[发明专利]基于消息传递的水声OFDM通信系统接收信号处理方法

说明书

本发明属于水声通信技术领域，尤其涉及一种基于消息传递的水声OFDM通信系统接收信号处理方法。本发明的技术方案是提供一种基于消息传递有脉冲噪声消除的水声OFDM通信接收信号处理方法，将时域脉冲噪声建模为稀疏向量，通过空载波测量，联合估计信道与脉冲噪声。在载波频移补偿和脉冲噪声干扰消除后，基于因子图设计，设计近似消息传递算法，实现联合信道估计、符号检测及信道译码。

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，尤其涉及一种基于消息传递的水声OFDM通信系统接收信号处理方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种十分有吸引力的技术并广泛应用于水声通信(Underwater Acoustic Communications,UAC)，它可以抗多径衰落并实现高数据速率传输。但是，对多普勒频移较敏感。因此，水声OFDM接收机设计的一项主要任务是处理严重的多普勒效应和信道变化。目前两步多普勒消除方法被验证在典型信道场景下有效。此外，脉冲噪声(Impulsive noise,IN)是另一种衰减接收机性能的因素。传统的脉冲噪声消除方法是非线性和无记忆的方法，例如限幅、截取、组合限幅截取算法，对大幅度信号具有破坏性，尤其是在OFDM系统中。同时传统的脉冲干扰消除方法未考虑载波频率偏移的影响，在水声OFDM通信中，传统方法不能工作，需要设计新的适合水声通信的脉冲噪声消除方法。由于水声通信为了远距离传输，发送信号的载波频率较低，因此可用带宽有限，已有的接收机采用分步的信道估计和符号检测方法，需发送较多的导频来保证符号检测性能，降低了频谱利用率。为了提高频谱效率，需要减少发送的导频数，并提高接收端信号处理算法，保证接收机的可靠性。

发明内容

本发明目的是提出一种水声OFDM通信有脉冲干扰消除的低复杂度接收机设计方法，针对脉冲噪声干扰下的水声OFDM通信，由于水声信道具有较大的时延扩展和多普勒扩展，接收信号存在严重的码间干扰和子载波间干扰，同时单个大幅度的时域脉冲干扰也会影响频域所有子载波测量，传统基于逐子载波的信号解调性能会严重衰减，为了提高系统的鲁棒性，一方面接收端在信号解调前需要进行脉冲干扰消除，另一方面载波频率偏移补偿与信道均衡可以抗多径与多普勒影响。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于消息传递有脉冲噪声消除的水声OFDM通信接收信号处理方法，将时域脉冲噪声建模为稀疏向量，通过空载波测量，联合估计信道与脉冲噪声。在载波频移补偿和脉冲噪声干扰消除后，基于因子图设计，设计近似消息传递算法，实现联合信道估计、符号检测及信道译码。

水声OFDM通信系统发送端信号处理包括：

1、将发送的源比特数据经过信道编码，然后把信道编码后的数据进行符号映射，星座映射符号经过串并转换(S/P)，进行OFDM调制；其中信道编码可以采用卷积码或LDPC编码。星座映射方式采用一般的正交相移键控调制(QPSK)或正交振幅调制(QAM)；

2、将OFDM符号通过并串转换(P/S)和加保护间隔，经过数模转换后上变频到载波频率f_c，最后通过换能器将信号发送出去。为了远距离传输，发送信号频率在十～几十千赫兹。

本发明主要是在对接收信号的处理方法，如图1所示，具体包括：

1、水声信道具有大的时延和多普勒扩展，发送信号经过水声信道后，接收端首先进行重采样、下变频和低通滤波处理，消除宽带多普勒影响；

2、将残余多普勒影响建模为窄带多普勒频率偏移，利用空载波测量值联合估计多普勒频移和脉冲噪声，然后进行多普勒频移补偿和脉冲噪声干扰消除。由于脉冲噪声具有稀疏性，在联合估计过程中，充分利用脉冲噪声的稀疏性提高估计性能；

3、接收端执行联合信道估计、符号检测及信道译码。重复上述步骤，直到接收机算法收敛。基于因子图设计，设计近似消息传递算法。基于因子图的联合估计，该方法可以扩展到高维的数据处理中，且接收机具有低复杂度。其次，利用近似消息传递算法，可以获得近似最优的估计性能。