CN105407066B - 一种选择最佳导频序列抑制水声ofdm信号峰平比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法，其方法为：在发射端，(1)将信息序列经过QPSK映射和串并变换后，装载到信息子载波上；(2)通过组合Gold序列建立导频序列集合，将集合中的导频序列分别装载到导频子载波上，然后进行OFDM调制，选择峰平比最小的发射信号；在接收端，通过相关运算，在导频序列集中挑选出与接收导频序列相关性最大的本地导频序列，然后依次进行信道均衡，OFDM解调，QPSK逆映射，最后恢复信息；本发明在降低峰平比的同时，消除边带信息，保证解码正确性。

Description

一种选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，尤其涉及一种选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法。

背景技术

随着海洋科学和海洋开发的发展，水声通信技术的研究越来越受到重视，其中水声OFDM通信技术已经成为研究热点。

高速水声通信是水声通信发展的重要方向之一，制约水声通信速率的一个重要因素是水声信道带宽的限制。OFDM通信体制将信息调制在时域相互正交的子载波上，由于正交性，尽管这些子载波在频域相互混叠，但在接收端仍能被分离出来，同时各子载波采用频谱效率高的QAM和MPSK调制方式，进一步提高了OFDM系统的频谱效率。因而较其他常用的水声通信体制(例如MFSK，DSSS)而言，OFDM具有更好的频谱利用率，同时OFDM把一个宽带频率选择性信道划分成多个窄带平坦衰落信道，从而“先天”具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰能力，因此非常适合应用于高速水声通信。

但是OFDM通信技术也有其自身的技术缺陷，传统的OFDM技术存在峰值功率与平均功率比值(峰平比)较大的缺陷。这导致在实际系统实现过程中，对发射机端的功率放大器的线性要求高。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会对信号带来畸变，使叠加的信号频谱发生变化，从而使各个子载波信号之间的正交性遭到破坏，产生互相干扰，使系统性能恶化。

降低OFDM信号峰平比的方法有很多：1、限幅类技术，主要包括限幅法和压扩法，这类方法可以较大幅度的降低峰平比，但是由于对原始信号产生了非线性变换，破坏了子载波之间的正交性，所以对解码的正确性产生影响。2、概率类技术，主要包括选择性映射法(SLM)和部分传输序列法(PTS)，这类方法对解码正确性没有影响，但是会产生额外的边带信息，减少频谱利用率。3、编码类技术，主要构造互补Golay序列，Newman序列等，这类技术可以较大幅度地降低峰平比，但是是以增加编码冗余度，减少频谱利用率为代价。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法；通过组合Gold序列建立导频序列集合，然后搜索选择最佳导频序列，进而产生峰平比低的OFDM信号；这种方法利用Gold序列良好的自相关性和互相关性，在有效降低峰平比的同时，消除边带信息，保证解码正确性，提高频谱利用率。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，包括如下步骤：

在发射端，

1)、将源信息进行QPSK映射和串并变换；

2)、将第1步的输出信息装载在预设的信息子载波上；

3)、生成N条Gold序列g_n＝[g₀,g₁,…,g_N-1]，利用g_n产生导频序列集合{m_k＝g_p+j*g_q}，其中p＝0,1,2,…N-1，q＝0,1,2,…N-1，k＝N×p+q且k＝0,1,2,…N²-1，

4)、根据计算量要求，选取导频序列集合的一个子集，将子集中的序列逐条装载在预设的导频子载波上，然后联合信息子载波进行OFDM调制，计算信号的峰平比，选择峰平比最小的信号；

5)、将步骤(4)中选择的峰平比最小的信号经过载波调制，D/A转化和功率放大以后发射到水中；

在接收端，

1)、将接收到的水声OFDM信号，经过A/D转化，载波解调得到数字基带信号；

2)、基带信号经过傅里叶变换以后，得到频域信号，从导频子载波上提取接收信号的导频序列，与本地导频序列子集合中的序列逐条进行相关运算，选择相关性最高的本地导频序列；

3)、利用得到的本地导频序列和接收导频序列进行信道均衡，然后依次进行OFDM解调，QPSK逆映射，最后得到所传输的信息。

作为优选，所述的选择峰平比最小的信号的具体步骤为：(a)初始化变量：对峰平比变量papr赋初值papr₀，对导频序列m的索引k赋初值为0；(b)将导频序列m_k装载在导频子载波上；(c)将(b)步骤的结果联合信息子载波进行OFDM调制；(d)计算得到当前信号的峰平比papr_k；(e)比较papr₀和papr_k，如果前者大于后者，则先记录并标定当前信号为峰平比最小信号，然后用papr_k代替papr₀，再令k加1，最后进入下一步骤，如果后者大于前者，令k加1，然后直接进入下一步骤；(f)判断是否遍历导频序列子集合，如果是，则进行下一步处理，如果否，则跳转至(b)，循环处理。

本发明的有益效果为：

1、本发明由于并没有对信号进行非线性变换，所以不会产生带内和带外失真；

2、本发明用组合Gold序列作为导频序列，在接收端利用Gold序列良好的自相关和互相关性，通过相关匹配来得到导频序列，从而避免了边带信息的传输，提高了频谱利用率；

3、本发明对OFDM信号的导频序列进行复用，在不影响其原来信道估计的前提下，增加了降低峰平比的功能。

附图说明

图1是本发明的子载波分配图。

图2是本发明的所提方法的OFDM系统框图。

图3是本发明的搜索最佳导频序列的流程图。

图4是本发明的峰平比互补累计分布函数比较图。

图5是本发明的OFDM解码星座图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：以下实施例将结合附图作进一步说明。

本实施例中水声OFDM信号带宽为16KHz，采样率196KHz，子载波数量W为512个，如图1预先将512个子载波分配成L个信息子载波和J个导频子载波，1个导频子载波后跟3个信息子载波，以此重复。本实施例中，L＝384，J＝128。发射端的框图如图2所示，在发射端，

(1)将源信息进行QPSK映射和串并变换；变换后每个OFDM符号所传输的信息表示为X＝[X₀,X₁,…,X_L-1]，其中L为信息子载波个数，本实施中信息子载波为384个。

(2)将第1步的输出信息装载在预设的信息子载波上，可表示为X’＝[0,X₀,X₁,X₂,0,X₃,X₄,X₅,…,0,X_L-3,X_L-2,X_L-1]，其中X’的长度为W。

(3)Gold序列是一种特性较好的伪随机序列(PN序列)，它可以由最大长度移位寄存器序列优选对，通过模2相加得到。它的自相关函数具有白噪声自相关函数相类似的性质，同时它也具有良好的互相关特性。生成N条Gold序列g_n＝{g₀,g₁,…,g_N-1}，利用g_n产生导频序列集合{m_k＝g_p+j*g_q}，其中p＝0,1,2,…N-1，q＝0,1,2,…N-1，k＝N*p+q且k＝0,1,2,…N²-1，每条导频序列长度为J，表示为m_k＝[m_k ⁰,m_k ¹,…,m_k ^J-1]。本实施例中，通过一对最大长度移位寄存器序列优选对，生成127条Gold序列，进而生成元素个数为16129的导频序列集合。

(4)根据计算量要求，选取导频序列集合的一个子集，将子集中的序列逐条装载在预设的导频子载波上，可表示为M_k’＝[m_k ⁰,0,0,0,m_k ¹,0,0,0,…,m_k ^J-1,0,0,0]，其中M_k’的长度为W，然后对信息子载波和导频子载波进行OFDM调制：

计算Y_k的峰平比：

选择峰平比最小的信号Y|min(papr_k)。具体步骤如图3所示：(a)初始化变量：对峰平比变量papr赋初值papr₀，对导频序列m的索引k赋初值为0；(b)将导频序列m_k装载在导频子载波上；(c)对(b)步骤的结果联合信息子载波进行OFDM调制，如式1；(d)计算得到当前信号的峰平比papr_k，如式2；(e)比较papr₀和papr_k，如果前者大于后者，则先记录并标定当前信号为峰平比最小信号，然后用papr_k代替papr₀，再令k加1，最后进入下一步骤，如果后者大于前者，令k加1，然后直接进入下一步骤；(f)判断是否遍历导频序列子集合，如果是，则进行下一步处理，如果否，则跳转至(b)，循环处理。本实施例在导频序列集合中选取了一个元素个数为3000的子集，将这些序列逐条装载到导频子载波上，然后比较选取峰平比最小的信号。

(5)将Y|min(papr_k)经过载波调制，D/A转化和功率放大以后发射到水中。本实施例中载波频率为26KHz。

图4给出了本实施例条件下，利用本发明改进的OFDM信号和传统OFDM信号峰平比互补累计分布函数比较图，由图可见，在10^-2处，改进的OFDM信号的峰平比比传统OFDM信号峰平比低2.5dB。

接收端的框图如图2所示，在接收端，

(1)将接收到的水声OFDM信号，经过A/D转化，载波解调得到数字基带信号。

(2)基带信号经过傅里叶变换以后，得到频域信号，从导频子载波上提取接收信号的导频序列m_re。将m_re与本地导频序列子集合m_k中的序列逐条进行相关运算：其中conj(.)表示共轭计算，选择令r最大的本地导频序列m|max(r_k)。

(3)利用m|max(r_k)和m_re进行信道均衡，然后依次进行OFDM解调，QPSK逆映射，最后得到所传输的信息。图5为解码星座图，由图可见，解码星座图清晰聚拢，所以这种选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法对解码性能没有影响。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法，其特征在于：包括如下步骤：

在发射端，

1)、将源信息进行QPSK映射和串并变换；

2)、将步骤1)的输出信息装载在预设的信息子载波上；

3)、生成N条Gold序列g_n＝[g₀,g₁,…,g_N-1]，利用g_n产生导频序列集合{m_k＝g_p+j*g_q}，其中p＝0,1,2,…N-1，q＝0,1,2,…N-1，k＝N×p+q且k＝0,1,2,…N²-1，

4)、根据计算量要求，选取导频序列集合的一个子集，将子集中的序列逐条装载在预设的导频子载波上，然后联合信息子载波进行OFDM调制生成OFDM调制信号，计算OFDM调制信号的峰平比，选择峰平比最小的OFDM调制信号；

5)、将步骤4)中选择的峰平比最小的OFDM调制信号经过载波调制，D/A转化和功率放大以后发射到水中；

在接收端，

1)、将接收到的水声OFDM信号，经过A/D转化，载波解调得到数字基带信号；

2)、数字基带信号经过傅里叶变换以后，得到频域信号，从导频子载波上提取接收到的水声OFDM信号的导频序列，与本地导频序列子集合中的序列逐条进行相关运算，选择相关性最高的本地导频序列；

3)、利用得到的本地导频序列和接收导频序列进行信道均衡，然后依次进行OFDM解调，QPSK逆映射，最后得到所传输的信息。

2.根据权利要求1所述的选择最佳导频序列抑制水声OFDM信号峰平比的方法，其特征在于：所述的选择峰平比最小的信号的具体步骤为：(a)初始化变量：对峰平比变量papr赋初值papr₀，对导频序列m的索引k赋初值为0；(b)将导频序列m_k装载在导频子载波上；(c)将(b)步骤的结果联合信息子载波进行OFDM调制；(d)计算得到当前信号的峰平比papr_k；(e)比较papr₀和papr_k，如果前者大于后者，则先记录并标定当前信号为峰平比最小信号，然后用papr_k代替papr₀，再令k加1，最后进入下一步骤，如果后者大于前者，令k加1，然后直接进入下一步骤；(f)判断是否遍历导频序列子集合，如果是，则进行下一步处理，如果否，则跳转至(b)，循环处理。