一种时移频分复用水声通信调制方法技术

本发明专利技术公开了一种时移频分复用水声通信调制方法，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，包括以下步骤：发射端：将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量

A Modulation Method for Time-Shift Frequency Division Multiplexing Underwater Acoustic Communication

The invention discloses a time-shift frequency division multiplexing modulation method for underwater acoustic communication, which reduces the cyclic prefix used in orthogonal frequency division multiplexing, including the following steps: the transmitter encodes the binary bit stream to be transmitted, maps the modulation symbols into complex symbols d, D is a vector of N*1 (N=K*M), and N elements are modulated to K orthogonal subcarriers, each orthogonal subcarrier group. The subcarrier group is formed by orthogonal subcarriers moving M times in time domain; the transmitted signal is the superposition of the modulated symbols on all subcarriers; and the transmitting vector is obtained by adding a cyclic prefix at the end of the transmitter.

【技术实现步骤摘要】
一种时移频分复用水声通信调制方法
本专利技术涉及水声通信数字多载波传输
，本专利技术在正交频分复用(OFDM)的基础上，在时域上进行扩展，提出一种时移频分复用(TS-FDM)时移频分复用水声通信调制方法。
技术介绍
水声通信成为海上的主要无线通信方式，并且已经被应用于收集海洋数据，环境监测与远程控制等等。但水声信道仍然是被认为最具有挑战的信道之一，水声信道的主要问题是：有限的带宽、严重的时变多径衰落、环境噪音、时域和频域双重选择性等等，这也导致水声通信的传输速率低。正交频分复用(OFDM)调制解调技术具有高速率传输、抗多径干扰、脉冲噪声能力强、频谱利用率高等优势，并且结合水声信道的特点，它被广泛应用于水声通信中，成为研究热点。OFDM在水声通信中效果显著，可以用正交的子载波在有限的带宽中进行高速率传输，但其对正交性有严格要求。为了消除子载波间干扰和符号间干扰，循环前缀(CP)成为OFDM必要的一部分，CP长度一般要占OFDM符号长度的六分之一到四分之一并且其长度有严格要求—要大于最大时延，这必然是以降低频谱效率为代价的。因此如何降低CP所占的资源，进一步提高频谱效率对于带宽有限的水声通信具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种时移频分复用水声通信调制方法，本专利技术立足于水声通信的OFDM多载波传输系统，结合时域扩展概念，提出时移频分复用(TS-FDM)新型多载波调制技术，旨在提高通信系统的频谱效率，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统灵活性，详见下文描述：一种时移频分复用水声通信调制方法，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，所述方法包括以下步骤：发射端：将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量接收端：发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为去除循环前缀，得到信号y，经过信道均衡得到向量z，随后向量z经过解调器解码为二进制输出向量最后经过解映射和解码得到输出信号。进一步地，所述子载波组为：n＝0，1，2，3，……，N-1m＝0，1，2，3，……，W-1k＝0，1，2，3，……，K-1其中，k＝0，1，…，K-1代表子载波的序列号，m＝0，1，...，M-1表示扩展的子载波组内符号序列号，n＝0，1，...，M-1是采样索引，δ[n]是单位脉冲，gk，m[n]是由δ[n]在时间和频率上的移位而构成的，mod为取余操作。其中，所述方法的一个符号能传输N＝K*M个数据，与正交频分复用符号占用相同的带宽。进一步地，所述发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加具体为：其中，dk，m表示向量d中第k个子载波组上的第m个子符号。其中，所述信号y具体为：y＝Hx+ω＝HAd+ω其中，H是一个N*N的信道循环卷积矩阵，ω为N*1的高斯白噪声向量，y经过信道均衡得到向量z，则z＝H-1HAd+H-1ω＝Ad+H-1ω。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：本专利技术提高了通信系统的频谱效率，减少OFDM技术中所用的循环前缀(CP)，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统的灵活性。附图说明图1为一种时移频分复用水声通信调制方法的流程图；图2为TS-FDM符号和OFDM符号比较的示意图；图3为随M增加TS-FDM相对OFDM的频谱效率增益的示意图；图4为TS-FDM和OFDM在不同正交子载波数下随信噪比变化的误码率(BER)性能的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例提出了TS-FDM调制技术。若TS-FDM符号是OFDM符号时域扩展M倍得到的，则在传输数据和正交子载波间隔相同的情况下，TS-FDM的带宽比OFDM降低了M倍，这对于带宽严重受限的水声信道意义重大。并且一个TS-FDM传输块包含多个子载波及多个子符号，整个块只需一个CP，可大幅提升频谱效率。OFDM其本身具有优良的抗干扰特性、快速傅里叶反变换(IFFT)算法快速传输、以及适用于水声通信的发送实数的优点，这些特点在TS-FDM中仍然能够体现。实施例1本专利技术实施例设计了一种时移频分复用水声通信调制方法，本方法在保留OFDM的优良特性基础上，减少OFDM所用的循环前缀(CP)从而提高频谱效率，该方法包括：在正交频分复用(OFDM)系统中每个载波频率之间需要保持严格的正交性，其本质就是发送端用待调制的数据对系列复指数信号进行加权进而合成一个复信号，OFDM载波生成公式如下所示：其中，N为子载波总数，n为采样时间，k为子载波索引号。若传输数据所用的带宽为B，使用的正交子载波数为K，子载波间隔为Δf＝B/K。而时移频分复用(TS-FDM)技术正是基于OFDM而得到的，将OFDM的K个子载波在时域扩展M倍，所以TS-FDM子载波生成如下所示：n＝0，1，2，3，……，N-1m＝0，1，2，3，……，M-1k＝0，1，2，3，……，K-1其中，k＝0，1，...，K-1代表子载波的序列号，m＝0，1，...，M-1表示扩展的子载波组内符号序列号，n＝0，1，...，N-1是采样索引，δ[n]是单位脉冲，gk，m[n]是由δ[n]在时间和频率上的移位而构成的，mod为取余操作。所以TS-FDM符号可以传输N＝K*M个数据，却和OFDM占用相同的带宽B。综上所述，本专利技术实施例提出了时移频分复用(TS-FDM)新型多载波调制技术，旨在提高通信系统的频谱效率，高效利用带宽，降低误码率，进一步提高系统灵活性。实施例2下面结合图1、具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：在发射端，若TS-FDM是将K个子载波在时域上时移M次，则在TS-FDM发送端，将要传送的二进制比特流进行编码，之后经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，d＝(d0T，...，dK-1T)T，dk＝(d0，k，...，dM-1，k)T。其中，N＝K*M，表示这N个元素被调制到K个正交子载波上，且每个正交子载波在时域扩展M倍形成一组正交子载波组。发送信号x＝(x[n])T为所有子载波上的已调符号的叠加，即：其中，dk，m表示向量d中第k个子载波组上的第m个子符号，T为转置。若令A＝(g0，0，...，g0，M-1，g1，0，...，gK-1，M-1)则式(2)可以写成向量形式：x＝Ad(4)其中，d为传输数据向量，gK-1,M-1为式(1)所表示的子载波，x为经过TS-FDM调制过的信号。在发送端的最后x要加上循环前缀得到发送向量随后发送向量发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为其后首先去除循环前缀，得到信号y，可以表示为：v＝Hx+ω＝HAd+ω(5)其中，H是一个N*N的信道循环卷积矩阵，ω为N*1的高斯白噪声向量。y经过信道均衡得到向量z，则z＝H-1HAd+H-1ω＝Ad+H-1ω。随后向量z经过解调器，该过程可表示为：解码为二进制输出向量最后经过解映射和解码得到输出信号。综上所述，本专利技术实施例提出了时移频分复用(TS-FDM)新型多载波调制技术，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，所述方法包括以下步骤：发射端：将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量

【技术特征摘要】
1.一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述方法减少了正交频分复用所用的循环前缀，所述方法包括以下步骤：发射端：将要传送的二进制比特流进行编码，经过调制符号映射成为复数符号d，d为N*1的向量(N＝K*M)，N个元素被调制到K个正交子载波组上，每个正交子载波组是正交子载波在时域上时移M次形成的；发送信号为所有子载波上的已调符号的叠加；在发送端的最后加上循环前缀得到发送向量接收端：发送向量经过水声信道，接收端接收到的数据标记为去除循环前缀，得到信号y，经过信道均衡得到向量z，随后向量z经过解调器解码为二进制输出向量最后经过解映射和解码得到输出信号。2.根据权利要求1所述的一种时移频分复用水声通信调制方法，其特征在于，所述子载波组为：n＝0，1，2，3，......，N-1m＝0，1，2，3，......，M-1k＝0，1，2，3，......，K-1其中，K＝0，1，...，K-1代表子载...

【专利技术属性】
技术研发人员：付晓梅，马鹏宇，叶东来，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12