[發明專利]一種虛擬時間反轉水聲OFDM信道均衡方法

有效

• 申請號: 201410122955.4
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN103905355B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 喬鋼;尹艷玲;馬璐;周峰;孫宗鑫;劉凇佐;馬雪飛;聶東虎
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04L25/03
• 分類號: H04L25/03;H04L27/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種虛擬時間反轉水聲OFDM信道均衡方法，其特征在于：

步驟1：根據虛擬時間反轉鏡(VTRM)原理，發射端發射信號中加入用于信號估計的探測信號；

發射信息信號之前，先發送一個探測信號，根據探測信號估計出信道沖激響應，然后將其時間反轉信號與接收信號做卷積，得到虛擬時反后的信號；

發射信號幀頭采用線性調頻即LFM信號進行幀定時同步，后面加入一個單頻脈沖即CW信號用于估計多普勒因子，在接收端用于消除多普勒頻偏的影響，之后為探測信號，用于估計信道沖激響應，最后為OFDM符號，各個信號之間都留有一定的保護間隔，且保護間隔大于信道最大多途時延的長度；

步驟2：接收端完成同步過程，提取接收的探測信號；根據接收的探測信號，利用匹配追蹤算法估計信道的幅度、時延和相位，估計信道沖激響應；

步驟3：根據估計的信道沖激響應，對卷積后的信號重新進行同步，完成虛擬時反OFDM信道均衡；

步驟4：對均衡后的信號串并轉換，去循環前綴和循環后綴，完成解調過程，

接收的信號通過同步信號找到信號起始的位置后，提取出CW信號，通過測頻得到多普勒壓縮因子，根據多普勒因子對接收的信號進行變采樣處理，消除多普勒頻偏對信號的影響，然后從變采樣后的信號中提取探測信號，估計信道沖激響應，將其時間反轉與接收信號做卷積，完成VTRM信道均衡，均衡后的信號串并轉換，去循環前綴和循環后綴，進行FFT解調和星座逆映射，完成OFDM解調過程；

其中，有一項關鍵技術影響著VTRM用于OFDM信道均衡的性能，即在OFDM符號中應加入循環后綴，且循環后綴和循環前綴長度均應大于時反信道的最大多途時延長度，循環后綴即將OFDM符號塊前面的若干個數據復制到符號塊的后面，

設實際信道沖激響應為h(t)、估計的信道沖激響應為定義虛擬時間反轉信道沖激響應為視為信號最終經過的信道；設直達聲幅度 最大，長度為L的離散信道表示為h＝[h(0)h(1)...h(L-1)]，時反信道表示為h′＝[h′(1-L)...h′(-1)h′(0)h′(1)...h′(L-1)]，其長度為2L-1，其中，h′(0)為各個路徑疊加后的聲線，幅度最大，可以看到時反信道是一個非最小相位信道，即在幅度最大的聲線之前仍存在多途分量，若同步時以能量最大的聲線為起始時刻，能量最大聲線之后的多途分量引起的ISI和ICI通過循環前綴加以克服，而能量最大聲線之后的多途分量引起的ISI和ICI則通過循環后綴加以克服、具體包括：

設當前解調的第p個OFDM符號為r^p，對應的發射信號表示為s^p，前一個和后一個OFDM符號表示為s^p-1、s^p+1，若未加入循環前綴和循環后綴，經過沖激響應為h的信道后，接收信號表示為

其中，r^p、s^p、s^p-1、s^p+1和n^p為N×1維列向量，和為N×N維矩陣，分別表示為

根據式(1)，第一項為期望信號，第二項和第三項為前一個符號和后一個符號帶來的符號間干擾，n^p為噪聲項；其中，干擾項通過加入循環前綴克服，而干擾項則需要加入循環后綴克服，若加入大于信道長度L的循環前綴和循環后綴，則接收信號去掉循環前后綴后，表示為

其中，是循環矩陣，表示為

去掉循環前后綴之后，使時域中原來發送信號與信道沖激響應的線性卷積變為圓周卷積；根據式(5)，當前符號塊的輸出僅與當前符號塊的輸入有關，與前一個和后一個符號塊無關，即通過循環前綴和循環后綴消除了前一個符號和后一個符號帶來的ISI以及多途帶來的ICI；

采用匹配追蹤即MP算法估計信道沖激響應，所述MP算法的具體包括：

考慮稀疏問題常使用的線性模型

y＝Ax+v(7)

其中，x∈R^M為待估計的稀疏信號，y∈R^N為觀測向量，v∈R^N為高斯噪聲向量，A∈R^N×M，且N＜M，A表示為

A＝[a₁,a₂,...,a_M] (8)

其中，a_i∈R^N,i＝1,2,...,M，稱A為詞典或原子庫，a_i為詞典中的原子；MP算法不要求字典中的原子正交，但要求二范數||a_i||₂＝1；

設第p次迭代后的殘差為r_p，初始化為r₀＝y，從字典中選出的匹配的原子為每次選擇剩余原子庫中與殘差信號內積最小的原子，即

其中，I_p-1∈{s₁,s₂,...,s_p-1}是前p^-1次迭代所選出的匹配原子索引的集合，第p次迭代估計出信號x的元素表示為

殘差信號表示為

當殘差信號||r_p||²＜ε時，迭代終止，ε為給定的殘差門限，是和輸入信噪比有關的一個量；MP算法的具體步驟如下：

1.初始化：設定殘差門限ε，r₀＝y

2.選擇匹配的原子：

3.得到估計的信號分量：

4.殘差：

5.第p次迭代，p＞1

6.從剩余原子庫中匹配：

7.第p次迭代估計的信號分量：

8.第p次迭代的殘差：

為了使用MP算法估計信道沖激響應，首先應構造出一個稀疏信號模型，考慮探測信號x(n)經過信道沖激響應為h(n)的信道，接收信號y(n)表示為

其中，表示卷積，對式(12)兩邊同時做傅里葉變換，表示為

Y＝XH+V (13)

其中，Y和X分別是y(n)和x(n)的傅里葉變換，H為信道頻響矩陣，是信道沖擊響應的傅里葉變換，表示為

將式(14)帶入式(13)，表示為

其中，是由X構成的對角陣，h表示為

h＝[h(0),h(1),...,h(L)]^T (16)

其中，[]^T表示轉置，F為傅里葉變換矩陣，表示為

式(15)符合稀疏信號的表示形式，Y表示為觀測矩陣，表示為字典，由于X和Y是發射與接收探測信號的頻域表示，是復數矩陣。