[发明专利]水声OFDM多普勒因子精确估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水声OFDM多普勒因子精确估计方法，属于水声通信技术领域。

背景技术

随着海洋开发活动的频繁，人们对高速水声通信的要求成为必然。作为多载波调制方式的一种形式，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术以其低复杂性、抗多径衰落、较高的频带利用率和传输速度，越来越受到人们的青睐。相较于陆上无线电通信，由于声波在水中的传播速率较低(约1500m/s)和水下声信道固有的复杂性，水声OFDM面临着严重的多普勒扩展，OFDM子载波间的正交性遭到破坏，引起子载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)，导致解调性能恶化，限制了OFDM在水声通信中的应用。为此，必须对水声OFDM进行多普勒因子估计和补偿，降低多普勒扩展带来的影响。

目前水声通信中的多普勒估计方法多是基于模糊度函数的方法，其具体实现方法无外乎两类：一种是相关多普勒因子估计方法，通过一组预置不同多普勒因子的相关器和接收信号进行相关，选出使相关输出最大的相关器，该相关器所预置多普勒因子即是所要估计的结果；另一种是块多普勒估计方法，通过在发送数据前后插入对多普勒不敏感信号(如chirp信号)，在接收端用匹配滤波器测量变化后的符号长度，再和原始符号长度相比较即可估计出多普勒因子。这两类方法在具体运用时有如下缺点：

(1)对多普勒因子的估计只进行一次，由于水声信道本身的复杂性，导致残余多普勒因子过大，补偿后的效果并不如意；

(2)不能充分利用同步码信号的特点，预设的多普勒因子范围过于宽泛，设置的相关器数目较多，增加了实现复杂度。

申请号为200910021976.6的专利文献《移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法》公开了一种基于同步信号和相关的多普勒估计方法，选取线性调频信号作为帧同步信号，先对接收信号进行采样，再与其延迟信号作互相关处理，通过门限比较的方法来计算多普勒因子，能达到一定的估计精度。但是，这种方法只适用于单载波水声通信的情况，并且只进行一次多普勒估计会造成残余多普勒因子过大，对于估计精度要求比较高的OFDM水声通信不太适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水声OFDM多普勒因子精确估计方法，针对本发明设计的前同步码的特点，在传统基于相关处理的估计方法之上，提出一种能精确估计多普勒因子的方法，解决了传统相关方法估计结果不准，未充分利用同步码特性的缺点。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种水声OFDM多普勒因子精确估计方法，基于水声OFDM通信系统信号帧结构，所述帧结构包括待传输数据、同步码，所述同步码由前同步码和CW(Continuous Wave，连续波)单频信号组成，帧结构依次为前同步码、保护间隔、CW单频信号、保护间隔、待传输数据，所述前同步码包括两个完全相同的已知OFDM符号α和其对应的循环前缀CP_p，它独立于传输数据部分的OFDM符号及其循环前缀；

所述水声OFDM多普勒因子精确估计方法，包括以下步骤：

步骤S1：接收信号进入带通滤波器(BPF)，滤除带外噪声；

步骤S2：带通信号经过下变频变换成其对应的基带信号r(t)；

步骤S3：对基带信号r(t)进行定时同步；

步骤S4：提取OFDM帧结构中的CW单频信号；

步骤S5：根据步骤S4所提取的CW单频信号，估计其信号频率f_s'，即进行第一次多普勒因子初步估计，得到估计结果f_s为收发双方都已知的CW单频信号频率；

步骤S6：用2K₁+1个自相关器估计r(t)中前同步码的周期，其中K₁表征了自相关器的搜索范围，得到输出结果最大的自相关器(设为第i个自相关器)的时延估计即为前同步码的周期，其中i表示所求自相关器的序数，T'_i表示第i个自相关器的时延；

步骤S7：由步骤S5和步骤S6的结果，计算第二次多普勒因子估计值Δ₁表示第二次多普勒估计中自相关器的搜索步长；

步骤S8：用2K₂+1个互相关器，其中K₂表征了互相关器的搜索范围，通过步骤S7的估计结果来设置互相关器参数，包括如下的搜索范围设定：