分數(shù)階Fourier變換在水聲通信中的應用研究.pdf

1、水聲信道因其特殊時空頻變特性,嚴重的信道衰落效應和復雜的水下環(huán)境噪聲而成為最為復雜的無線信道。因此,追求一種可靠有效高速的水下信息傳播的調(diào)制解調(diào)方法成為水聲通信的主要內(nèi)容。分數(shù)階Fourier變換是近年來興起的一種針對chirp類信號的處理算法,可以理解成為基于chirp基分解或者是時頻面的旋轉(zhuǎn)過程,在合適的分數(shù)階域能夠?qū)崿F(xiàn)chirp類信號的能量聚集出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象。因而將分數(shù)階Fourier變換技術(shù)引入到水聲通信中,發(fā)展基于分數(shù)階Fou

2、rier變換的水聲通信方案能夠在應對復雜水下噪聲環(huán)境和抑制水聲信道衰落效應方面具有積極的意義。
　　傳統(tǒng)的正交多載波(OFDM)技術(shù)具有通信速率和頻帶利用率高的特點,且借助于FFT技術(shù)可以實現(xiàn)快速的調(diào)制解調(diào),簡化系統(tǒng)復雜度,成為未來第四代無線通信技術(shù)的基礎。但是OFDM技術(shù)引入到水聲領域之后,水聲信道較窄的可利用頻帶范圍和梳狀的幅頻響應特性不僅使得OFDM的優(yōu)點沒有得到充分的發(fā)揮,還受到頻率選擇性衰落的影響而降低性能。針對這些問題

3、,本文提出基于分數(shù)階Fourier變換的正交多載波(FRFT-OFDM)水聲通信方案,采用正交的LFM信號作為子載波信號,利用分數(shù)階Fourier變換作為信息的調(diào)制解調(diào)方法。寬帶的LFM子載波相比于基于正弦信號子載波,不易于被信道所形成的深陷頻率零點所衰落,因而可以可靠的傳輸信息。且LFM信號具有較大的多普勒容限,相比OFDM技術(shù),FRFT-OFDM具有一定的抗多普勒效應的能力。
　　分數(shù)階Fourier變換的chirp基分解特性

4、說明,一個LFM信號在其對應的階次的分數(shù)階域上會出現(xiàn)能量聚焦而形成沖激函數(shù),在除此之外的分數(shù)階域均不會產(chǎn)生這種效果。外界干擾只有在具有與LFM信號近似的時頻分布特性時才會產(chǎn)生干擾作用,且噪聲可以認為均勻散布在整個時頻面中,任何階次的分數(shù)階域均不會形成干擾,因此本文提出基于分數(shù)階Fourier變換的脈沖位置調(diào)制(FRFT-PPM)技術(shù),將要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到分數(shù)階域的峰值位置當中,具有較強的抗噪聲和抗干擾性能。在此基礎上,根據(jù)正負斜率的LF

5、M信號只會聚焦于相對應的正負階次分數(shù)階域而不會產(chǎn)生相互之間的干擾,提出正負斜率LFM信號作為載波的分數(shù)階域脈沖位置調(diào)制技術(shù),在不額外占用系統(tǒng)帶寬的前提下倍增FRFT-PPM系統(tǒng)通信速率,在保證了系統(tǒng)穩(wěn)健性的前提下提高了系統(tǒng)有效性能。
　　水聲信道嚴重的多途擴展效應是通信系統(tǒng)產(chǎn)生碼間干擾(ISI)的主要原因,因此采用接收均衡技術(shù)能夠有效的抑制多途效應,減少誤碼的產(chǎn)生。多途效應對信號實際上是增加了時間延遲,根據(jù)分數(shù)階Fourier變換

6、的時移特性,當信號在時間域上發(fā)生移動時,信號變換的象函數(shù)在分數(shù)階域上也會發(fā)生移動。為了減少干擾,本文提出了在系統(tǒng)中添加時域保護間隔和分數(shù)階域保護間隔,以減少這種碼間干擾的影響。然而這種方法在一定程度上降低了系統(tǒng)的效率,且水聲信道多途擴展十分嚴重,完全依靠保護間隔抑制ISI將使系統(tǒng)性能變得不可接受,因此本文提出采用Rake接收機和時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)來抑制水聲信道的多途影響。Rake接收機是一種特殊的路徑分集技術(shù),而分數(shù)階Fourier變換的時

7、間移動特性完全能夠在分數(shù)階域分離出信號的獨立衰落路徑,因此將Rake接收機應用于基于分數(shù)階Fourier變換的水聲通信系統(tǒng)具有理論基礎,并且本文討論了各種合并方式的性能。相對于Rake接收機,時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)無需知道信道的確切信息,通過探測信號估計出大致的時反信道和接收信號進行卷積,達到去除多途信道影響,突出主要路徑的能量,提高接收信號的信干噪比,從而實現(xiàn)減小誤碼的產(chǎn)生。
　　通信平臺的相對運動產(chǎn)生了多普勒效應,使得接收信號在時間尺

8、度上產(chǎn)生壓擴效應,在頻域上出現(xiàn)頻率彌散。根據(jù)分數(shù)階Fourier變換的尺度變換特性,信號在時間尺度的變換造成其在分數(shù)階域的尺度的變換,根據(jù)這個性質(zhì)可以得知,多普勒效應并不改變LFM載波在分數(shù)階域正交特性,只是產(chǎn)生統(tǒng)一的分數(shù)階域偏移和尺度變換,因此本文提出分數(shù)階域的多普勒效應補償方法,通過測定多普勒因子,從而在分數(shù)階域?qū)崿F(xiàn)多普勒效應的補償。
　　通過大量的仿真實驗和湖試試驗驗證基于分數(shù)階Fourier變換的水聲通信方案的有效性與可行