[發明專利]一種基于時反和OFDM聯合處理的水聲通信裝置及方法

有效

• 申請號: 201210008467.1
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102546511A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 潘翔;徐來貴
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04L27/26
• 分類號: H04L27/26;H04L25/02;H04L25/03;H04B13/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

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，并將聲信號發射至水中；

接收水聽器陣，用于接收發射換能器發射至水中的聲信號，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l(i)和OFDM信號s(j)之間插入保護間隔形成通信信號；其中i＝1，2，…，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送到放置于水中的發射換能器；

3)發射換能器將放大后的通信信號轉化為聲信號并發射至水中；

4)利用放置于水中的接收水聽器陣接收發射換能器發射至水中的聲信號，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(n)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＝1-T₂/T₁????????????????????????????????????????(1-1)

D＝1+α????????????????????????????????????????????(1-2)

式(1-1)中，T₁表示信號發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Y(n)進行插值得到補償后的信號Y₁(n)；

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(n)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

H→^LS=y→p/x→p---(2-1)]]>

接著，利用式(2-2)所示的線性插值方法，在所述估計值的所有相鄰的兩個元素和之間進行線性插值，得到完整的信道響應h(k)；

H^(mL+l)=(1-lL)H^(mL)+lLH^(mL+L),]]>l＝0，1，…L-1????????(2-2)

式(2-2)中，表示完整信道響應的第m×L個信道響應的估計值，表示完整信道響應的第m×L+L個信道響應的估計值，表示完整信道響應的第m×L+l個信道響應的估計值，m＝1，2，…，M，l＝1，2，…L，M表示插有導頻數據的通信數據x(k)內的導頻數據的數量，L表示插有導頻數據的通信數據x(k)的導頻間隔；

然后，利用式(3)所示的方法消除水聲信道對解調后的通信數據x₁(k)的影響而得到經過信道補償的通信數據x₂(k)，

x₂(k)＝x₁(k)/h(k)????????????????????????????????????(3)

10)信號處理器中的頻偏估計與補償模塊利用式(4)所示的方法估計出經過信道補償的通信數據x₂(k)的頻偏然后利用式(5)所示的方法對經過信道補償的通信數據x₂(k)進行頻偏補償而得到新的通信數據x₃(k)：

Δf^=angle[ΣMxmL*·pmL]/(2π·T)---(4)]]>

x3(k)=x2(k)·exp(-j2π·Δf^·T)---(5)]]>

式(4)中，x_mL表示插有導頻數據的通信數據x(k)中的第m個導頻數據，為x_mL的共軛，p_mL表示經過信道補償的通信數據x₂(k)中的第m個導頻位置的數據，angle表示取方括號內式子的相位角，T表示OFDM信號s(j)的持續時間；式(5)中，j表示虛數符號。

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。