一种水声OFDM载波间干扰的频域抑制方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水声OFDM载波间干扰的频域抑制方法与系统，包括：S1、基于最小均方误差原则构建ICI频域抑制目标优化模型，根据前导码中的导频信号，通过最小化ICI频域抑制目标优化模型的目标函数，估计当前数据帧的最佳基准频偏；S2、将接收信号以当前数据帧的最佳基准频偏的分数倍的频率间隔进行若干次频谱搬移后，对频谱搬移后的信号分别进行相同点数的FFT运算，得到各子载波处的多路FFT信号；S3、将产生的多路FFT信号逐子载波地进行加权组合，得到载波间干扰频域抑制后的信号；本发明专利技术将最佳基准频偏的选取转化为多变量联合优化问题，实现了多变量联合优化，从而最大程度地提升ICI频域抑制精度，在中高多普勒因子的情况下，系统检测性能有显著的提升。系统检测性能有显著的提升。系统检测性能有显著的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种水声OFDM载波间干扰的频域抑制方法与系统


[0001]本专利技术属于水声无线通信
，更具体地，涉及一种水声OFDM载波间干扰的频域抑制方法与系统。

技术介绍

[0002]海洋占据了地球表面积的三分之二以上，蕴藏着极为丰富的生物、油气、矿产等资源，具有重要的战略价值。随着海洋探索的持续深入与信息技术的快速发展，海洋数据的快速积累使得高可靠水声无线通信理论与技术亟待发展。然而，标准化信道模型的缺失、水声环境中严重的时
‑
频双色散效应以及极其有限的通信带宽均使得要在复杂多变的海洋环境中实现高速可靠水声通信仍面临诸多严峻的挑战。
[0003]因在有效对抗多径干扰、降低高色散信道下接收机设计复杂度等方面展示出的巨大优势，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术已成为实现水下中远距离传输的一种标准性技术。它将一个频率选择性信道分割成若干个互不重叠的平坦衰落的子信道，使得在接收端可进行低复杂度的单抽头均衡与逐符号检测，从而有效减少由于无线信道的时间弥散性所带来的符号间干扰，降低接收机内均衡的复杂度。然而，对于高多普勒失真的海洋环境中，严重的多普勒频偏致使OFDM各子载波间正交性遭到破坏，干扰抑制与信号恢复的挑战性骤增，而传统的基于最小均方误差的块均衡器等处理方法由于复杂度高(约为块长度的三次方)而难以被实际应用；另一方面，现有传统的相干检测算法均严重依赖于信道状态信息，但准确水声信道模型的缺失使得该类算法通常难以展现出较好的性能，导致数据检测的精确度受限而产生性能瓶颈；此外，基于导频辅助等传统信道估计方法产生的同步开销会进一步加剧本就极为有限的频谱资源的损耗。
[0004]由此可见，为保证水声OFDM系统的检测性能，载波间干扰(Inter
‑
Carrier Interference,ICI)的精准抑制是必不可少的信号处理流程之一。现有的ICI抑制方法主要集中于时域与频域两种处理角度，分别以部分傅里叶变换(Partial Fast Fourier Transform，P
‑
FFT)与分数傅里叶变换(Fractional Fast Fourier Transform，F
‑
FFT)为代表，而实践表明，频域ICI抑制方法的性能明显优于时域抑制方法。然而，经典F
‑
FFT处理方法以子载波间隔为基准频偏使得系统未能最大程度地抑制ICI，进而导致在中高多普勒因子下系统检测性能受限。为此，一种高精准的水声OFDM系统ICI抑制方法亟待研究。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种水声OFDM载波间干扰的频域抑制方法与系统，用于解决现有技术由于以子载波间隔为基准频偏，未能最大程度地抑制ICI而导致的中高多普勒因子下水声OFDM系统的数据检测性能受限的技术问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种水声OFDM系统中载波间干扰的频域抑制方法，包括以下步骤：
[0007]S1、基于最小均方误差原则构建ICI频域抑制目标优化模型，根据前导码中的导频
信号，通过最小化ICI频域抑制目标优化模型的目标函数，估计当前数据帧的最佳基准频偏；
[0008]S2、将接收信号以预设频率间隔进行若干次频谱搬移后，对频谱搬移后的信号分别进行相同点数的FFT运算，得到各子载波处的多路FFT信号；其中，预设频率间隔为当前数据帧的最佳基准频偏的分数倍；
[0009]S3、将产生的多路FFT信号逐子载波地进行加权组合，得到载波间干扰频域抑制后的信号。
[0010]进一步优选地，所述步骤S1中包括：
[0011]S11、基于最小均方误差原则构建ICI频域抑制目标优化模型；
[0012]S12、将前导码中的导频信号分为并行的A、B两路信号；其中，A路信号为前导码中的导频信号，B路信号为导频信号与采样时刻的乘积；
[0013]S13、初始化当前基准频偏和导频信号对应子载波处的权重值；
[0014]S14、将A、B两路信号分别以当前基准频偏的分数倍预设的频率间隔进行若干次频谱搬移，并分别对频谱搬移后的信号进行相同点数的FFT运算，得到多路FFT信号；
[0015]S15、将A路信号所对应的多路FFT信号加权组合后得到A路导频上的已解调信号；将B路信号所对应的多路FFT信号构成矢量，经由一组哈达玛积运算后进行加权组合，得到B路导频的已解调信号；
[0016]S16、基于A路导频上的已解调信号，计算ICI频域抑制目标优化模型的目标值，并判断相邻两次的目标值的比值是否小于预设阈值，若是，则转至步骤S17；否则，操作结束，当前基准频偏即为当前数据帧的最佳基准频偏；
[0017]S17、基于A路导频上的已解调信号和B路导频的已解调信号更新当前基准频偏和权重值，转至步骤S14；
[0018]其中，上述ICI频域抑制目标优化模型的目标函数为：
[0019][0020]其中，f
e
为当前基准频偏；为第p个导频信号子载波处的权重值；b
k
为原始数据符号；K
P
＝{k1，...，k
P
‑1，k
P
}；k
p
为前导码中的第p个导频信号所对应的子载波下标；p＝1，2，...，P；P为导频信号的个数；2，...，P；P为导频信号的个数；为A路第p个导频上的已解调信号；为A路第p个导频信号所对应的各路FFT信号构成的列向量。
[0021]进一步优选地，步骤S13中，将A、B两路信号分别以频率间隔频率间隔进行2I次频谱搬移，各得到(2I+1)路信号；
[0022]其中，A路信号为v(t)，B路信号为tv(t)；A路信号所对应的频谱搬移后的信号为B路信号所对应的频谱搬移后的信号为I为正整数。
[0023]进一步优选地，A路第p个导频信号所对应的第i路FFT信号为：
[0024][0025]v
i
(t)为A路信号所对应的频谱搬移后的信号，Δf为子载波间隔。
[0026]进一步优选地，B路第p个导频上的已解调信号为：
[0027][0028]其中，为B路第p个导频信号所对应的各路FFT信号构成的列向量；β＝[
‑
I，...，
‑
1，0，1，...，I]T
；表示哈达玛积运算；
[0029]B路第p个导频信号所对应的第i路FFT信号为：
[0030][0031]tv
i
(t)为B路信号所对应的频谱搬移后的信号，Δf为子载波间隔。
[0032]进一步优选地，步骤S2中，第k路子载波处的多路FFT信号为：
[0033]z
k
＝[z
k，
‑
I
，...，z
k，<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水声OFDM系统中载波间干扰的频域抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于最小均方误差原则构建ICI频域抑制目标优化模型，并根据前导码中的导频信号，通过最小化所述ICI频域抑制目标优化模型的目标函数，估计当前数据帧的最佳基准频偏；S2、将接收信号以预设频率间隔进行若干次频谱搬移后，对频谱搬移后的信号分别进行相同点数的FFT运算，得到各子载波处的多路FFT信号；其中，预设频率间隔为所述当前数据帧的最佳基准频偏的分数倍；S3、将所述多路FFT信号逐子载波地进行加权组合，得到载波间干扰频域抑制后的信号。2.根据权利要求1所述的水声OFDM系统中载波间干扰的频域抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中包括：S11、基于最小均方误差原则构建ICI频域抑制目标优化模型；S12、将前导码中的导频信号分为并行的A、B两路信号；A路信号为前导码中的导频信号，B路信号为导频信号与采样时刻的乘积；S13、初始化当前基准频偏和导频信号对应子载波处的权重值；S14、将A、B两路信号分别以当前基准频偏的分数倍预设的频率间隔进行若干次频谱搬移，并分别对频谱搬移后的信号进行相同点数的FFT运算，得到多路FFT信号；S15、将A路信号所对应的多路FFT信号加权组合后得到A路导频上的已解调信号；将B路信号所对应的多路FFT信号构成矢量，经由一组哈达玛积运算后进行加权组合，得到B路导频的已解调信号；S16、基于A路导频上的已解调信号，计算ICI频域抑制目标优化模型的目标值，并判断相邻两次的目标值的比值是否小于预设阈值，若是，则转至步骤S17；否则，操作结束，当前基准频偏即为当前数据帧的最佳基准频偏；S17、基于A路导频上的已解调信号和B路导频的已解调信号更新当前基准频偏和权重值，转至步骤S14；其中，所述ICI频域抑制目标优化模型的目标函数为：其中，f
e
为当前基准频偏；为第p个导频信号子载波处的权重值；b
k
为原始数据符号；K
P
＝{k1，...，k
P
‑1，k
P
}；k
p
为前导码中的第p个导频信号所对应的子载波下标；p＝1，2，...，P；P为导频信号的个数；2，...，P；P为导频信号的个数；为A路第p个导频上的已解调信号；为A路第p个导频信号所对应的各路FFT信号构成的列向量。3.根据权利要求2所述的水声OFDM系统中载波间干扰的频域抑制方法，其特征在于，所述步骤S13中，将A、B两路信号分别以频率间隔频率间隔进行2I次频谱搬移，各得到(2I+1)路信号；其中，A路信号为v(t)，B路信号为tv(t)；A路信号所对应的频谱搬移后的信号为
B路信号所对应的频谱搬移后的信号为I为正整数。4.根据权利要求3所述的水声OFDM系统中载波间干扰的频域抑制方法，其特征在于，A路第p个导频信号所对应的第i路FFT信号为：v
i
(t)为A路信号所对应的频谱搬移后的信号，Δf为子载波间隔。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李渝舟，邱吉慧，王志战，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：