[发明专利]一种基于虚拟时间反转镜的水声OFDM‑MFSK信道均衡方法

说明书

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于虚拟时间反转镜的水声OFDM-MFSK信道均衡方法。

背景技术

OFDM-MFSK是多载波技术与MFSK相结合的调制技术，在实现过程中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，无需信道估计与均衡过程。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。

水声信道是水声通信技术远远落后于陆地无线通信技术的最大障碍，水声信道是迄今为止最为复杂的无线信道之一，具有严重的多途扩展和多普勒扩展，且可用带宽有限。由于水中声波传输速度较慢，当通信双方存在相对运动时，会使接收信号发生压缩和扩张，产生多普勒频偏，而多途扩展使得相干多途信号到达接收端时会产生符号间干扰(ISI)，在多载波系统中，较大的多途扩展会导致系统受到严重的符号间干扰(ISI)的影响。为了消除ISI，系统需要加入较长的循环前缀来进行消除，由此会降低系统的频带利用率。

为了有效减少ISI的影响，有学者将被动时间反转镜技术应用于多载波OFDM-MFSK系统中，利用时间反转镜技术良好的时间压缩和空间聚焦特性实现信道的短化，结果表明，时反处理系统相比未时反系统，可以有效降低系统误码率，提高系统性能，但该方法没有考虑探测信号自相关对处理结果的影响。基于此，有学者提出采用虚拟时间反转镜(Virtual Time Reversal Mirror，VTRM)技术应用于OFDM系统，该方法首先利用探测信号并采用匹配追踪算法对信道冲激响应进行精确估计，然后对估计出的结果进行时间反转，并与信号进行卷积来完成信道均衡，结果表明，虚拟时间反转镜技术相比被动时间反转镜技术由于对信道进行了精确估计，避免了探测信号自相关的影响而具有更好的系统误码性能。

综上所述，时间反转镜技术可以有效降低由于信道多途扩展给系统带来的性能损失，但该方法中采用匹配追踪算法对信道进行估计，虽然相比传统的匹配滤波方法具有优势，但所选的原子不具备正交性，估计效果与真值存在一定偏差，且采用单频信号进行多普勒估计，导致在多途扩展严重的信道下估计稳定性和精度明显降低，并且牺牲了系统较大的功率。

本发明利用数据首尾的线性调频信号来进行多普勒估计，有效避免了采用单频信号所存在的问题；同时采用正交匹配追踪算法来进一步提高信道估计精度；并将虚拟时间反转镜应用于OFDM-MFSK水声通信系统中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可有效解决信道多途扩展对水声OFDM-MFSK通信系统带来的性能损失的基于虚拟时间反转镜的水声OFDM-MFSK信道均衡方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种基于虚拟时间反转镜的水声OFDM-MFSK信道均衡方法，其具体的实现步骤包括：

(1)发射端在一帧数据的首尾加入线性调频信号；

(2)接收端对帧前同步信号进行检测，完成数据截取和多普勒因子估计，并对接收信号进行多普勒补偿；

(3)利用多普勒补偿后的帧前同步信号进行高精度信道冲激响应估计；

(4)根据估计出的信道冲激响应结果对数据进行虚拟时间反转信道均衡；

(5)对均衡后的数据进行解调。

对于一种基于虚拟时间反转镜的水声OFDM-MFSK信道均衡方法，步骤(1)中所述的线性调频信号的带宽为系统工作带宽，线性调频信号的带宽与线性调频信号的时间乘积大于100，且数据与两个线性调频信号间的保护间隔长度大于信道的最大多途扩展长度。

对于一种基于虚拟时间反转镜的水声OFDM-MFSK信道均衡方法，所述的步骤(2)的具体实现步骤包括：

(2.1)利用数据首尾的线性调频信号进行匹配滤波，对接收到的数据以同步信号作为参考信号进行相关运算，寻找帧前和帧后同步信号的峰值坐标点，计算两个信号的时间间隔；

(2.2)计算整帧数据的平均多普勒因子，并根据平均多普勒因子采用线性插值的方法完成接收信号的多普勒补偿。

对于一种基于虚拟时间反转镜的水声OFDM-MFSK信道均衡方法，所述的步骤(3)的具体实现步骤包括：

(3.1)将多普勒补偿后的帧前同步信号作为探测信号，采用正交匹配追踪算法完成水下多途信道冲激响应的估计，得到每条多途路径的时延、幅度信息。