一種基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號水下多普勒頻移估計領(lǐng)域，特別涉及一種基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確 定區(qū)間搜索的多普勒估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著海洋資源利用的迫切需求，陸上通信系統(tǒng)逐漸向水下通信系統(tǒng)發(fā)展。 在陸地上通常使用電磁波進(jìn)行無線通信，但是在海底下，電磁波傳播過程中的吸收和衰減 都比較嚴(yán)重，而聲波成為目前在水下唯一能進(jìn)行長距離傳播的能量方式。水下信道是一個 十分復(fù)雜的信道，由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對運(yùn)動，信道條件的變化等等，都會造成水 聲信道的多普勒頻移現(xiàn)象，從而引起誤碼率的提高。為此，估計出水聲通信中信號的多普勒 頻移十分必要。
[0003] 目前水聲通信大部分采用的是改進(jìn)的OFDM通信模式，因此水聲通信多普勒的估 計方法大多針對的是在OFDM技術(shù)下進(jìn)行的多普勒頻移估計與補(bǔ)償。最常用的方法就是通 過在發(fā)送的每幀數(shù)據(jù)前端和后端插入對多普勒不敏感的識別信號（如LFM信號），因為發(fā)送 的每一幀數(shù)據(jù)的長度是已知的，通過與在接收端接收到的信號長度進(jìn)行對比，就可以知道 這一幀伸縮或擴(kuò)展的情況，從而估計出多普勒因子。這種方法容易實(shí)現(xiàn)而且結(jié)構(gòu)簡單，但是 對插入信號要求較高。為了準(zhǔn)確的辨認(rèn)幀長度，識別信號須滿足大的時寬帶寬乘積，大的時 寬帶寬乘積意味著大的識別信號長度，這就會降低數(shù)據(jù)的傳輸效率。還有一種方法是相關(guān) 多普勒因子估計方法，是通過預(yù)置一組不同的多普勒因子相關(guān)器，然后和接收信號進(jìn)行相 關(guān)，選出使相關(guān)輸出最大的相關(guān)器，即該相關(guān)器預(yù)置的多普勒因子為所求的估計結(jié)果。這種 方法因為預(yù)設(shè)的多普勒因子范圍過于寬泛，設(shè)置的相關(guān)器數(shù)目較多，增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
[0004] 求解目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值的算法有很多，傳統(tǒng)的算法有牛頓法、特殊下降法，共軛梯度 法等等。對于有確定函數(shù)表達(dá)式，最為簡單的方法是通過直接求導(dǎo)求出極值點(diǎn)，但是對于傳 統(tǒng)的算法，如果搜索時選定的起始點(diǎn)不合理，搜索算法搜索出來的解有可能只是局部的最 優(yōu)值，而不是全局的最優(yōu)值。
[0005] 現(xiàn)代最優(yōu)化算法有模擬退火算法、遺傳算法等，大部分智能優(yōu)化算法屬于全局搜 索算法，都是在問題的全空間上進(jìn)行的搜索，因此當(dāng)問題的規(guī)模變大的時候，搜索空間會變 得龐大起來，搜索的時間也隨之增加。此外，由于搜索算法對實(shí)際問題的關(guān)聯(lián)性較小，對搜 索空間了解不多，搜索會具有一定的盲目性，而且加上算法本身的缺陷性，會導(dǎo)致搜索結(jié)果 無法達(dá)到高精度和高效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確 定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，其易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，并且能獲得較高的估計精度。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] 一種基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，包含以下順序的步 驟：
[0009] (1)發(fā)送端發(fā)送LFM信號f (t);
[0010] (2)接收端接收帶有多普勒頻移和噪聲的信號r(t);
[0011] ⑶將接收信號r(t)離散為r(n);
[0012] ⑷構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)/(? =邱卜⑷-F⑷I2];其中，F(xiàn)⑷是一個理想的無噪接收信 號；
[0013] (5)求出目標(biāo)函數(shù)的最小值即可為所需的多普勒頻移因子。
[0014] 步驟（5)中，所述的多普勒頻移因子用以下的步驟得到：
[0015] A、對目標(biāo)函數(shù)J(S)求導(dǎo)求出多普勒搜索區(qū)間[a, b];能夠準(zhǔn)確地定位出最優(yōu)點(diǎn)所 在的位置，便于后面多普勒頻移因子的搜索，加快運(yùn)算速度；
[0016] B、在搜索區(qū)間[a，b]內(nèi)使用最優(yōu)化算法估計出多普勒因子。
[0017] 由于目標(biāo)函數(shù)極值點(diǎn)過多，如果不選擇好初始點(diǎn)對目標(biāo)函數(shù)求最小值，容易搜索 到局部的最小值而不是全局的最小值。
[0018] 所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，具體包含以下順序 的步驟：
[0019] SI.首先在發(fā)送端發(fā)送一個線性調(diào)頻信號f(t)，表示為：
[0020]
【主權(quán)項】
1. 一種基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，其特征在于，包含以下 順序的步驟： (1) 發(fā)送端發(fā)送LFM信號f(t); (2) 接收端接收帶有多普勒頻移和噪聲的信號r(t); (3) 將接收信號r(t)離散為r(n); (4) 構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)
；其中，？是一個理想的無噪接收信號； (5) 求出目標(biāo)函數(shù)的最小值即可為所需的多普勒頻移因子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，其特 征在于，步驟（5)中，所述的多普勒頻移因子用以下的步驟得到： A、 對目標(biāo)函數(shù)./(&求導(dǎo)求出多普勒搜索區(qū)間[a，b]; B、 在搜索區(qū)間[a，b]內(nèi)使用最優(yōu)化算法估計出多普勒因子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，其特 征在于，所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，具體包含以下順序 的步驟：
51. 首先在發(fā)送端發(fā)送一個線性調(diào)頻信號f(t)，表示為：
其中w= 2 31f。，k為調(diào)頻率，f。為初始頻率；
52. 發(fā)送信號經(jīng)過功率放大器放大輸出，通過水聲換能器把聲波信號發(fā)送到水聲信號 中；經(jīng)過水聲信道傳播得到帶有多普勒頻移和噪聲的接收信號為：
其中A表示待估計的多普勒因子，w(t)為噪聲；
53. 接收信號r(t)經(jīng)過采樣率fs采樣后，離散化為：
其中采樣間隔
54. 采用最小均方差準(zhǔn)則構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)如下：
當(dāng)A=X時目標(biāo)函數(shù)取得最小值，即當(dāng)A=argmin,/(S)時，多普勒頻移因子A為最終 所求結(jié)果； 其中，H")是一個理想的無噪接收信號：
S5.求出目標(biāo)函數(shù)的最小值即可為所需的多普勒頻移因子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，其特 征在于，步驟S5中，所述的多普勒頻移因子用以下的步驟得到： a、 通過求導(dǎo)得到目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)：
b、 確定搜索多普勒頻移因子所在區(qū)間[a，b]; c、 在區(qū)間[a，b]內(nèi)使用最優(yōu)化算法，即可求解出目標(biāo)函數(shù)的最 小值，求解出./(&)取最小值時的A即為估計的多普勒頻移因子A;

5. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法， 其特征在于，所述的步驟A或者步驟b，具體包括以下順序的步驟： 求出目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)后，進(jìn)行如下處理： 1) 先在全局搜索區(qū)間內(nèi)均勻取M個點(diǎn)，計算出這M個點(diǎn)的導(dǎo)函數(shù)值； 2) 找出M個點(diǎn)中的最小值和最大值； 3) 比較最小值和最大值對應(yīng)的區(qū)間位置，即X的取值：如果最小值所在的區(qū)間位置小 于最大值的位置，那么進(jìn)行入步驟5)進(jìn)行下一步的判斷；否則，則進(jìn)入步驟4); 4) 更新在全局搜索區(qū)間內(nèi)的搜索點(diǎn)數(shù)M= 2M，返回步驟1); 5) 在確定最小值所在的區(qū)間位置小于最大值的位置之后，在最大值和最小值的區(qū)間內(nèi) 均勻取N個點(diǎn)，計算N個點(diǎn)的導(dǎo)函數(shù)值； 6) 判斷此區(qū)間是否為單調(diào)遞增區(qū)間，如果是，進(jìn)入下一步驟7);否則，返回步驟4); 7) 最小值和最大值對應(yīng)的人取值分別為a和b，那么多普勒頻移因子最小值搜索區(qū)間 就鎖定在區(qū)間[a,b]上了。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法， 其特征在于，步驟B或步驟c中，所述的最優(yōu)化算法為牛頓算法或最速下降法。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于構(gòu)造目標(biāo)導(dǎo)函數(shù)確定區(qū)間搜索的多普勒估計方法，包含以下順序的步驟：發(fā)送端發(fā)送LFM信號f(t)；接收端接收帶有多普勒頻移和噪聲的信號r(t)；將接收信號r(t)離散為r(n)；構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)其中，是一個理想的無噪接收信號；求出目標(biāo)函數(shù)的最小值即可為所需的多普勒頻移因子。本發(fā)明的方法，通過構(gòu)造一個目標(biāo)函數(shù)求解最優(yōu)值的方法來估計出多普勒頻移，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，并且能獲得較高的估計精度。
【IPC分類】H04L27-26, H04L25-02
【公開號】CN104580055
【申請?zhí)枴緾N201410758343
【發(fā)明人】寧更新, 劉云磊, 李 杰, 季飛, 韋崗
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月10日