[发明专利]基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种抗多普勒频移的多子带频率调制解调方法。

背景技术

在无线通信系统中，当发送者或接收者在运动中通信时，接收者接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。

多普勒频移严重影响着通信的质量。信号在传输的过程中发生多普勒频偏，在频域上就会产生显著的频移扩散，从而在时域上引起信号时间选择性衰落，造成接收和解调的错误。同时对于多载波系统来说，时间选择性衰落容易破坏子载波间的正交性，从而引起子载波间干扰和在信道跟踪时造成不准确。

多普勒频移是无线通信系统中普遍存在但又难以解决的问题，在水声通信中，同样存在着多普勒频偏，而且更为严重。表1是浅海水声信道和陆地GSM无线电信号的特性比较：

表1

  参数  GSM900信道  浅海水声信道  载波频率  900MHz  5KHz-50KHz  信道带宽  200KHz  10KHz  波速  3×10^-8m/s  1500m/s  发射、接收端相对移动速度  50km/h  10km/h  多普勒因子  4.6×10^-8  1.85×10^-3

从上表看出，水声信道的带宽比无线电信道的带宽小得多，同时由于水声信道载波的速度远小于陆地无线电信道的电磁波速度，导致水声通信的多径时延和多普勒因子都与陆地无线电信道相差了多个数量级。另外水底环境的复杂性也加大了多普勒频偏问题。为了解决带宽问题，需要研究一种高效的通信模式，例如陆上的正交频分复用技术(OFDM)，但由于水声信道中的多普勒频偏问题更为严重，所以不能把陆上成熟的通信模式原封不动的移至水声通信中，必须加以改进或者提出更适合水声通信的方法。

目前来说，水声通信很大一部分是采用改进的OFDM通信模式。OFDM作为一种高效的多载波通信模式，能很好的解决水声信道带宽资源紧缺的问题，但在水声信道中应用多载波系统，就必须解决多普勒频偏问题。最常用的改进方法就是进行多普勒频移补偿：通过在每帧信号的始端和末端添加识别信息，在接收端就可以估计出接收信号的长度，而发射时一帧信号的长度是已知的，通过二者的对比可以得到该帧伸缩/扩展的情况，即其多普勒系数，最后通过时域插值对帧信号中每个子载波进行多普勒补偿。这种方法易于实现，结构简单，但对识别信息的要求较高。为了能准确的辨识出帧长度，识别信号必须满足大的时宽带宽乘积(简称BT)，而且必须采用对多普勒频移不敏感的信号(如线性调频信号)。但BT取得越大，也就意味着辨识信号的长度越长，必然会降低数据的传输效率。这两个因素相互制约，选择较好的多普勒补偿，就必然会牺牲传输的效率。本发明提出的调制方法能很好的解决这个问题，采用辅助导频的方法，既能提高多普勒系数估算的精度，又不会降低信号的传输速率。

发明内容