基于加权分数阶傅里叶变换的水下通信混合载波方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下通信载波系统，尤其是涉及一种基于加权分数阶傅里叶变换的水 下通信混合载波方法。
【背景技术】
[0002] 由于水声信道存在较大的多径时延和大的多普勒频移等特点，因此必须提高在 衰落信道环境下的系统性能。为了应对上述复杂多变的水声环境，目前在水声通信通信 系统中应用的载波体制主要包括两种：多载波（MultipleCarrier,MC)正交频分复用 (OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing, 0FDM)技术与单载波频域均衡（Single Carrier-FrequencyDomainEqualization,SC-FDE) 〇 二者各有优缺点：
[0003] OFDM可有效抵抗频率选择性衰落，并且提高了频谱利用率。在理想情况下，与相同 传输速率的单载波系统相比，OFDM系统每个子载波上的码兀宽度是单载波系统码兀宽带的 N倍（N为FFT运算的点数），通常远大于信道的时延扩展，因此OFDM系统每个子载波均具 有极强的抵抗码间串扰的能力。但是，OFDM采用频域处理技术，以一个FFT块为单位进行 处理，相位噪声将导致严重的子载波干扰，使系统性能急剧恶化，所以多载波调制对相位噪 声非常敏感。此外，OFDM系统存在对定时误差、载频同步误差比较敏感和峰均功率比高等 问题，直接影响了OFDM技术的进一步应用。
[0004] 与多载波调制技术相比，单载波调制技术具有其独有的优势：（1)由于多载波 PAPR较高，而单载波调制PAPR比较低，故多载波系统比单载波系统需要更宽的线性范围， 需要动态范围很大的高成本线性放大器；（2)单载波调制采用的时域处理技术，相位跟踪 器可以在每个时刻都对相位进行调节，故单载波系统对相位噪声不敏感。但是，由于无线信 道的传播环境非常恶劣，在高速率数据传输条件下的多径传播引起的时延扩展会对系统产 生较大的影响。为了消除信道对系统性能的影响，需要进行信道估计和信道均衡。一般地， 单载波调制系统在时域进行均衡，通常采用训练序列来正确设置时域均衡器的抽头系数， 使均衡器的自适应算法在接收数据时可以跟踪不断变化的信道。SC-FDE系统可以放宽对接 收机模拟元器件的约束，所以，廉价的功率放大器可以得到高效率地使用，从而使得具有较 长的待机时间和电池寿命的移动终端成本低廉；由于使用了高效的FFT运算，接收机的复 杂度比具有时域横向均衡器的常规单载波系统的得多。但SC-FDE系统是在时域上进行符 号判决的，它对定时偏差更加敏感，对接收端的同步要求更高。
[0005] 可见，OFDM与SC-FDE这两种调制体制各有优缺点，在传输性能上存在互补性，这 也是目前的实际系统中两种体制相互共存的根本原因。
[0006] 通常，单载波系统具有良好的抗多普勒效应性，而多载波系统具有较好的抗多径 性能。而实际的水声环境中往往是多径效应和多普勒效应并存，是一种混合的水声环境。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供结合信道特点和WFRFT的变换性质，以最低误码率为优化 目标，可以求得系统的最优阶，得到在不同传输环境下最优传输系统的一种基于加权分数 阶傅里叶变换的水下通信混合载波方法。
[0008] 本发明包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :在发送信号S之前，先发送一串具有和信号相同长度、相同结构的已知序 列X，X经过信道后得到接收信号Y;
[0010] 步骤2 :选取最优阶a_，将a_反馈回发送端，再发送信号S;
[0011] 步骤3 :在变换阶数为a阶的加权分数傅立叶变换域上对基带数据进行调制，采 用-a阶分数傅立叶变换将调制后的数据变换到时域发送到信道中去；
[0012] 步骤4 :根据分数傅立叶变换的阶数旋转相加性，即分数傅立叶变换的酉特性，将 数据变换回相应的分数域上进行解调。
[0013] 本发明是基于WFRFT的混合载波系统是在最优阶a_的模式下进行通信的，系统 误码率最低，性能最好。
[0014] 与常规水下通信系统相比，本发明具有以下优点：
[0015] 根据以上所述，加权分数傅里叶变换具有边界性和可加性。根据边界性，FFT即为 加权分数傅里叶变换的阶数a= 1时的情况。将接收信号经过FFT变换后，在频域上进行 频域均衡以抵抗信道衰落的影响。根据加权分数傅里叶变换的可加性，均衡后的信号再经 过（a-1)阶的加权分数傅里叶变换后即可变换到a加权分数域上。从而可以有效地解决 水下通信系统的识别率低、鲁棒性差、可靠性不高而不能满足新形势下的水下通信要求的 问题。
[0016] 综上所述，本发明提出基于级联原子库的海洋目标辨识探测技术，可以有效地解 决水下目标识别系统的识别率低、鲁棒性差、可靠性不高而不能满足新形势下的水下目标 识别要求的问题。
[0017] 本发明只需要采用统一的物理层传输设备就可实现单/多载波系统以及分数域 系统，是一种真正意义上的混合载波调制系统，充分发挥单载波和多载波的优势，提高通信 系统混合体制在水声环境下的适用性。它可以与现有的传输体制相互兼容，各个分数域信 号模式间也可以平滑过渡，能更好与实际的信道环境相互匹配。
[0018] 本发明提出WFRFT系统能体现单载波体制和多载波体制混合的特性，可建立基于 WFRFT的混合载波系统模型，并分别研究了在多径衰落信道和双选信道下该系统的性能。结 合信道特点和WFRFT的变换性质，以最低误码率为优化目标，可以求得系统的最优阶，得到 在不同传输环境下的最优传输系统。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明实施例的加权系数W1 (a) (1 = 〇, 1，2, 3)的模随系统最优阶次a_ 的变化规律图。
[0020] 图2为本发明实施例的SC-FDE的基本系统框图。
[0021 ] 图3为本发明实施例的基于FFT的OFDM系统实现框图。
[0022] 图4为本发明实施例的WFRFT系统最优阶次判决流程图。
[0023] 图5为本发明实施例的引入最优阶选取算法的WFRFT系统框图。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0025] 首先，来看一下傅里叶变换的周期特性，传统的傅里叶变换的周期为4,令g(x) 是一个满足均方可积的时域信号，对它连续做四次傅里叶变换，每一步得到的结果如下所 示：
[0026] g (X)-G(X)-g (-X)-G(-X)-g (X)
[0027] 其中，G(X)表示信号的频域形式，g(_x)和G(-x)分别为信号时域形式和频域形式 的反转。
[0028] 在C.C.Shih的定义中，四个基本态函数分别对应为原始信号的0~3次整数阶傅 里叶变换的结果，也就是g(x)，G(x)，g(_x)和G(-x)变换阶次为a的四项加权分数傅里叶 变换的具体表达式如下所示：
[0029] Fa[g (X)] =w。（a)g (X) +W1(a)G(X)+w2 (a)g (-X)+w3 (a)G(-X)(I)
[0030] 其中W1 (a)(I= 0, 1，2, 3)为加权系数，它们与变换阶次a的数学关系如公式（2) 和⑶所示：
[0033] 公式⑵和⑶本质上是一致的，只不过旋转的方向不同，也就是联合时/频域的 具体路径不同。变换阶次a的周期为4,一般将区间[0, 4]定义为a的主周期，或者称为 全周期。加权