超宽带水声信道中基于空子载波内插的OFDM高精度多普勒系数估计技术研究

Efficient Doppler scale estimation of high-precision is one of the most difficult key problems for underwater acoustic (UWA) OFDM mobile communication in fast time varying and ultrawideband (UWB) UWA channels, which is urgent to be solved. Hence, null subcarriers interpolation technology for UWA OFDM communication is proposed. And based on this technology a high-precision Doppler scale estimating method is developed, which is suitable for UWB UWA channels under fast time varying environment. To overcome the difficulty of achieving high-precision Doppler scale estimation due to the non-uniform Doppler shifts in UWA channels, the frequencies of null subcarriers are calculated according to expected Doppler scale and then the power of all null subcarriers by non-uniform fast Fourier transform (NUFFT). The concave function of the power of all null subcarriers and the expected Doppler scale is used as cost function, whose analytical expression is to be studied. Based on this, a Doppler estimation method by searching cost function’s minimum position through interpolation is proposed. Further more, Doppler scale rough estimating method is developed taking the use of synchronization and pilot reusing technology to provide the datum for function interpolation. High-precision Doppler scale estimation is achieved by applying this subcarriers interpolation technology in Underwater Acoustic OFDM Communication.The project provides a key support for high speed data transmission between underwater mobile platforms.

快速时变的超宽带水声信道中实现高效的多普勒系数高精度估计是高速水声OFDM移动通信的关键和难点之一，亟待解决。鉴于此，本课题发展OFDM空子载波内插技术，在此基础上提出一种快速时变环境下超宽带水声信道的OFDM通信高精度多普勒系数估计方法。为解决超宽带水声信道中非一致性多普勒频偏对OFDM多普勒系数估计造成的困难，按假设的多普勒系数计算空子载波的频率，进而利用不等间隔快速傅立叶变换获得所有空子载波的能量和。以空子载波能量和与假设多普勒系数之间存在的凹函数关系为代价函数，通过研究其解析表达，提出利用函数内插计算代价函数最小值位置来估计多普勒系数的方法。研究基于同步导频复用的多普勒系数粗测方法，为函数内插所需的采样提供基准，将OFDM空子载波内插技术应用到水声OFDM通信的多普勒系数估计中。本课题有望为实现水下移动平台间的高速数据传输提供技术支撑。

快速时变的超宽带水声信道中实现高效的多普勒系数高精度估计是高速水声OFDM移动通信的重要技术问题之一。为解决超宽带水声信道中非一致性多普勒频偏对OFDM多普勒系数估计造成的困难，提高水声OFDM通信性能，本课题开展了四方面的研究。. 研究了超宽带水声信道中基于空子载波内插的OFDM高精度多普勒系数估计技术。按假设的多普勒系数计算空子载波的频率，进而利用不等间隔快速傅立叶变换获得所有空子载波的能量和。以空子载波能量和与假设多普勒系数之间存在的凹函数关系为代价函数，获得了其解析表达，并利用函数内插计算代价函数最小值位置来估计多普勒系数。. 研究了基于同步导频复用的多普勒系数粗测方法，为函数内插所需的采样提供基准。为了减小辅助信号占的时间宽度，提出将导频与同步复用。设置导频的幅度和相位使之成为首尾连续的线性调频信号，使导频信号同时具有帧同步的功能，减少同步所占用的时间，提高系统的通信效率。结合多普勒系数粗测，将OFDM空子载波内插技术应用到水声OFDM移动通信的多普勒系数估计中。实验研究表明，该方法能减小超宽带水声信道中非一致性多普勒频偏带来的误差，提高多普勒系数估计精度。. 研究了基于压缩感知的信道均衡算法。将信源序列变换为稀疏序列，均衡可以通过对稀疏信源的重构实现。采用基追踪降噪重构信源序列实现均衡。该算法既不用构建横向滤波器也不用加入判决反馈部分，所以不存在线性横向均衡器和判决反馈均衡器结构上的缺陷，因此该方法具有更好的均衡性能。. 研究了基于对角减载的干扰抑制波束形成技术。利用对角减载抑制阵列互谱密度矩阵对角线上的噪声能力，并研究了对角减载导向最小方差波束形成技术，同时达到抑制噪声和多目标干扰的效果，使得接收的通信信号达到最大信干噪比，从而提高通信系统性能。对角减载导向最小方差波束形成收敛速度快，能实现不同频率互谱密度矩阵的相干融合，很好的满足了高速移动通信接收机的需求，其良好效果得到实验验证。. 本课题研究的相关成果有望为实现水下移动平台间的高速数据传输提供技术支撑。