[发明专利]水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声正交频分复用通信，尤其涉及一种水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法。

背景技术

水声信道高速数据传输，是水声通信的重要组成部分。近年来正交频分复用（OFDM）通信系统被广泛地应用于水声通信中，它的优点主要是抗多径干扰能力强，传输速率高，能充分利用频带的宽度。但是水声信道是极其复杂的时间-空间-频率变化、强多途、有限频带和高噪声的信道，会给信号带来严重的载波间干扰和符号间干扰问题，限制了OFDM通信系统性能。目前，国内外关于OFDM研究文献中已经提出很多技术用来提高系统性能，如自适应均衡，加保护间隔，自适应波束成形和分解等技术，但这些技术都没有考虑多径干扰信号非常严重（大于保护间隔或者符号间隔）的情况，也没有对这种多径带来的帧间干扰进行消除。

压缩感知理论是在信号处理领域内提出的新技术（石光明,刘丹华,高大化,等.压缩感知理论及其研究进展[J].电子学报,2009,37(5):1070-1081）。它允许从非常有限的采样值中有效的重建稀疏信号。许多研究已将压缩感知理论应用与信道估计中（Berger C R,Zhou S, Preisig J C,et al.Sparse channel estimation for multicarrier underwater acoustic communication: From subspace methods to compressed sensing[J].Signal Processing,IEEE Transactions on,2010, 58(3):1708-1721），这是压缩感知在通信中的重要应用。与传统的导频辅助信道估计方法相比，基于压缩感知理论的信道估计方法无需通过插值来得到数据子载波上的冲激响应，可有效的降低信道估计误差和提高系统的频谱利用率。同时，对噪声不敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可消除由于多径时延带来的码间干扰影响的基于压缩感知理论的水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法。

本发明包括水声OFDM系统发送端信号处理和水声OFDM系统接收端信号处理；

所述水声OFDM系统发送端信号处理包括以下步骤：

（1）先将经过QPSK符号映射后的信号，进行串并转换得到并行信号，在并行信号中插入梳状导频值，其中插入的个数满足：

M<<N （1）

式（1）中，M是插入的导频个数，N是子载波总的个数；

（2）对插入导频的并行信号进行傅里叶反变换（IFFT），得到OFDM调制信号；

（3）将OFDM调制信号末尾的L_cp个子载波信号进行复制，放在OFDM调制信号前面，得到加入循环前缀的OFDM调制信号，循环前缀是一种有效克服码间干扰的保护间隔，但是也会降低系统的传输效率，因此，所选取的保护间隔的长度满足：

L_cp＝T/4 （2）

式（2）中，T表示符号时间；

（4）将步骤（3）所述加入循环前缀的OFDM调制信号依次经过数模变换、上变频后发送出去；

所述水声OFDM系统接收端信号处理是针对水声OFDM通信系统接收信号中前一帧符号对下一帧符号的多径干扰时延是T_cp＜τ_p＜T的情况，所述水声OFDM系统接收端信号处理包括以下步骤：

A、建立多径干扰信号模型：

对于前一帧符号的多径干扰时延可能出现的情况有：多径时延小于符号时间τ_p＜T，其中 T为符号周期；另一种情况是前一帧符号的多径干扰时延大于符号时间τ_p＞T，其中T为符号周期；

B、基于步骤A中不同的干扰信号模型，利用压缩感知理论估计出多径干扰信号的时延和幅值，然后消除干扰信号，最后进行均衡处理和判决输出。

优选地，在步骤A中，水声信道存在着较大的时延扩展，其中主要能量集中在部分多径信道上，信道可以看成是稀疏的；对于不同的水声环境，多径干扰时延可以表示为两种基本的信号模型。

优选地，在步骤B中，多径干扰信号的时延和幅值估计对于步骤A中的T_cp＜τ_p＜T情况时，具体包括以下步骤：

a、在系统接收端，基于压缩感知信道估计原理，利用接收到的前一帧符号的频域导频值和对应的发送导频值，可以估计出信道的时域脉冲响应，得到(a_p;τ_p)；