专利名称：一种移动ofdm水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法
技术领域：
本发明涉及水声通信领域，更确切对说，涉及正交频分复用水声通信方法，主要是一种移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法。
背景技术：
正交频分复用技术(OFDM)具有良好的抗频率选择性衰落性能和高的带宽利用率，可以用于多途严重的水下高速声通信。然而，OFDM有着其自身决定的缺点，即接收性能对 符号同步偏差和频率偏差敏感。在水声通信中，由于通常工作在低频，而且声速远低于无线电，因此当存在多普勒时，相比无线电来说更加严重的影响了 OFDM系统的性能，多普勒对水声OFDM通信的影响本质是大的多普勒对宽带通信的影响，因此，窄带无线电OFDM通信中的多普勒修正方法不适合水声OFDM通信。水声通信中的多普勒补偿方法，比较典型的方法是1998年Sharif B S采用的块多普勒估计方法、时域线性差值方法。2007年Baosheng Li借鉴Sharif的块处理方法，针对水声OFDM通信中的补偿多普勒问题，提出首先进行宽带多普勒补偿，即先测得多普勒扩展量(扩展因子)，在时域中对信号进行重采样，然后进行窄带多普勒补偿，即将残留的多普勒近似看成载波频率偏移(Carrier Frequency Offset, CFO),进行CFO估计,然后进行补偿。上述方法需要保存一帧完整的信号，内存占用大，不利于实时实现，且采用近似处理方法，多普勒补偿精度不高，解码效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，补偿在频域中进行，精度高、实用性好。本发明的目的是这样实现的该方法包括如下步骤(I)在发射端，在每帧的起始使用一个帧头信号(如线性调频信号LFM)，用于第一个符号的粗同步，在每个OFDM符号频谱的外侧添加一根测频谱线，用于多普勒粗估计，在OFDM频域中插入伪随机序列[‘ Cl1,…，(V1]作为导频序列，导频序列不仅可以用作信道估计，还可以用作每个符号的精度同步和多普勒估计；(2)在接收端，采用副本相关法捕获帧头信号，计算帧头信号的达到时刻Ttl，由τ ο后推得到第一个OFDM符号的起始位^的粗估计；(3)以&为起始时刻取出一个OFDM符号，根据测频信号的频率偏移量，计算得到该符号内多普勒扩展(或压缩)量的粗估计成；(4)以^和爲为搜索中心，设置时-频搜索区间，用Chirp-Z变换(线性调频Z变换)将OFDM信号变换到频域，提取伪随机导频序列，计算代价函数，并比较大小，使代价函数达到最大的f和#就是该符号的精确起始位置和多普勒扩展量，为了提高多普勒搜索效率，可以将多普勒搜索分成两步，先以大步距搜索，再以小步距搜索；(5)根据步骤(4)中得到的符号起始时刻？，取出一个符号，进行Chirp-Z变换，得到多普勒补偿后的OFDM频域信号，然后进行信道估计和均衡，恢复出原始信息；(6)再以当前符号的起始时刻f为基准，得到下一个OFDM符号的起始位置^，重复步骤(3) (6),直至一巾贞信号结束。 上述技术方案中，所述步骤(3)中多普勒扩展量的粗估汁是这样得到的假设测频信号的频率为fz，受多普勒影响，接收到的测频信号的频率偏移至f' z，则爲的计算公式是
权利要求
1.一种移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，其特征在于该方法包括如下步骤 (1)在发射端，在每帧的起始使用一个帧头信号，用于第一个符号的粗同步，在每个OFDM符号频谱的外侧添加一根测频谱线，用于多普勒粗估计，在OFDM频域中插入伪随机序列[CUd1，…，(V1]作为导频序列； (2)在接收端，采用副本相关法捕获帧头信号，计算帧头信号的达到时刻Ttl，由τ(1后推得到第一个OFDM符号的起始位^的粗估计； (3)以&为起始时刻取出一个OFDM符号，根据测频信号的频率偏移量，计算得到该符号内多普勒扩展或压缩量的粗估计成; (4)以和成为搜索中心，设置时-频搜索区间，用Chirp-Z变换将OFDM信号变换到频域，提取伪随机导频序列，计算代价函数，并比较大小，使代价函数达到最大的f和P就是该符号的精确起始位置和多普勒扩展量，多普勒搜索分为两步，先以大步距搜索，再以小步距搜索； (5)根据步骤(4)中得到的符号起始时刻？,取出一个符号，进行Chirp-Z变换，得到多普勒补偿后的OFDM频域信号，然后进行信道估计和均衡，恢复出原始信息； (6)再以当前符号的起始时刻f为基准，得到下一个OFDM符号的起始位置^，重复步骤(3) (6),直至一巾贞信号结束。
2.根据权利要求I所述的移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，其特征是所述步骤(4)中用Chirp-Z变换将OFDM信号变换到频域，其公式为 N-IY{zk) = Yy(H)A-nWnkn=Q 其中，y(n)是接收信号，j =为起始频率，Φ。为频率分辨率，4是采样率，&和由多普勒扩展量β决定，其公式为f0=fiow*(l+^)φ0=^*(1 + β) 其中，flow是OFDM信号的最低子载波的频率，B是OFDM信号带宽。
3.根据权利要求I所述的移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，其特征是所述步骤(4)中的以^和成为搜索中心，设置时-频搜索区间是指设置时间区间Γ，4+Γ]，Τ为搜索半径，设置多普勒区间= 4成+而，δ为搜索半径。
4.根据权利要求I所述的移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，其特征是所述步骤(4)中提取伪随机导频序列，计算代价函数，代价函数的计算公式是 u I2XaV,β,) = d, *Conjidi)(Ji € s iOl,,) ι={> 其中，I · I表示取模运算，con j ( ·)表示共轭运算，[d0, Cl1，…，dM_J是本地伪随机序列，[H · .,4—,]是接收端提取的伪随机序列。
5.根据权利要求I所述的移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，其特征是所述步骤(4)中多普勒搜索分为两步，先以大步距搜索，再以小步距搜索是指在多普勒搜索区间《/ 内，先以大步距搜索，搜索使代价函数XcHti, β,)达到最大的β。，再以β。为中心，用小步距进行细搜索，最后得到精确的估计β O
6.根据权利要求I所述的移动OFDM水声通信信号的符号同步和多普勒补偿方法，其特征是所述步骤(5)中根据步骤(4)中得到的符号起始时刻f,取出一个符号，进行Chirp-Z变换的方法为根据起始时刻？，取长度为Γ-, Ι + 為的信号，Irfdm是发射符号长度，进行Chirp-Z变换，起始频率和频率分辨率分别为
全文摘要
本发明涉及一种移动OFDM水声通信信号的精确符号同步和多普勒补偿方法。首先利用帧头信号得到第一个OFDM符号起始位置的粗估计，提取符号，然后利用符号内的测频单频信号得到符号的多普勒扩展粗估计，利用Chirp-z变换将符号变换到频域，通过频域导频与本地导频的相关值作为代价函数，搜索符号的精确起始时刻和多普勒扩展量，然后用当前符号的起始位置推测下一个符号的起始位置，提取下一个符号，周而复始，直至一帧信号结束。本发明的多普勒测量和补偿方法基于Chirp-Z变换，测量和补偿精度高，可利用FFT实现Chirp-Z变换，实用性好，多普勒扩展的搜索方法采用先大步距，后小步距，搜索效率高，多普勒测量范围不受限制，可用于匀速运动，还可用于变速运动。
文档编号H04L27/26GK102868659SQ20121031974
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者张宏滔, 王忠康, 谢哲, 岳志杰 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所