[发明专利]一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法

说明书

本发明公开了一种水声OFDM通信中基于Dual‑Zadoff‑Chu序列的信号同步方法，涉及水声OFDM通信领域，包括发送机和接收机，发送机发送的前导码长度为2N，由两个相同的长度为N的Dual‑ZC序列串联而成，Dual‑ZC序列由两个长度为N，参数设定相同，频率相差g(0gN)的ZC序列叠加而成，通过相应的接收步骤，接收机可以同时完成信号同步，多普勒扩展估计以及信道估计等多项任务。

技术领域

本发明涉及水声OFDM通信领域，尤其涉及一种水声OFDM通信中基于Dual-Zadoff-Chu序列的信号同步方法。

背景技术

OFDM(正交频分复用技术)在陆上通信中的运用已经取得了重大成功，同时水声通信领域基于OFDM的研究也广泛开展。信号的同步是通信中非常重要的领域，一般而言，信号同步主要分为两个方面：定时同步和频率同步。定时同步主要是指接收机检测到信号的到来并估计出一个较为精确的时钟偏移量。频率同步主要是指估计出多普勒拓展等于多普勒拓展效应相关的参数，并补偿信号的剩余频率偏移量。在OFDM通信的信号设计中，通常会在OFDM信号前面加入循环前缀来缓解一些定时同步误差对于信号的影响，但是，OFDM信号依旧对于频率同步误差非常敏感。在水声通信领域，水声信道具有多径效应和多普勒拓展效应，OFDM信号对于同步误差敏感的这一特征使得其应用面临着更大的挑战。

通常，我们会在信号前加入前导码来解决同步问题。前导码所使用的波形大致可以分为两类：多普勒不敏感型和多普勒敏感型。例如线性调频、双曲调频产生的波形都是常见的多普勒不敏感的波形，这种波形通常可以用于解决信号检测和时钟偏移量的估计问题。而m序列和相同符号序列是典型的多普勒敏感型波形，通常会用于解决定时同步和多普勒拓展的估计问题。目前已有很多工作使用上述的波形解决同步问题，但受限于多径信道和多普勒拓展效应的影响，各种解决方法都有其局限性。

除了前述的前导码波形，Zadoff-Chu(ZC)序列也可以用作前导码。ZC序列是一种恒包络零自相关序列，具有良好的自相关和互相关特性。一个ZC序列与其循环移位后所得到的序列都不具有相关性。所以，ZC序列很适合于同步问题。现有工作中，ZC序列已经用于解决陆上射频通信中的定时同步、信道估计以及载波频率偏移等问题中。然而，对于水声通信中极为重要的多普勒拓展效应问题的考虑，在陆上射频通信中鲜有考虑。所以，ZC序列在水声同步问题中的使用无法照搬陆上射频通信的使用方法，需要研究出一套可适应水下环境的同步方法。

经检索发现，中国申请专利号为：201610414017.0，名称为：基于Zadoff-Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法，该技术提供了一种使用Zadoff-Chu序列作为同步包的水声通信同步方法，但是该技术仅可以解决水声通信的定时同步，没有考虑频率同步等问题；中国申请专利号为：201610626974.X，名称为：基于ZC序列的周期前导序列生成方法，该技术提供了一种基于Zadoff-Chu序列的帧检测方法，但是没有给出具体的同步方法；中国申请专利号为：200910021976.6，名称为：移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，该技术提供了一种水下设备高速移动时通信信号的精确同步和多普勒估计，但是该技术也仅考虑了定时同步，对于水声通信中的频率同步、载波频率偏移、信道均衡等重要问题均没有涉及。

综上，现有技术存在如下缺陷：

缺少可以同时解决定时同步、频率同步和信道估计的方法；

现有技术需要做多维搜索，运算复杂度较高；

缺少适于通信符号解调的精细时间同步方法；

在现有技术中，高精度的多普勒拓展估计多用基于搜索的方法，没有显式解。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种水声OFDM通信中基于Zadoff-Chu序列的信号同步方法，解决水声通信中定时同步和频率同步，多普勒扩展估计以及信道估计等难题。

发明内容