[发明专利]一种基于OFDM的水声通信系统脉冲噪声抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于OFDM的水声通信系统脉冲噪声抑制方法，其构建空子载波矩阵，并利用OFDM符号中的各个子载波之间的正交性，从接收信号中提取出仅包含脉冲噪声和背景噪声的信号，通过这种方式不仅能准确分离出接收信号中的噪声部分，而且计算复杂度低；基于压缩感知理论，通过引入L_1/2范数迭代求解，首先将脉冲噪声估计的NP难问题转化为对脉冲噪声L_1/2范数最小值的正则化问题，然后将问题转化为含两步迭代结果的形式，并利用迭代求解方法进行求解，使得本发明方法在不同空子载波个数和信噪比条件下具有较小的误码率；通过采用阈值函数对迭代结果进行处理，使得本发明方法在未受到脉冲噪声干扰的采样点处具有较小的均方误差。

技术领域

本发明涉及一种脉冲噪声抑制技术，尤其是涉及一种基于OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，多载波正交频分复用)的水声通信系统脉冲噪声抑制方法。

背景技术

水声通信(Underwater Acoustic Communication，UAC)是一种利用声波将信源信息经过水声信道高速、可靠地传输到信宿的通信方式。水声通信是海洋水下通信的主要手段，其与传统的无线通信相比有很大不同，水声通信的带宽只有几十kHz，与无线通信的几十GHz带宽相比，可用带宽资源十分有限。在远海中，水声通信中的噪声一般可以近似为高斯白噪声；但是在近海区域，除了来自水声通信系统的高斯白噪声外，还有来自周围环境的脉冲噪声，脉冲噪声的自然来源有潮汐、洋流、海面波浪、热噪声、海洋生物活动以及地震等，脉冲噪声的人为来源由航运、航道爆破、石油和天然气勘探与生产以及声纳设备运行等产生。由于脉冲噪声的功率谱密度要远远高于背景噪声的功率谱密度，因此脉冲噪声是影响水声通信系统性能的主要因素，抑制脉冲噪声对于水声通信中信号的可靠传输具有重要意义。

在水声通信系统中，由于受水底水面反射、折射和海洋环境的漫射效应等影响，水声信道的多径效应明显。多径效应会引起频率选择性衰落，造成码间串扰。与陆上的无线通信相比，声速比光速低很多个数量级，因此水声通信中的水声信道的多径效应引起的码间串扰对水声通信系统性能的影响更加严重。为了对抗水声信道的多径效应，多载波正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术在水声通信中已被广泛采用。OFDM技术能够有效地应对频率选择性衰落信道，因此对脉冲噪声的敏感度要比单载波小很多，但是，实测表明，当脉冲噪声的能量超过某个门限值时，例如比背景噪声高10～20dB左右时，传统的OFDM接收机由于脉冲噪声的出现性能将急剧恶化，信号衰落严重，因此必须采用相应的技术来抑制脉冲噪声。

目前，常见的水声通信系统脉冲噪声抑制方法可以分为两类，一类是参数辅助法，另一类是非参数辅助法。参数辅助法主要有限幅法和消隐法，此类方法针对随机到达、持续时间短、功率高的脉冲噪声，处理时可以采用非线性操作法，通过设定一个门限值来判断接收到的采样信号是否被脉冲噪声干扰，如果被干扰则将该采样信号置为0(blanking)或将该采样信号的幅值限制为门限值(clipping)；此类方法虽然实现简单，但是通常难以选择适当的非线性操作门限值来使其足以抑制脉冲噪声而不会使OFDM信号失真，导致误码率和均方误差较大。非参数辅助法利用脉冲噪声随机到达、持续时间短、在时域上可视为稀疏信号这一特性，将压缩感知(Compressed Sensing，CS)技术用于脉冲噪声抑制，已被证明优于传统的限幅法和消隐法，其中比较常见的非参数辅助法有正交匹配追踪(OrthogonalMatching Pursuit，OMP)法和最小二乘法(Least Squares，LS)，这两种方法可以较为准确地估计出脉冲噪声信号，从而在接收信号中减去脉冲噪声的估计值，完成对脉冲噪声的抑制，但是这两种方法所适用的脉冲噪声模型较为单一，在更加接近实际情况的混合高斯模型下，估计性能较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于OFDM的水声通信系统脉冲噪声抑制方法，其计算复杂度低，且在更加接近实际情况的混合高斯模型下，具有较小的误码率和均方误差。