3)将各通道的接收信号进行解调、低通、降采样得到基带信号，用拷贝相关法捕获帧同步信号；

(4)在声压通道Pⁱ、振速垂直通道

中进行频域被动时反处理，即将捕获的帧同步信号的频域形式保存，并与后续到达的OFDM频域信号共轭相乘，完成对各个通道数据的预处理；

(5)将各通道的预处理结果合并成一路信号，再经OFDM信道估计与均衡处理，最后恢复出原始信息。

2.根据权利要求1所述的基于矢量传感器的OFDM水声通信方法，其特征是：所述的将声压通道Pⁱ、垂直通道

信号送入一个时反预处理器，输出结果再合并成一路信号，接着，采用基于导频的频域信道估计方法，利用导频数据恢复出导频子载波上的信道响应，然后通过内插获得数据子载波上的信道响应H_k，进而得到数据子载波上的信息

最后判决恢复出发射信息。

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