水声OFDM宽带多普勒估计与补偿技术研究及算法优化

【摘要】：近年来,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)作为一种高速通信技术被广泛应用于水声通信之中。然而水声通信由于其有限的可用带宽以及声波的低传播速度导致了严重的多普勒效应,该种多普勒效应令不同频率成分产生不同的多普勒频偏,因此称之为宽带多普勒,通常用多普勒尺度因子来描述。如何妥善解决宽带多普勒效应也就成了影响水声OFDM系统性能的关键因素。本文研究内容及工作如下(1)针对传统CP-OFDM符号自相关估计多普勒算法中由于估计网格而导致的精度下降问题,本文提出了结合插值的高精度宽带多普勒估计算法以提升估计精度。首先,本文推导了CP-OFDM符号自相关的闭式解,然后基于此闭式解并结合泰勒公式提出了应对于不同过采样因子的多种插值算法。仿真及海试数据说明了本文提出的方法一以及方法二分别在过采样的情况以及基带采样率的情况下实现了最佳的估计性能。本文所提算法在嵌入式数字信号处理平台(Digital Signal Processing,DSP)上的运行时间则说明了在仅增加少量复杂度的情况下,所提算法显著提升了传统CP-OFDM自相关估计多普勒算法的估计精度。(2)为了解决传统的高倍FFT多普勒补偿算法中计算频域索引时所引入的取整误差,本文提出了基于高倍FFT和插值的低复杂度宽带多普勒补偿算法。首先通过泰勒公式推导了OFDM频域多普勒补偿模型,并根据此模型提出了基于高倍FFT输出的插值算法。仿真以及海试数据说明了本文所提算法性能优于传统的高倍FFT多普勒补偿,且相比于测试基准Chirp Z变换(Chirp Z-transform,CZT)补偿多普勒,本文所提算法在仅需要约一半复数乘法次数的情况下实现了几乎相同的误码率性能。本文所提算法以及CZT补偿多普勒均已在DSP平台上进行了实现,结果说明在相似误码率性能情况下本文所提算法的运行时间要明显低于CZT补偿。(3)联合信道估计和译码方法可以获得超出传统解耦式接收机的性能。本文将针对簇稀疏信道的消息传递接收机应用于水声信道,通过海试数据说明了本文采用的消息传递接收机可以结合本文所提出的多普勒估计和补偿算法,并且获得了优于传统多普勒处理方法的误码率性能。