CN110830403A - 提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，所述方法包括：前导码采用带循环前缀的正交频分复用信号作为模板，所述前导码由两个码元持续时间均为T₀，且紧挨着的完全相同的正交频分复用信号信号构成；在接收端对信号的前导码做相关运算，可得相关函数；根据帧头信号以及前导码，进行定时以及多次多普勒估计，逐步得到多普勒扩展因子估计值，采用重采样进行多普勒补偿后，得到消除多普勒频移的接收信号；解调后的接收信号经过正交解映射后得到比特流信号，再经过维比特信道解码后获取原始传输数据。

Description

提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法

技术领域

本发明涉及数字多载波传输技术领域，尤其涉及一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法。

背景技术

无线通信系统收发两端的相对移动会产生多普勒效应，导致接收端信号频率与发送端信号频率之间存在差值，引起接收端星座图旋转，影响QPSK(正交相移键控)解调判决，造成误判并影响通信系统性能。

在水声系统中，由于声音传播速度较慢(仅为电磁波速度的二十万分之一)，根据多普勒频移的计算公式，即使是对陆地无线通信来说微不足道的收发端相对移动也会导致两者之间产生较大的误差。另外水声信道带宽受限，多载波系统中相邻子载波的间隔较小，因此相对微小的多普勒频移也会导致子载波之间的重叠，从而严重影响通信系统的性能。

发明内容

本发明提供了一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，本发明通过对传输信号前导码的设计，在接收端对前导码进行测量，完成了对水声稀疏正交频分复用多载波传输系统中多普勒扩展因子的估计。并将估计结果应用到接收信号的多普勒补偿中提高水声稀疏正交频分复用多载波通信系统性能，降低系统误码率，提升水声通信的质量实现更好的通信，详见下文描述：

一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，所述方法包括：

添加采用带循环前缀的正交频分复用信号作为模板前导码，所述前导码由两个码元持续时间均为T₀，且紧挨着的完全相同的正交频分复用信号构成；

在接收端对信号的前导码做相关运算，可得相关函数；根据帧头信号以及前导码，进行定时以及多次多普勒估计，逐步得到多普勒扩展因子估计值，采用重采样进行多普勒补偿后，得到消除多普勒频移的接收信号；

解调后的接收信号经过正交解映射后得到比特流信号，再经过维比特信道解码后获取原始传输数据。

所述前导码的基带结构为：

其中，x_cp(t)是前导码的结构，d[k]是正交频分复用信号上携带的QPSK符号，K₀为子载波数目，T_cp是循环前缀持续时间，q(t)是脉冲成型滤波器，当t∈[-T_cp,2T₀]时，q(t)＝1/T₀。

所述相关函数为：

其中，a为多普勒扩展因子，τ为信号到达时间，y′(t)为接收信号，y′(t+τ)和

分别为接收端前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号；定义为a,τ的估计值；

只有当

与实际a,τ的值相等时，y′(t+τ)和分别为接收信号前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号，r_cp(a,τ)会取得最大值，此时得到的

即为待估计的多普勒扩展因子和到达时间。

获取a,τ的估计值后，通过基于重采样的多普勒补偿方法，对接收信号用

倍的发送端采样率进行重采样，恢复因多普勒扩展导致的信号畸变，减小接收端解调的误码率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明为多载波水声通信系统添加了多普勒估计与补偿技术，使得水声信道中多普勒效应对多载波系统的影响大大降低，由频率扩展偏移导致的子载波间干扰大幅度降低，从而降低了系统的误码率；提高多载波系统的传输性能；

2、本发明中使用的多普勒估计与补偿技术使得接收端接收机可以进行在线接收与处理，与传统接收机相比，不需要将所有数据缓存后才能进行处理，大大提高了整个通信系统的处理效率。

附图说明

图1为多普勒估计信号的结构示意图；

图2为针对提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法的流程图；

图3为不同多普勒估计下误码率对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明设计了一种提高水声多载波通信系统性能的方法，通过设计下述公式(1)所表示的多普勒敏感信号，利用下述公式(4)所示方法测量接收端多普勒敏感信号的扩展长度并估计多普勒扩展因子，从而提高传输系统的性能。

以下介绍多普勒估计方法中前导码的结构以及多普勒估计步骤：

采取前导码加传输信号的结构，前导码选用对多普勒敏感的信号，在接收端通过对其码元持续时间进行测量，计算多普勒扩展因子的值，并对接收信号进行补偿。

如图1所示，前导码采用带循环前缀的正交频分复用信号作为模板，由两个码元持续时间均为T₀，且紧挨着的完全相同的正交频分复用信号构成，为了防止多径传输对前导码造成的干扰，在第一个正交频分复用信号前加入循环前缀抵抗多径效应。

该前导码的基带结构为：

其中，x_cp(t)是前导码的结构，d[k]是正交频分复用信号上携带的QPSK符号，K₀为子载波数目，T_cp是循环前缀持续时间，q(t)是脉冲成型滤波器，当t∈[-T_cp,2T₀]时，q(t)＝1/T₀。

由于水声信道为具有多普勒效应的多径信道，定义水声信道传递函数为：

其中，f为信号频率，N_p为信道多径数目，A_p和τ_p分别为信道的衰减和时延。

假设该水声信道中所有路径拥有相同的多普勒扩展因子a，则接收端前导码CP-OFDM的表达式为：

其中，a为多普勒扩展因子，f_c为基带OFDM的载波频率，T₀为一个OFDM码元持续时间，y(t)为无多普勒时接收端信号，τ_max为水声信道的最大多径时延。y′(t)的重复周期为

与信道传输过程中的幅度衰减没有关系。

因此，在接收端对CP-OFDM重复部分的两个正交频分复用信号做相关运算，可得相关函数为：

其中，a为多普勒扩展因子，τ为信号到达时间，y′(t)为接收信号，y′(t+τ)和

分别为接收端前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号；定义

为a,τ的估计值；

只有当

与实际a,τ的值相等时，y′(t+τ)和

分别为接收信号前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号，r_cp(a,τ)会取得最大值，此时得到的

即为待估计的多普勒扩展因子和到达时间。由于信道多普勒扩展的影响，正交频分复用信号的码元持续时间由T₀变为如图2所示，在每一条支路中由带下标的α，τ表示。每一条支路计算出一个相关函数的值，

只有当

与实际a,τ的值相等时，y′(t+τ)和

分别为接收信号前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号，r_cp(a,τ)会取得最大值，此时得到的

即为待估计的多普勒扩展因子和到达时间。在其他情况下，两者之间会有一定的偏差，不再是完全一样的两个正交频分复用信号，做相关运算时得到的不是最大值。

在接收端可以通过多次的多普勒估计，逐步得到更加精确的多普勒扩展因子估计值，效果如图3所示。

接收端在接收信号到达时，根据帧头信号以及前导码，进行定时以及多普勒估计。在获取a,τ的估计值后，通过基于重采样的多普勒补偿方法，对接收信号用

倍的发送端采样率进行重采样，恢复因多普勒扩展导致的信号畸变，减小接收端解调的误码率。

通过重采样技术消除多普勒对该信号串并转换后，水声信号的传输过程可以表示为：

其中：H为水声信道频率响应，W为加性高斯白噪声，

为发送端的发送信号，

为经过信道后接收端的接收信号。

最后，解调后的接收信号经过QAM/QPSK正交解映射后得到相应的比特流信号，再经过维比特信道解码后得到原始传输数据。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，其特征在于，从时域考虑多普勒扩展对信号的影响，通过对前导码持续时间的变化进行多普勒估计，提高传输性能，所述方法包括：

前导码采用带循环前缀的正交频分复用信号作为模板，所述前导码由两个码元持续时间均为T₀，且紧挨着的完全相同的正交频分复用信号构成；

在接收端对信号的前导码做相关运算，可得相关函数；根据帧头信号以及前导码，进行定时以及多次多普勒估计，逐步得到多普勒扩展因子估计值，采用重采样进行多普勒补偿后，得到消除多普勒频移的接收信号；

解调后的接收信号经过正交解映射后得到比特流信号，再经过维比特信道解码后获取原始传输数据。

2.根据权利要求1所述的一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，其特征在于，利用正交频分复用信号的多普勒敏感性反映多普勒扩展的影响，所述前导码的基带结构为：

其中，x_cp(t)是前导码的结构，d[k]是正交频分复用信号上携带的QPSK符号，K₀为子载波数目，T_cp是循环前缀持续时间，q(t)是脉冲成型滤波器，当t∈[-T_cp,2T₀]时，q(t)＝1/T₀。

3.根据权利要求1所述的一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，其特征在于，在接收端对接收信号前导码部分进行相关操作，以确定接收信号持续时间的变化长度，所述相关函数为：

其中，a为多普勒扩展因子，τ为信号到达时间，y′(t)为接收信号，y′(t+τ)和

分别为接收端前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号；定义

为a,τ的估计值；

只有当

与实际a,τ的值相等时，y′(t+τ)和分别为接收信号前导码中的前一个和后一个正交频分复用信号，r_cp(a,τ)会取得最大值，此时得到的

即为待估计的多普勒扩展因子和到达时间。

4.根据权利要求3所述的一种提高水声稀疏正交频分复用多载波调制性能的方法，其特征在于，采用重采样进行补偿，提高通信系统性能，所述方法还包括：

获取a,τ的估计值后，通过基于重采样的多普勒补偿方法，对接收信号用

倍的发送端采样率进行重采样，恢复因多普勒扩展导致的信号畸变，减小接收端解调的误码率。

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