[发明专利]一种基于时反和OFDM联合处理的水声通信装置及方法

权利要求书

1.一种基于时反和OFDM联合处理的水声通信装置，其特征是，包括：信号发射机，用于形成通信信号，所述通信信号包括线性调频信号和OFDM信号，且在线性调频信号和OFDM信号之间插入有保护间隔，所述OFDM信号是通过将外部通信数据插入导频数据后经OFDM调制而成。

功率放大器，用于将所述通信信号进行功率放大；

发射换能器，用于将放大后的通信信号转化为声信号，并将声信号发射至水中；

接收水听器阵，用于接收发射换能器发射至水中的声信号，并将所述声信号转换为电信号；

信号接收机，用于将所述电信号转换为数字信号并存储；

信号处理器，该信号处理器包括：

——宽带多普勒估计与补偿模块，用于对信号接收机存储的数字信号进行多普勒因子的估计和宽带多普勒补偿；

——时反处理模块，用于对经过宽带多普勒补偿后的信号进行被动时反处理；

——OFDM解调模块，用于对经过被动时反处理的信号进行OFDM解调；

——信道估计与补偿模块，用于利用OFDM解调后的信号和采用最小二乘信道估计方法估计出水声信道的响应，以及消除水声信道对OFDM解调后的信号的影响；

——频偏估计与补偿模块，用于对经过信道估计与补偿模块处理后的信号进行频偏估计和补偿。

2.一种利用权利要求1的装置进行时反和OFDM联合处理的水声通信方法，其特征在于包括如下步骤：

1)信号发射机产生线性调频信号l(i)，并在外部通信数据中插入导频数据而得到插有导频数据的通信数据x(k)，将插有导频数据的通信数据x(k)经OFDM调制成第一OFDM信号s(j)，然后在线性调频信号l(i)和OFDM信号s(j)之间插入保护间隔形成通信信号；其中i＝1，2，…，I，I为线性调频信号的长度；k＝1，2，…，K，K为插有导频数据的通信数据x(k)的长度；j＝1，2，…，J，J为OFDM信号s(j)的长度，I、K、J均为大于1的正整数。

2)所述通信信号经过功率放大器放大后发送到放置于水中的发射换能器；

3)发射换能器将放大后的通信信号转化为声信号并发射至水中；

4)利用放置于水中的接收水听器阵接收发射换能器发射至水中的声信号，并将所述声信号转换为电信号；

5)信号接收机将接收水听器阵所转换的电信号转换为数字信号Y(n)并进行存储；

6)信号处理器中的宽带多普勒估计与补偿模块先对所述数字信号Y(n)与线性调频信号l(i)进行相关运算，然后利用所述相关运算的结果估计出数字信号Y(n)中的所有相邻的两个线性调频信号之间的间隔时间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表示信号发射机产生的两个相邻的线性调频信号的间隔时间；

然后，利用所述插值因子D对所述数字信号Y(n)进行插值得到补偿后的信号Y₁(n)；

7)信号处理器中的时反处理模块利用线性调频信号l(i)作为探测源，对所述补偿后的信号Y₁(n)在频域上进行被动时反处理得到第二OFDM信号s₁(j)；

8)信号处理器中的OFDM解调模块对所述第二OFDM信号s₁(j)进行解调，得到解调后的通信数据x₁(k)；

9)信号处理器中的信道估计与补偿模块利用所述插有导频数据的通信数据x(k)中的导频数据和所述解调后的通信数据x₁(k)中的导频位置的数据在频域上利用最小二乘法对水声信道进行估计，获得如式(2-1)所示的导频位置处的信道响应的估计值

H→^LS=y→p/x→p---(2-1)]]>

接着，利用式(2-2)所示的线性插值方法，在所述估计值的所有相邻的两个元素和之间进行线性插值，得到完整的信道响应h(k)；

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

式(2-2)中，表示完整信道响应的第m×L个信道响应的估计值，表示完整信道响应的第m×L+L个信道响应的估计值，表示完整信道响应的第m×L+l个信道响应的估计值，m＝1，2，…，M，l＝1，2，…L，M表示插有导频数据的通信数据x(k)内的导频数据的数量，L表示插有导频数据的通信数据x(k)的导频间隔；

然后，利用式(3)所示的方法消除水声信道对解调后的通信数据x₁(k)的影响而得到经过信道补偿的通信数据x₂(k)，

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

10)信号处理器中的频偏估计与补偿模块利用式(4)所示的方法估计出经过信道补偿的通信数据x₂(k)的频偏然后利用式(5)所示的方法对经过信道补偿的通信数据x₂(k)进行频偏补偿而得到新的通信数据x₃(k)：

Δf^=angle[ΣMxmL*·pmL]/(2π·T)---(4)]]>

x3(k)=x2(k)·exp(-j2π·Δf^·T)---(5)]]>

式(4)中，x_mL表示插有导频数据的通信数据x(k)中的第m个导频数据，为x_mL的共轭，p_mL表示经过信道补偿的通信数据x₂(k)中的第m个导频位置的数据，angle表示取方括号内式子的相位角，T表示OFDM信号s(j)的持续时间；式(5)中，j表示虚数符号。

3.根据权利要求2所述的水声通信方法，其特征在于：在步骤1)中，所述线性调频信号l(i)的时间长度和带宽的乘积大于100。