一种移动水声通信方法技术

本发明专利技术提供了一种移动水声通信方法，在发送端对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据，然后串并转化成并行数据流；将每一组的并行数据插入导频，通过逆分数阶傅里叶变换进行子载波调制；将调制后的符号加上保护间隔，换成串行数据后发送；在接收端进行串并转换后去掉保护间隔，然后通过阶次扫描搜索迭代算法搜索最优阶次；使用最优阶次的分数阶傅里叶变换对信号进行子载波解调，同时接收端进行分数阶傅里叶域的信道估计和均衡；均衡后去除导频并进行并串转换成串行数据，进行数字解调和信道译码，最后得到数据从接收端输出。本发明专利技术结构简单，计算速度快，减少了发射机和接收机算法复杂度，降低了水声移动通信中的多普勒频移，提高通信效果。

【技术实现步骤摘要】
一种移动水声通信方法
本专利技术涉及水声通信领域，更确切地说，涉及一种实现水声移动通信的方法。
技术介绍
水声通信技术的发展与陆地无线电通信的发展相比存在巨大差距，主要原因在于水声信道是一个时变、空变以及频变信道，其传输特性是复杂多变的。正交频分复用多载波调制技术(OFDM)具有高速率、高频谱利用率、抗多径效应等优点，但同时，OFDM技术也存在一些缺点：对频偏和相位噪声很敏感，频率偏移以及相位噪声会破坏子载波之间的正交性；在收发两端有相对运动时，系统中的多普勒频移明显。因此，如何在移动环境下，保证高速有效的水声通信是OFDM技术需要解决的重要问题。分数阶傅里叶变换(FRFT)突破了传统傅里叶变换只能在时域或者频域范围内进行信号分析与处理的局限，能在介于时域和频域之间的分数傅里叶变换域上分析和处理信号。针对传统OFDM系统在应用于频率选择性信道时性能下降的问题，M.Martone首先提出了一种新的基于FRFT的OFDM通信方案(M.Martone,“AMulticarrierSystemBasedontheFractionalFourierTransformforTime-Frequency-SelectiveChannels,”IEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS，VOL.49，NO.6，JUNE2001)，该系统是双弥散信道中近似最优的无线通信系统。陶然等人继续研究适用于无线信道的基于FRFT的多载波系统，通过发送端和接收端同步自适应搜索最优分数阶傅里叶变换阶次。但这种方法需要判决反馈机制，计算复杂；而且这些研究主要针对无线电通信系统，但水声信道是窄带宽、高噪声、多径效应严重、强混响的复杂信道，难以将无线通信的方法直接应用于水声通信中。针对水声信道与无线信道的差异性，王逸林等人在专利中提出了一种基于FRFT的OFDM水声通信方案(王逸林，陈韵等，“一种多载波水声通信方法”，中国专利公开号：CN101771657A，2010.07)，利用交叉调制提高了系统的频带利用率；之后采用正交调制同时传输复信号的实部和虚部，提高了传输效率。但该方法并没有考虑分数阶傅里叶变换的离散算法(DFRFT)带来的复杂度问题；同时，也没有考虑在水声移动通信中，移动带来的多普勒频移会造成线性调频信号(LFM)子载波调频率改变的问题。多普勒频移主要是由海洋介质的不均匀性以及发送端与接收端的相对移动造成。由于波浪以及洋流等的作用，发射机以及接收机的相对运动在所难免，因此在实际的水声移动通信中，多普勒频移的影响不能忽视。除此之外，基于分数阶傅里叶变换的OFDM通信方式，至今在水声移动通信领域的研究甚少。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种移动水声通信方法，采用Pei采样型算法作为离散分数阶傅里叶变换的算法，该算法结构简单，计算速度快，达到了减少发射机和接收机算法复杂度的目的；同时提出了一种阶次扫描迭代搜索算法，通过在接收端进行阶次搜索，找到接收信号进行FRFT的最优阶次，达到了降低水声移动通信中的多普勒频移，提高通信效果的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(1)在通信系统的发送端对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据，然后进行串并变换转化成并行数据流；(2)将每一组的并行数据插入导频，通过逆分数阶傅里叶变换进行子载波调制，在进行离散分数阶傅里叶变换时采用Pei采样型离散算法，生成的子载波信号具有相同调频率和不同中心频率，各子载波的频率其中，T为一个正交频分复用多载波调制OFDM符号的时长；n表示第n个子载波，t表示时间，取值范围是(0，T)；α为IDFRFT的变换角度，范围是α与分数阶傅里叶变换阶次p的关系为(3)将调制后的符号加上保护间隔，经过并串转换成串行数据后，通过发射换能器的发送进入水声信道；(4)在接收端经过接收换能器并进行串并转换后，先去掉保护间隔，然后通过阶次扫描搜索迭代算法搜索最优阶次；所述的阶次扫描迭代搜索方法如下：(4.1)根据发射端FRFT调制所用的FRFT变换角度α确定阶次p的搜索范围，变换角度α与阶次p的关系为p的搜索范围是(0,1)；(4.2)对变量p、u分别采用0.01～0.05的搜索间隔直接搜索；(4.3)根据搜索范围进行不同阶次的DFRFT，形成(α,u)平面的FRFT域能量分布，u表示分数阶傅里叶域；(4.4)在(α,u)平面上搜索使得FRFT域能量最大的峰值位置所对应的角度α，进而根据得到阶次p作为粗略估计的阶次值p1；(4.5)以p1为初始值进行拟牛顿法的迭代搜索，得到精确估计的最优阶次值p2；拟牛顿法迭代过程为：其中，及为参数α和u的第n次搜索的结果，λn为第n次搜索的步长系数，Xα(u)为接收信号在分数阶傅里叶域的形式，Hn为函数|Xα(u)|2在点的尺度矩阵，可以通过迭代方法求得；(5)使用最优阶次的分数阶傅里叶变换对信号进行子载波的解调，同时接收端进行分数阶傅里叶域的信道估计和均衡；信道估计采用最小二乘信道估计，信道均衡采用ZF均衡；(6)均衡后去除导频并进行并串转换成串行数据，进行数字解调和信道译码，最后得到数据输出。本专利技术的有益效果是：考虑了FRFT离散算法的复杂度问题，采用Pei采样型算法，降低了利用FRFT对子载波进行调制解调过程中发射机和接收机的复杂度，便于实现；在接收端增加了阶次扫描迭代搜索算法模块，能有效应对水声移动通信中的多普勒频移问题。附图说明图1是FRFT-OFDM的水声移动通信系统框图；图2是FRFT-OFDM水声移动通信系统与传统OFDM水声通信系统子载波的时频分布对比图；图3是对一个LFM信号进行阶次扫描迭代搜索得到的分数阶傅里叶域能量分布示意图；图4是对一个LFM信号进行阶次扫描迭代搜索得到的分数阶傅里叶变换峰值随阶次变换图；图5是存在一定多普勒频移条件下FRFT-OFDM系统与传统OFDM系统的误码率比较示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术的目的在于提供一种低复杂度、能够有效应对多普勒频移的基于FRFT的水声OFDM移动通信方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)在通信系统的发送端对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据，然后进行串并变换转化成并行数据流；(2)将每一组的并行数据插入导频，通过逆分数阶傅里叶变换进行子载波调制，在进行离散分数阶傅里叶变换时采用Pei采样型离散算法；这样生成调制后的子载波信号是一组具有相同调频率，不同中心频率的线性调频信号，各子载波的频率为：其中，T为一个OFDM符号的时长；n表示第n个子载波，t表示时间，范围是(0，T)；α为IDFRFT的变换角度，范围是α与分数阶傅里叶变换阶次p的关系为(3)将调制后的符号加上一定长度的保护间隔，经过并串转换成串行数据后，通过发射换能器的发送进入水声信道；(4)在接收端经过接收换能器并进行串并转换后，先去掉保护间隔，然后通过阶次扫描搜索迭代算法搜索最优阶次。由于在水声移动通信中会产生多普勒频移，接收端收到的线性调频信号的调频率会发生改变，相应地进行分数阶傅里叶变换的阶次也会发生改变。所以需要增加一个最优阶次扫描搜索模块，在接收端找到最适合的分数阶傅里叶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移动水声通信方法，其特征在于包括下述步骤：(1)在通信系统的发送端对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据，然后进行串并变换转化成并行数据流；(2)将每一组的并行数据插入导频，通过逆分数阶傅里叶变换进行子载波调制，在进行离散分数阶傅里叶变换时采用Pei采样型离散算法，生成的子载波信号具有相同调频率和不同中心频率，各子载波的频率

【技术特征摘要】
1.一种移动水声通信方法，其特征在于包括下述步骤：(1)在通信系统的发送端对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据，然后进行串并变换转化成并行数据流；(2)将每一组的并行数据插入导频，通过逆分数阶傅里叶变换进行子载波调制，在进行离散分数阶傅里叶变换时采用Pei采样型离散算法，生成的子载波信号具有相同调频率和不同中心频率，各子载波的频率其中，T为一个正交频分复用多载波调制OFDM符号的时长；n表示第n个子载波，t表示时间，取值范围是(0，T)；α为IDFRFT的变换角度，范围是α与分数阶傅里叶变换阶次p的关系为(3)将调制后的符号加上保护间隔，经过并串转换成串行数据后，通过发射换能器的发送进入水声信道；(4)在接收端经过接收换能器并进行串并转换后，先去掉保护间隔，然后通过阶次扫描搜索迭代算法搜索最优阶次；所述的阶次扫描迭代搜索方法如下：(4.1)根据发射端FRFT调制所用的FRFT变换角度α确定阶次p的搜索范围，变换角度α与阶次p的关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：申晓红，马义然，王海燕，王鑫，姚海洋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61