CN107547143A - 一种已知子载波频率的ofdm‑mfsk水声通信宽带多普勒估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种已知子载波频率的OFDM‑MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，属于水声通信领域。本发明内容具体如下：发射端在每个OFDM‑MFSK数据符号中加入若干子载波并插入脉冲对信号；接收端截取脉冲对信号和数据并对多普勒因子进行粗估计，确定每个已知频率子载波的多普勒频偏搜索范围；然后对每个OFDM‑MFSK数据块进行过采样处理，计算当前数据块的平均多普勒因子；再计算整个数据块全部子载波受多普勒影响后的新位置，并抽其对应的数据完成宽带多普勒补偿。本发明提出的方法，可以仅通过一次数据过采样即可实现水下OFDM‑MFSK通信系统中宽带多普勒的精确估计与补偿，避免了传统多普勒估计与补偿方法需要进行数据重采样的过程，提高了计算效率。

Description

一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计 与补偿方法

技术领域

本发明涉及的是一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，属于水声通信领域。

背景技术

OFDM-MFSK是多载波技术与MFSK相结合的调制技术，OFDM-MFSK的发射端将全部子载波以M元为一组进行划分，采用MFSK的方式进行信息映射，接收端则按照非相干的方式进行MFSK信号的检测，避免了信道的估计与均衡过程。OFDM-MFSK兼容了多载波调制技术的高通信速率，又保留了MFSK调制的稳健性能，与正交频分复用(OFDM)调制相比，可以更好的平衡传输速率和稳健性能。在水声通信中，信源与信宿之间的相对运动会导致通信系统受到严重的多普勒影响。在多载波水声通信系统中，多普勒效应直接使系统受到子载波间干扰以及子载波信噪比损失的影响，导致系统性能严重下降。水声信道的超宽带特性，导致多载波系统的不同子载波的频率偏移是非一致的，即宽带多普勒效应。

传统的多普勒估计方法主要包括单频脉冲法、线性调频块方法以及空子载波方法。单频脉冲法通过估计频率偏移来计算多普勒因子，但水声信道严重的频率选择性使得单频信号在使用中信噪比损失严重，导致测量结果出现误差，同时为了获得较高的估计精度，一般单频信号较长，会降低系统的功率效率。线性调频块方法是指通信系统一帧数据的首尾插入线性调频信号(LFM)，通过测量发射信号时间上的压缩与扩展来估计整帧数据的平均多普勒因子，然而当系统发射数据较长时，接收端必须存储全部的一帧数据才能完成多普勒的补偿，由此带来较大的硬件存储开销和较长的通信时延，不利于系统的实际工程应用，而且当信道恶劣变化较快时，首尾线性调频信号的相关峰最大值会出现在不同的多途路径上，导致测时不准，给多普勒估计结果带来较大偏差。空子载波方法是在每个数据符号中插入若干已知位置的空子载波，利用空子载波处的能量和在正确多普勒因子下最小的原理，实现多普勒因子的精确估计，该方法在快速时变信道下可以获得稳定的估计结果，缺点是计算量较大，需要进行根据多普勒因子的搜索步长进行多次DFT运算，最后根据估计得到的多普勒因子对当前数据进行重采样。综上所述，传统的水下通信宽带多普勒估计与补偿方法在快变多途信道下多存在稳定性和估计精度较差的问题，且数据需要进行重采样过程，计算量较大，而本发明则可以有效避免上述问题，实现了水下OFDM-MFSK系统宽带多普勒的稳健高精度估计，有效降低了传统方法的计算量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，该方法实现了水下OFDM-MFSK通信系统中宽带多普勒的高效估计与补偿，避免了传统多普勒估计和补偿方法需要对数据进行重采样的过程。

本发明的目的是这样实现的：

(1)发射端在每个OFDM-MFSK数据符号中加入若干已知频率的子载波，并在同步信号与数据之间插入脉冲对信号；

(2)接收端首先对同步信号进行检测，截取脉冲对信号和数据，利用脉冲对信号对多普勒因子进行粗估计，确定每个已知频率子载波的多普勒频偏搜索范围；

(3)按照逐数据块的方式，对每个OFDM-MFSK数据块进行过采样处理，并根据插入的已知频率子载波来计算当前数据块的平均多普勒因子；

(4)由平均多普勒因子计算整个数据块全部子载波受多普勒影响后的新位置，直接抽取新位置上的数据完成宽带多普勒补偿。

本发明的主要优点为：(1)通过采用在同步信号与数据之间插入宽带脉冲对信号的方法实现了宽带多普勒的稳健估计，此方法有效避免单频信号受多途衰落水声信道的影响信噪比损失的问题，同时解决了线性调频块方法受时变多途水声信道影响估计稳定性差的问题，且脉冲对方法无需接收数据的长时间存储，提高了通信的实时性；(2)由于受快变多途环境的影响，采用脉冲对算法可以有效提高多普勒的估计稳定性，但其估计精度与真实值存在一定的偏差(或者称为残余偏差)，为降低偏差，本发明提供的方法在脉冲对方法的基础之上，在每个OFDM-MFSK数据符号中插入若干已知频率的子载波，将这些子载波看做单频信号来精细估计每个数据块的平均多普勒因子，由于采用多个已知子载波频率因此可以有效减小衰落水声信道的影响，提高了多普勒的估计精度和稳定性，实现了逐数据块的多普勒跟踪；(3)本发明通过对每个数据块的一次过采样便可以实现多普勒补偿，避免了传统多普勒估计与补偿方法需要信号进行重采样的过程，有效降低了计算量；(4)本发明不仅可以应用于基于循环前缀的OFDM-MFSK(CP-OFDM-MFSK)水声通信系统，也可应用于基于置零的OFDM-MFSK(ZP-OFDM-MFSK)水声通信系统中，具有良好的通用性。

附图说明

图1是当M＝4，Q＝2时，OFDM-MFSK系统插入已知子载波后的数据符号示意图；

图2是OFDM-MFSK数据块的两种实现方式示意图；

图3是OFDM-MFSK水声通信系统发射帧结构示意图；

图4是OFDM-MFSK系统接收端信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明给出更详细的说明。

1、发射端在每个OFDM-MFSK数据符号中加入若干已知频率的子载波，图1给出了OFDM-MFSK系统当MFSK调制数M＝4，已知子载波数量为4(Q＝2)时的数据符号示意图。已知子载波占用全部子载波的前后Q组MFSK频率可以减少有效数据子载波的影响，提高频偏测量精度。将插入已知子载波后的数据符号进行傅里叶变换后并加入大于信道多途扩展的循环前缀或者置零数据得到一个完整的OFDM-MFSK数据块，图2给出了OFDM-MFSK数据块的两种实现方式。已知子载波的个数Q决定了多普勒因子估计的稳健性，Q越大，抗信道衰落的能力越强，多普勒估计越稳健，但系统的有效子载波数量降低，通信速率下降，因此需要根据系统所处的信道条件合理选择已知子载波的个数Q。

在发射的一帧数据中加入宽带脉冲对信号，具体使用的发射帧结构如图3所示。使用线性调频信号作为同步信号，采用的宽带脉冲对由线性调频信号(LFM)组成，最后是多个OFDM-MFSK数据块组成的数据。脉冲对与同步信号和数据之间要加入充足的保护间隔，即保护间隔长度大于信道多途扩展长度。

2、OFDM-MFSK系统接收端的信号处理过程如图4所示。首先对同步信号进行检测，截取脉冲对信号和数据。利用脉冲对信号实现宽带多普勒因子的粗估计，下面给出利用脉冲对信号实现宽带多普勒粗估计的详细过程：

假设发送单个脉冲序列的时域信号x_n的复通带等效信号为

s_n＝x_n exp(j2πf_tnT_s) (1)

其中，f_t为发送载波频率，T_s为采样间隔。

在接收端，若不考虑噪声的影响，则复基带等信号为

r_n＝x_n exp(j2πf_rnT_s)exp(-j2πf_tnT_s)＝x_n exp(j2πΔf′nT_s) (2)

式中，f_r为接收载波频率，Δf′＝f_r-f_t为载波频率偏移。

则两个重复序列的复相关为

其中，D为这两个重复序列这间的延时对应的采样点数，即为单个脉冲序列的采样点数。

因此，得到载波频率偏移量

式中，∠R_r为复相关函数计算出的相位，f_s＝1/T_s为采样频率，τ单个脉冲的持续时间。

两个重复序列自相关函数的相位取值范围∠R_r∈(-π,+π)，因此测量频偏频率超过这个范围将产生多普勒频偏估计模糊的现象，故实际中需要根据载体的最大运动速度V，确定系统最大载波频率偏移，进而确定使用的单个脉冲的持续时间。由此粗估计得到的多普勒因子ε₁为

ε₁＝Δf′/f_t (5)

假设已知频率的子载波为则每个已知频率子载波的精确频偏搜索范围为其中Δf为子载波带宽，即一个OFDM-MFSK符号长度的倒数。

3、对接收的数据进行逐数据块处理，并精细估计当前数据块的平均多普勒因子，具体步骤归纳如下：

(1)对每个数据块进行过采样处理；

假设每个OFDM-MFSK符号进行调制时的DFT点数为N，接收端对截取长度为N的OFDM-MFSK符号进行M＝αN点DFT运算，即将数据在频域进行α倍的插值运算。其中，α为频域过采样因数，α越大，频率分辨率越高，频偏估计越精确，多普勒补偿效果越好。

(2)精细计算当前数据块的多普勒因子；

在频偏搜索范围为内进行最大值搜索，得到已知子载波受多普勒影响后的精确频率由此可以获得2Q个多普勒因子估计值

将得到的2Q个多普勒因子求均值作为最终的精确平均多普勒因子

4、完成多普勒补偿；

根据平均多普勒因子计算得出每个OFDM-MFSK符号全部子载波的实际频率，并可以求出进行M点DFT运算后每个子载波的新位置，抽取每个新位置上的数据完成数据多普勒的补偿。

通过以上步骤，本发明所提出的已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法可以在快变多途信道下实现高效稳健高精度的宽带多普勒估计与补偿。

Claims (7)

1.一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：(1)发射端在每个OFDM-MFSK数据符号中加入若干子载波并插入宽带脉冲对信号；(2)接收端首先对同步信号进行检测，截取脉冲对信号和数据，利用脉冲对信号对多普勒因子进行粗估计，确定每个已知频率子载波的多普勒频偏搜索范围；(3)对每个OFDM-MFSK数据块进行过采样处理，并根据插入的已知频率子载波来计算当前数据块的平均多普勒因子；(4)由平均多普勒因子计算整个数据块全部子载波受多普勒影响后的新位置，直接抽取新位置上的数据完成宽带多普勒补偿。

2.根据权利要求1所述的一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：所述的子载波信号的频率为已知，插入的宽带脉冲对信号在同步信号与数据之间。

3.根据权利要求1所述的一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：插入宽带脉冲对信号时脉冲对与同步信号和数据之间要加入保护间隔，保护间隔长度要大于信道多途扩展长度。

4.根据权利要求1所述的一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：所述的同步信号为线性调频信号，宽带脉冲对信号由线性调频信号(LFM)组成。

5.根据权利要求1所述的一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：所述的利用脉冲对信号对多普勒因子进行粗估计的过程如下，假设发送单个脉冲序列的时域信号x_n的复通带等效信号为

s_n＝x_nexp(j2πf_tnT_s) (1)

其中，f_t为发送载波频率，T_s为采样间隔；

在接收端，若不考虑噪声的影响，则复基带等信号为

r_n＝x_nexp(j2πf_rnT_s)exp(-j2πf_tnT_s)＝x_nexp(j2πΔf′nT_s) (2)

式中，f_r为接收载波频率，Δf′＝f_r-f_t为载波频率偏移；

则两个重复序列的复相关为

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>r</mi> <mi>n</mi> </msub> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mi>D</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;D&amp;Delta;fT</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </msup> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <msubsup> <mi>x</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mi>D</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;D&amp;Delta;fT</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </msup> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，D为这两个重复序列这间的延时对应的采样点数，即为单个脉冲序列的采样点数；

因此，得到载波频率偏移量

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式中，∠R_r为复相关函数计算出的相位，f_s＝1/T_s为采样频率，τ单个脉冲的持续时间；

两个重复序列自相关函数的相位取值范围∠R_r∈(-π,+π)，因此测量频偏频率超过这个范围将产生多普勒频偏估计模糊的现象，故实际中需要根据载体的最大运动速度V，确定系统最大载波频率偏移，进而确定使用的单个脉冲的持续时间，由此粗估计得到的多普勒因子ε₁为

ε₁＝Δf′/f_t (5)

假设已知频率的子载波为则每个已知频率子载波的精确频偏搜索范围为其中Δf为子载波带宽，即一个OFDM-MFSK符号长度的倒数。

6.根据权利要求1所述的一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：所述的计算当前数据块的平均多普勒因子的过程如下，

(1)对每个数据块进行过采样处理：

假设每个OFDM-MFSK符号进行调制时的DFT点数为N，接收端对截取长度为N的OFDM-MFSK符号进行M＝αN点DFT运算，即将数据在频域进行α倍的插值运算，其中，α为频域过采样因数，α越大，频率分辨率越高，频偏估计越精确，多普勒补偿效果越好；

(2)精细计算当前数据块的多普勒因子：

在频偏搜索范围为内进行最大值 搜索，得到已知子载波受多普勒影响后的精确频率由此可以获得2Q个多 普勒因子估计值 <mrow> <msub> <mover> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mover> <mi>f</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> <mi>r</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mover> <mi>f</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </msubsup> </mrow> <msubsup> <mover> <mi>f</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </msubsup> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

将得到的2Q个多普勒因子求均值作为最终的精确平均多普勒因子

7.根据权利要求1所述的一种已知子载波频率的OFDM-MFSK水声通信宽带多普勒估计与补偿方法，其特征在于：所述的宽带多普勒补偿为根据平均多普勒因子计算得出每个OFDM-MFSK符号全部子载波的实际频率，并可以求出进行M点DFT运算后每个子载波的新位置，抽取每个新位置上的数据完成数据多普勒的补偿。