水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法技术方案

水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法，涉及水声正交频分复用通信。包括：建立多径干扰信号模型，分别研究对于多径干扰信号的时延值小于或大于符号间隔两种情形下的消除模型，利用压缩感知理论估计多径干扰信号的时延和幅值，根据算法设计利用时延和幅值信息对原始信号消除干扰；最后对消除干扰后的OFDM信号进行频域的均衡处理。提出的干扰信号时延和幅值估计不同于传统的估计算法，是基于压缩感知理论的估计算法，对噪声不敏感，估计更准确，可以有效消除由于多径时延造成的码间干扰影响，提高系统的性能。

Inter frame interference cancellation method for underwater acoustic frequency division multiplexing communication system

An inter frame interference cancellation method for underwater acoustic orthogonal frequency division multiplexing communication system relates to underwater acoustic frequency division multiplexing communication. Including: the establishment of multipath signal model, the multipath interference on the delay value is less than the symbol interval or model under the two situations respectively than to eliminate the use of compressed sensing theory, estimation of time delay and amplitude of the multipath interference, according to the algorithm design using time delay and amplitude information of the original signal to eliminate the interference of frequency domain equalization; finally after the elimination of OFDM signal interference. Different from the traditional estimation algorithm proposed interference signal delay and amplitude estimation, estimation algorithm based on compressed sensing theory, is not sensitive to noise, more accurate estimation, can effectively eliminate the interference caused by multipath delay due to inter code, improve the performance of the system.

【技术实现步骤摘要】
水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法
本专利技术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。
技术介绍
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（BergerCR,ZhouS,PreisigJC,etal.Sparsechannelestimationformulticarrierunderwateracousticcommunication:Fromsubspacemethodstocompressedsensing[J].SignalProcessing,IEEETransactionson,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术包括水声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Lcp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：Lcp＝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Tcp＜τp＜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τp＜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τp＞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Tcp＜τp＜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(ap;τp)；b、根据多径信号的(ap;τp)，把接收到的前一帧时域符号延迟移位τp，并乘以干扰抑制因子wp；c、从接收到的时域信号中减去前一帧信号移位后的末尾τp/Ts长度的干扰信号，其中Ts为采样间隔；d、对干扰消除后的信号进行均衡处理，判决输出。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τp＞T时，具体包括以下步骤：a、在系统接收端，基于压缩感知原理，利用接收到的当前符合的频域导频值和前一帧符号的发送的导频值，可以估计出信道的时域脉冲响应，得到(ap;τp)；b、根据多径信号的(ap;τp)，把接收到的前一帧时域符号延迟移位τp，并乘以干扰抑制因子wp；c、从接收到的时域信号中减去前一帧信号移位后的前面(T+Tcp-τp)/Ts长度的干扰信号，其中Ts为采样间隔；d、对干扰消除后的信号进行均衡处理，判决输出。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供了一种基于压缩感知理论的水声OFDM通信系统帧间干扰消除方法，通过建立多径干扰信号模型。利用压缩感知理论估计多径干扰信号的时延和幅值，根据时延和幅值信息可以消除干扰信号；最后对消除干扰后的OFDM信号进行频域的均衡处理。所提出的方法对噪声不敏感，估计更准确，可以有效消除由于多径时延造成的帧间干扰影响，提高系统的性能。由图5中可以看出，信号经过恶劣的多径环境下，当干扰信号的多径时延Tcp＜τp＜T时，经过干扰消除的系统性能比没有干扰消除的性能要好，在信噪比为15dB时，误码率提高了一个数量级。由图6中可以看出，当干扰信号τp＞T时，经过干扰消除的系统性能比没有干扰消除的性能要要好很多，且性能提高是显著的。解决了水声恶劣环境中多径衰落产生的符号间干扰问题，从而提高了系统的抗干扰能力，同时，也可以应用与单载波频域均衡（SC-FDE）系统中。附图说明图1是水声OFDM系统框图；图2是多径时延τp＜Tb情况下的建模；图3是多径时延τp＞T情况下的建模；图4是对干扰消除的算法流程图；图5是对干扰信号Tcp＜τp＜T情况的仿真误码率性能图；图6是对干扰信号τp＞T情况的仿真误码率性能图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术是考虑一个基于循环前缀的正交频分复用（OFDM）通信系统，如图1所示，在基于梳状导频的正交频分复用系统发送端，每个OFDM符号的子载波总数是N，插入M个导频符号，这M个导频符号占据相应的M个子信道，其中导频间隔为L=N/M，也就是说每隔L－1个数据子信道插入一个导频符号，Xp(m)为插入的第m个导频符号的值，XD(m)为加入的有用数据符号。发送的原始比特信息经过QPSK调制后均匀插入导频，频域信号可以表示为：对应的时域信号x(n)可以通过IFFT得到:设OFDM符号的持续时间为T，循环前缀的长度为TCP，子载波的频率间隔为Δf＝1/T，假设总共有N个子载波，用fc表示载波频率，则第k个子载波的载波频率fk可以表示为：fk＝fc+kΔf,k∈{-N/2,…,N/2-1}(5)设第n个符号块中的第k个子载波上的传输信号符号为x[k;n]。数据子载波集合本文档来自技高网...

【技术保护点】
水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法，其特征在于包括水声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系统发送端的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Lcp个子载波信号进行复制，放在所述的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：Lcp＝T/4  (2)式(2)中，T表示符号时间；(4)将步骤(3)中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通信系统中前一帧符号对下一帧符号的多径干扰消除，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：多径干扰时延小于符号时间Tcp＜τp＜T，其中T为符号周期，Tcp为循环前缀保护间隔长度；另一种情况是前一帧符号的多径干扰时延大于符号时间τp＞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；多径干扰信号的时延和幅值估计对于步骤A中的Tcp＜τp＜T情况时，具体包括步骤如下：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，估计出信道的时域脉冲响应，得到(ap；τp)，其中ap和τp分别表示路径的多普勒刻度和时延值；b.根据多径信号的(ap；τp)，把接收到的前一帧时域符号延迟移位τp，并乘以干扰抑制因子wp；c.从接收到的时域信号中减去前一帧信号移位后的末尾τp/Ts长度的干扰信号，其中Ts为采样间隔；d.对干扰消除后的信号进行均衡处理，判决输出；多径干扰时延和幅值估计对于A中的τp＞T时，具体包括以下步骤：a.在系统接收端，基于压缩感知原理，利用接收到的当前符合的频域导频值和前一帧符号的发送的导频值，估计出信道的时域脉冲响应，得到(ap；τp)；b.根据多径信号的(ap；τp)，把接收到的前一帧时域符号延迟移位τp，并乘以干扰抑制因子wp；c.从接收到的时域信号中减去前一帧信号移位后的前面(T+Tcp‑τp)/Ts长度的干扰信号，其中Ts为采样间隔；对干扰消除后的信号进行均衡处理，判决输出。...

【技术特征摘要】
1.水声正交频分复用通信系统帧间干扰消除方法，其特征在于包括水声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系统发送端的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Lcp个子载波信号进行复制，放在所述的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：Lcp＝T/4(2)式(2)中，T表示符号时间；(4)将步骤(3)中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通信系统中前一帧符号对下一帧符号的多径干扰消除，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：多径干扰时延小于符号时间Tcp＜τp＜T，其中T为符号周期，Tcp为循环前缀保护间隔长度；另一种情况是前一帧符号的多径干扰时延大于符号时间τp＞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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海信，蒯小燕，齐洁，程恩，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35