一種基于拷貝相關與空子載波結合的多普勒估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水聲通信領域，尤其涉及一種基于拷貝相關與空子載波結合的多普勒 估計方法。
【背景技術】
[0002] 由于海洋的復雜環境，水聲信道存在嚴重的噪聲、多途時延、多普勒頻移和時變 等特點，嚴重影響了水聲通信的質量。正交頻分復用（OrthogonalFrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技術由于其頻帶利用率高和抗多途能力強等特點，被廣泛的應用于水 聲通信領域。由于0FDM對載波頻偏敏感，多普勒頻移破壞了 0FDM子載波間的正交性，嚴重 影響了其性能和通信質量，因此，如何降低多普勒頻移的影響是提高0FDM水聲通信質量的 關鍵。
[0003] 目前，0FDM水聲通信中常用的多普勒估計方法主要有以下三種方法：
[0004] (1)單頻信號測頻估計法。該方法是在發射端同步信號后插入一段已知頻率的CW 信號，在接收端對接收信號經過同步后計算接收到CW信號的頻率，將發送的CW信號與接收 的CW信號頻率進行比較可算出估計的多普勒因子。該方法估計的精度受CW信號長度限制， 且易受多途和噪聲的干擾。
[0005] (2)拷貝相關估計法。該方法是在發送端在0FDM符號的前后插入線性調頻信號， 在接收端通過拷貝相關測得接收到0FDM符號長度，將接收到的0FDM符號長度與發送的 0FDM符號長度進行比較可得出估計的多普勒因子。該方法估計的精度受插入信號的時間帶 寬積限制，為保證接收端相關峰的尖銳，插入信號的時間帶寬積應足夠大，且該方法需要在 每個0FDM符號前后都插入線性調頻信號，插入信號頻率較高，運算量較大，降低了數據傳 輸速率。
[0006] (3)空子載波估計法。該方法是在發送端在0FDM符號中插入空子載波，在接收端 通過補償不同的多普勒速度計算0FDM符號中空子載波位置處的能量，能量和最低所對應 的速度即為估計的多普勒速度，將其轉化為多普勒因子即為估計的多普勒因子。該方法估 計的多普勒因子較為準確，進行補償后具有較好的效果。但算法要求在每個0FDM符號中插 入空子載波，降低了載波利用率，且隨著多普勒速度搜索范圍的增大和搜索精度的提高，算 法復雜度大大增加。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種水聲0FDM精確的、算法復雜度小、易實現的，基于拷貝 相關與空子載波結合的多普勒估計方法。
[0008] -種基于拷貝相關與空子載波結合的多普勒估計方法，包括以下步驟，
[0009] 步驟一：在發射端將待發送的二進制數據調制成插入有空子載波的0FDM符號；
[0010] 步驟二：將L個0FDM符號進行組幀，在每幀信號首尾插入線性調頻信號；
[0011] 步驟三：在接收端對接收信號進行采樣，采用拷貝相關進行多普勒粗估，通過每幀 信號首尾的相關峰計算信號壓縮和伸展程度，得到粗估的多普勒因子：
[0012]
[0013] 其中T是未經多普勒影響的一幀信號的長度，Τ'是測得的經過多普勒影響的一幀 信號長度；
[0014] 步驟四：通過粗估的多普勒因子計算得到發射端與接收端的相對移動速度：
[0015] f=
[0016] 其中c為聲波在水中速度；
[0017] 步驟五：采用空子載波法在估算出的相對移動速度附近對一幀信號中每個0FDM 符號進行速度補償，采用DFT求解速度補償時每個OFDM符號空子載波處能量和，能量和最 小所對應的速度是精確估計的速度，將精確估計的速度轉化為多普勒因子即為精確估計的 多普勒因子。
[0018] 本發明一種基于拷貝相關與空子載波結合的多普勒估計方法，還可以包括： IIη
[0019] 速度補償的精度為Λ，補償次數為η，則補償范圍為[15-γΔ?;+ 7Δ]，
[0020] 經過DFT運算解得多普勒速度補償后各空子載波處的幅度為：
[0021] Yx=ZXff
[0022] 其中，Y1=[y。，yi，. . .yKJ，一幀數據中每個OFDM符號表示成Z= [z。，Zl，. . .zNJ，每個OFDM符號空子載波個數為K，空子載波位置為K=[kk2, . . .kK]，第 i次多普勒補償速度為Vpi= 1，2,…n，W為一個NXK維矩陣；
[0023] 則第i次多普勒速度補償得到空子載波處的能量為：
[0024] E(Vl) =
[0025] η次補償E(Vl)中最小值所對應的速度即為得到的精確估計的相對移動速度：
[0026] r=argmin￡(v)
[0027] 精確估計的多普勒因子為：
[0028] H ：c
[0029] 有益效果：
[0030] 本發明對多普勒因子進行二次估計，提高了估計精度；以幀為單位進行多普勒估 計，減少了線性調頻信號的插入個數，提高通信速率的同時降低了運算量；采用拷貝相關對 多普勒進行粗估，減少了空子載波算法速度搜索個數，在確保精確度的同時降低了算法的 復雜度。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明實現0FDM水聲通信的具體流程；
[0032] 圖2為本發明實現0FDM水聲通信一幀信號結構；
[0033] 圖3為本發明多普勒估計的具體流程。
【具體實施方式】
[0034] 下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0035] 本發明的目的在于提供一種水聲0FDM精確的、算法復雜度小、易實現的多普勒估 計方法。
[0036] 本發明的目的是這樣實現的：
[0037] (1)在發射端將待發送的二進制數據調制成插入有空子載波的0FDM符號；
[0038] (2)將多個0FDM符號進行組幀，在每幀信號首尾插入線性調頻信號；
[0039] (3)在接收端對接收信號進行采樣，采用拷貝相關進行多普勒粗估，通過每幀信號 首尾的相關峰計算信號壓縮和伸展程度，得到粗估的多普勒因子：
[0040] (4)通過粗估的多普勒因子計算得到發射端與接收端大致的相對移動速度：
[0041] (5)采用空子載波法在估算出的相對移動速度附近對一幀信號中每個0FDM符號 進行不同的速度補償，采用DFT求解不同速度補償時每個0FD