基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法

本发明涉及多载波通信领域，尤其涉及一种基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法。

背景技术：

1、正交频分复用(othogonal frequency division multiplexing，以下简称ofdm)与单载波是水声通信领域最主要的通信调制方案，其中单载波依靠缩短码元周期来实现高速率通信。然而，由于水声信道的长多径效应，单载波通信体制易受到严重的码间干扰。与单载波相比，ofdm可以加入保护间隔从而达到抵抗码间干扰的目的，并且将数据分割成多个并行的低速子信道进行传输降低均衡的复杂度。

2、然而多普勒效应会使得ofdm载波间的正交性被破坏，造成载波间干扰。在无线电通信中，多普勒造成的时间压缩或扩张可以忽略不计，所有子载波受到的多普勒频偏移可以看做近似相等。而在水声通信中，由于声速较低，且声学信号占用的带宽相对于中心频率而言不可忽略，每个子载波会经历不同的多普勒频偏，从而产生不均匀的多普勒失真；特别是在高速运动的场景下，ofdm调制信号会受到时变的多普勒频偏。然而现有的通信调制方案主要针对不时变的多普勒频偏进行估计和补偿，缺少针对时变的多普勒频偏的研究。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法。

2、具体技术方案如下：

3、一种基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，包括以下步骤：

4、s1、多普勒因子补偿：在发射端，数据流经过串并转换后，通过星座点映射形成数据子载波，在数据子载波中插入空子载波和导频后，通过离散傅里叶反变换转换为时域基带ofdm信号，再经过上采样和上混频后，通过换能器进行数模转换并发送至水声信道；

5、接收端获取水声信道中的信号并进行模数转换后，根据估计的多普勒因子对接收信号进行重采样，再经过下混频和下采样，得到经过信道畸变的基带信号；

6、s2、多普勒时变频偏估计：将接收端一个符号时长内的基带信号划分为若干个子块，每个子块添加不同的候选频偏，以基带信号中ofdm信号空子载波的能量和作为代价函数，采用对分搜索算法寻找代价函数最低点所对应的频偏，作为多普勒时变频偏；

7、s3、多普勒时变频偏补偿，信道估计和均衡：基于多普勒时变频偏，对所述经过信道畸变的基带信号进行频偏补偿，再基于压缩感知方法进行信道估计，使用最小均方误差均衡算法进行解调。

8、进一步地，所述s1中，发射端通带上的传输信号为：

9、

10、式中，s[k]表示第k个子载波上的星座点，k＝-k/2，...，k/2-1，k为子载波的个数，sa为子载波索引集合；j为虚数，t为ofdm信号的时间长度，tg为保护间隔的符号长度，t+tg为ofdm信号的总长度；g(t)表示加入零填充后缀的脉冲调制波形；fc表示载波频率；

11、接收端接收到的通带信号表达式为：

12、

13、式中，h(t；τ)表示时变水声信道，表示噪声，表示卷积；

14、接收端重采样后的通带ofdm信号表达式为：

15、

16、式中，b表示估计的多普勒因子。

17、进一步地，所述s1中，估计的多普勒因子由前导码估计得到。

18、进一步地，所述s2通过如下子步骤实现：

19、s2.1：把接收端一个符号时长内的基带信号划分为d个子块，每个子块添加不同的候选频偏，添加候选频偏后空子载波能量和，即代价函数的表达式为：

20、

21、

22、

23、式中，∈1为第一个子块的频偏，∈2为第二个子块的频偏，∈d为第d个子块的频偏；sn为空子载波索引集合，k表示第k个子载波；k为子载波的个数，l为ofdm信号零填充后缀的长度；z为所述经过信道畸变的基带信号的离散采样点集合；表示共轭转置，tc为采样周期；

24、s2.2：采用对分搜索法检测代价函数的最低点，最大对分搜索次数为m，频偏搜索范围为{(∈1，∈2，∈3，…，∈d)，fmin≤∈1≤fmax，fmin≤∈2≤fmax，…，fmin≤∈d≤fmax}，fmin和fmax由人为设定；每个候选频偏对应一个代价函数；首先进行粗搜索，粗搜索的搜索精度为δf，得到的频偏为第m次对分搜索的搜索精度为δf0＝δf，得到的频偏为对应的代价函数中，最低的代价函数值对应的频偏为第m+1次对分搜索得到的频偏；最终得到的多普勒时变频偏为

25、进一步地，s3通过如下子步骤实现：

26、s3.1：根据所述多普勒时变频偏对经过信道畸变的基带信号进行频偏补偿，得到频偏补偿后的时域基带信号表达式如下：

27、

28、

29、s3.2：通过压缩感知的方法进行信道估计，时域基带信号经过离散傅里叶变换后的频域测量值记为中的导频部分用字典集表示如下：

30、

31、式中，s[q1]表示第q1个子载波上的星座点；kp为导频的索引；ξ表示字典集的权重；ηp表示噪声；为中的第一个元素，为中的第n个元素，表示中元素的个数，λ表示过采样因子，τmax表示最长多径时延，b＝k/t表示带宽，表示向上取整；

32、信道估计的表达式如下：

33、

34、s3.3：使用最小均方误差均衡算法对进行解调，解调后信号的表达式如下：

35、

36、式中，n0表示频域噪声方差，i表示单位矩阵。

37、进一步地，其特征在于，所述s3.2中，字典集的权重ξ根据正交匹配追踪算法得到。

38、进一步地，所述s1中，采用正交相移键控的调制方式进行星座点映射。

39、本发明的有益效果是：

40、(1)面对变化剧烈的水声信道，本发明提出了基于空子载波的时变多普勒频偏估计补偿方法，来抵抗一个ofdm数据块时隙内受到的多普勒时变频偏。

41、(2)本发明采用对分搜索方法搜索时变频偏，降低搜索代价函数最低点对应的频偏的搜索次数，从而降低了搜索的复杂度。

技术特征：

1.一种基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，所述s1中，发射端通带上的传输信号为：

3.根据权利要求1所述的基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，所述s1中，估计的多普勒因子由前导码估计得到。

4.根据权利要求1所述的基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，所述s2通过如下子步骤实现：

5.根据权利要求4所述的基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，s3通过如下子步骤实现：

6.根据权利要求5所述的基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，所述s3.2中，字典集的权重ξ根据正交匹配追踪算法得到。

7.根据权利要求1所述的基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，其特征在于，所述s1中，采用正交相移键控的调制方式进行星座点映射。

技术总结本发明公开了一种基于对分搜索法的正交频分复用水声通信时变多普勒估计与补偿方法，发射端发射的信号被接收端接收，经过重采样、下混频、下采样后得到基带信号，把接收端一个符号时长内的基带信号划分为若干个子块，以OFDM符号中空子载波的能量和作为代价函数，采用对分搜索算法寻找代价函数最低点所对应的多普勒时变频谱，基于该多普勒残留频谱进行频偏补偿，再基于压缩感知方法进行信道估计，使用最小均方误差均衡算法进行解调。本发明通过准确高效地估计与补偿多普勒时变频偏，降低了水声信道中的多普勒效应对OFDM调制信号造成的载波间干扰。技术研发人员：瞿逢重,金宏泽,涂星滨,章旻昊,孙瑞卿,李志鹏受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29