專利名稱：一種基于時反和ofdm聯合處理的水聲通信裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種時反以及OFDM的水聲通信裝置及方法，屬于水聲通信技術領域。
背景技術：
從上世紀90年代中后期開始，就有人逐步將正交頻分利用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，簡稱“OFDM”)技術應用于水聲通信中，由于OFDM技術頻譜利用率高，通信速率快，發(fā)射和接收硬件實現簡單，現在OFDM通信已成為水聲通信領域研究的熱點。為了實現可靠通信，OFDM的保護間隔長度要求大于信道最大時延擴展長度，而水聲信道的時延擴展較嚴重，因此降低了 OFDM水聲通信的效率。現有的辦法是提升 OFDM符號的長度，這雖然提升了通信效率，但是也減少了 OFDM符號的子載波頻率間隔，在動態(tài)的水聲信道中，增加了子載波間干擾(inter-carrier interference，簡稱“ICI”)，降低了通信可靠性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現有技術中OFDM水聲通信保護間隔較長、子載波間干擾較大的缺陷，提供一種基于時反和OFDM聯合處理的水聲通信裝置及方法。為實現上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是本發(fā)明基于時反和OFDM聯合處理的水聲通信裝置包括信號發(fā)射機，用于形成通信信號，所述通信信號包括線性調頻信號和OFDM信號， 且在線性調頻信號和OFDM信號之間插入有保護間隔，所述OFDM信號是通過將外部通信數據插入導頻數據后經OFDM調制而成；功率放大器，用于將所述通信信號進行功率放大；發(fā)射換能器，用于將放大后的通信信號轉化為聲信號，并將聲信號發(fā)射至水中；接收水聽器陣，用于接收發(fā)射換能器發(fā)射至水中的聲信號，并將所述聲信號轉換為電信號；信號接收機，用于將所述電信號轉換為數字信號并存儲；信號處理器，該信號處理器包括——寬帶多普勒估計與補償模塊，用于對信號接收機存儲的數字信號進行多普勒因子的估計和寬帶多普勒補償；——時反處理模塊，用于對經過寬帶多普勒補償后的信號進行被動時反處理；—OFDM解調模塊，用于對經過被動時反處理的信號進行OFDM解調；——信道估計與補償模塊，用于利用OFDM解調后的信號和采用最小二乘信道估計方法估計出水聲信道的響應，以及消除水聲信道對OFDM解調后的信號的影響；——頻偏估計與補償模塊，用于對經過信道估計與補償模塊處理后的信號進行頻偏估計和補償。本發(fā)明利用以上裝置進行時反和OFDM聯合處理的水聲通信方法包括如下步驟
1)信號發(fā)射機產生線性調頻信號1 (i)，并在外部通信數據中插入導頻數據而得到插有導頻數據的通信數據X(k)，將插有導頻數據的通信數據x(k)經OFDM調制成第一 OFDM信號s (j)，然后在線性調頻信號1 (i)和OFDM信號s (j)之間插入保護間隔形成通信信號；其中i = l，2，…，I，I為線性調頻信號的長度；k= 1，2，…，K，K為插有導頻數據的通信數據x(k)的長度；j = l，2，…，J，J為OFDM信號s (j)的長度，I、K、J均為大于1 的正整數；2)所述通信信號經過功率放大器放大后發(fā)送到放置于水中的發(fā)射換能器；3)發(fā)射換能器將放大后的通信信號轉化為聲信號并發(fā)射至水中；4)利用放置于水中的接收水聽器陣接收發(fā)射換能器發(fā)射至水中的聲信號，并將所述聲信號轉換為電信號；5)信號接收機將接收水聽器陣所轉換的電信號轉換為數字信號Y(n)并進行存儲；6)信號處理器中的寬帶多普勒估計與補償模塊先對所述數字信號Y(η)與線性調頻信號l(i)進行相關運算，然后利用所述相關運算的結果估計出數字信號Y(n)中的所有相鄰的兩個線性調頻信號之間的間隔時間T2，得到如式(1-1)所示的那多普勒因子α和式 (1-2)所示的插值因子D α = I-VT1(1-1)D=I+α(1-2)式(1-1)中，T1表示信號發(fā)射機產生的兩個相鄰的線性調頻信號的間隔時間；然后，利用所述插值因子D對所述數字信號Υ(η)進行插值得到補償后的信號 Y ；7)信號處理器中的時反處理模塊利用線性調頻信號1 (i)作為探測源，對所述補償后的信號Y1 (η)在頻域上進行被動時反處理得到第二 OFDM信號S1 (j)；8)信號處理器中的OFDM解調模塊對所述第二 OFDM信號S1 (j)進行解調，得到解調后的通信數據X1 (k)；9)信號處理器中的信道估計與補償模塊利用所述插有導頻數據的通信數據x(k) 中的導頻數據I和所述解調后的通信數據X1 (k)中的導頻位置的數據，在頻域上利用最小二乘法對水聲信道進行估計，獲得如式(2-1)所示的導頻位置處的信道響應的估計值
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權利要求
1.一種基于時反和OFDM聯合處理的水聲通信裝置，其特征是，包括信號發(fā)射機，用于形成通信信號，所述通信信號包括線性調頻信號和OFDM信號，且在線性調頻信號和OFDM信號之間插入有保護間隔，所述OFDM信號是通過將外部通信數據插入導頻數據后經OFDM調制而成。功率放大器，用于將所述通信信號進行功率放大；發(fā)射換能器，用于將放大后的通信信號轉化為聲信號，并將聲信號發(fā)射至水中； 接收水聽器陣，用于接收發(fā)射換能器發(fā)射至水中的聲信號，并將所述聲信號轉換為電信號；信號接收機，用于將所述電信號轉換為數字信號并存儲； 信號處理器，該信號處理器包括——寬帶多普勒估計與補償模塊，用于對信號接收機存儲的數字信號進行多普勒因子的估計和寬帶多普勒補償；——時反處理模塊，用于對經過寬帶多普勒補償后的信號進行被動時反處理； —OFDM解調模塊，用于對經過被動時反處理的信號進行OFDM解調； ——信道估計與補償模塊，用于利用OFDM解調后的信號和采用最小二乘信道估計方法估計出水聲信道的響應，以及消除水聲信道對OFDM解調后的信號的影響；——頻偏估計與補償模塊，用于對經過信道估計與補償模塊處理后的信號進行頻偏估計和補償。
2.一種利用權利要求1的裝置進行時反和OFDM聯合處理的水聲通信方法，其特征在于包括如下步驟1)信號發(fā)射機產生線性調頻信號l(i)，并在外部通信數據中插入導頻數據而得到插有導頻數據的通信數據χ (k)，將插有導頻數據的通信數據χ (k)經OFDM調制成第一 OFDM信號s (j)，然后在線性調頻信號1 (i)和OFDM信號s (j)之間插入保護間隔形成通信信號；其中i = l，2，…，I，I為線性調頻信號的長度；k= 1，2，…，K，K為插有導頻數據的通信數據x(k)的長度；j = 1,2,…，J，J為OFDM信號s (j)的長度，I、K、J均為大于1的正整數。2)所述通信信號經過功率放大器放大后發(fā)送到放置于水中的發(fā)射換能器；3)發(fā)射換能器將放大后的通信信號轉化為聲信號并發(fā)射至水中；4)利用放置于水中的接收水聽器陣接收發(fā)射換能器發(fā)射至水中的聲信號，并將所述聲信號轉換為電信號；5)信號接收機將接收水聽器陣所轉換的電信號轉換為數字信號Y(η)并進行存儲；6)信號處理器中的寬帶多普勒估計與補償模塊先對所述數字信號Υ(η)與線性調頻信號l(i)進行相關運算，然后利用所述相關運算的結果估計出數字信號Y(n)中的所有相鄰的兩個線性調頻信號之間的間隔時間T2，得到如式(1-1)所示的那多普勒因子α和式 (1-2)所示的插值因子D α = I-T2A1(1-1)D = 1+α(1-2)式(1-1)中，T1表示信號發(fā)射機產生的兩個相鄰的線性調頻信號的間隔時間； 然后，利用所述插值因子D對所述數字信號Υ(η)進行插值得到補償后的信號Y1 (η)；7)信號處理器中的時反處理模塊利用線性調頻信號l(i)作為探測源，對所述補償后的信號Y1 (η)在頻域上進行被動時反處理得到第二 OFDM信號S1 (j)；8)信號處理器中的OFDM解調模塊對所述第二OFDM信號S1 (j)進行解調，得到解調后的通信數據X1 (k)；9)信號處理器中的信道估計與補償模塊利用所述插有導頻數據的通信數據x(k)中的導頻數據\和所述解調后的通信數據X1GO中的導頻位置的數據，在頻域上利用最小二乘法對水聲信道進行估計，獲得如式(2-1)所示的導頻位置處的信道響應的估計值 :
3.根據權利要求2所述的水聲通信方法，其特征在于在步驟1)中，所述線性調頻信號l(i)的時間長度和帶寬的乘積大于100。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于時反和OFDM聯合處理的水聲通信裝置包括信號發(fā)射機、功率放大器、發(fā)射換能器、接收水聽器陣、信號接收機和信號處理器，其中，信號處理器包括寬帶多普勒估計與補償模塊、時反處理模塊、OFDM解調模塊、信道估計與補償模塊和頻偏估計與補償模塊。本發(fā)明利用時反的空時聚焦特性，來消除信道的多徑影響，時反可以縮短脈沖信道響應長度，從而減少OFDM符號保護間隔的長度，提高了通信效率；由于減少了保護間隔，OFDM符號長度也可以縮短，這樣增大了子載波頻率間隔。本發(fā)明方法可以減少子載波間干擾，進一步提升OFDM水聲通信的可用速率。
文檔編號H04L27/26GK102546511SQ20121000846
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權日2012年1月12日
發(fā)明者徐來貴, 潘翔 申請人:浙江大學