一种基于水声稀疏正交频分复用的多载波调制方法与流程

本发明涉及数字多载波传输技术领域，尤其涉及在正交频分复用(ofdm)的基础上，将压缩感知的思想应用到多载波调制，提出了一种基于水声稀疏正交频分复用的多载波(sofdm)调制方法。

背景技术：

目前，水声通信的应用越来越广泛。但是水声信道因其噪声大，传播时延大以及多径效应严重等特点，被称为最具有挑战性的信道之一。

正交频分复用技术(ofdm)可以通过添加循环前缀的方法来应对信道中的多径效应，在一定程度上消除了符号间干扰以及子载波间干扰，具有较好的鲁棒性。因此ofdm技术首先被应用到水声通信中。

但是，ofdm的子载波对其正交性要求十分严格，必须绝对正交，否则在接收端解调的时候会出现误差，从而导致误码率的上升。例如：水声信道中多普勒频移较大这一特点，就会影响ofdm的各个子载波之间的正交性。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于水声稀疏正交频分复用的多载波调制方法，本发明立足于ofdm多载波传输系统，结合压缩感知的部分思想，完成了sofdm多载波传输方法的设计，详见下文描述：

一种基于水声稀疏正交频分复用的多载波调制方法，所述方法包括以下步骤：

发射端：

信号源产生的二进制比特流信息经过信源编码后得到编码后的信息信息经过信道编码后得到数据

数据经过正交相移键控调制后映射为信号信号经过解调器的调制后，生成发送数据发送数据中包含了信号的所有信息；

发送数据添加循环后缀和帧头信号，成为完整的一帧信号并通过水听器发送到实际水声信道中；

接收端：

获取带循环前缀的接收信号，去掉循环前缀，得到接收端的调制数据再经过信道估计及解调器的解调之后，得到接收到的正交相移键控信号

经过解映射得到比特流比特流经过信道解码为在在信源信源解码后得到二进制比特流信息。

其中，所述解调器具体为：

其中，g为字典矩阵，其生成方法如下：g＝(g0,0,g0,m-1,...,gk,m,...,gn-1,0,...gn-1,m-1)

其中，gk,m表示第k个子载波第m次混叠，其表达式如下：

gk,m[n]＝δ[(n-mδ)modn]*gk[n]

n＝0,1,2,...,n-1,

k＝0,1,2,...,n-1,

m＝0,1,2,...,m-1,

其中，n，k，m分别代表时域索引、频域索引以及延时索引，δ表示延时的时间长度，mod为取余操作，n为ofdm中正交子载波的个数，m是同一频率子载波扩展的次数，δ[·]为冲激函数，gk，m[n]为字典矩阵g中频率为k的子载波第m次复用时的采样值，gk[n]为字典矩阵g中频率为k的子载波表达式如下：

k＝0,1,2,...,n-1,

n＝0,1,2,...,n-1。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明基于压缩感知的思想，提出了一种基于水声稀疏正交频分复用多载波调制方法(sofdm)，用压缩感知中的稀疏表示来代替传统ofdm中的快速傅里叶变化(fft/ifft)调制解调；

2、本发明通过在ofdm的基础上，将压缩感知的思想应用到多载波调制上，提高了通信系统的性能，且进一步提升了水声通信的质量，实现了更好的通信；

3、本发明基于ofdm与压缩感知的概念提出了稀疏正交频分复用多载波传输，通过对不同扩展倍数的设计，选出性能较好的字典作为调制时的载波矩阵，从而降低误码率。

附图说明

图1为sofdm的收发机系统框图；

图2为sofdm在不同混叠系数下的ber(误码率)性能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例设计了一种适用于水声通信的基于ofdm和压缩感知的多载波频分复用调制方法，称为sofdm。本发明实施例以ofdm为基础，用压缩感知中采用的字典矩阵来代替传统ofdm多载波调制中的fft/ifft部分，降低系统的误码率，该方法包括以下步骤：

如图1所示，信号源产生的二进制比特流信息经过信源编码后得到编码后的信息编码后的信息经过信道编码后得到数据数据经过qpsk(正交相移键控)调制后映射为qpsk信号信号再经过sofdm调制器后，生成发送数据发送数据中包含了qpsk信号的所有信息。在添加循环后缀和帧头信号后，成为完整的一帧信号并通过水听器发送到实际水声信道中。

在经过水声信道后，帧头信号被识别并且进行同步，接收端可以得到带循环前缀的接收信号。随后去掉循环前缀，得到接收端的sofdm数据再经过信道估计及sofdm解调器解调之后，得到接收到的qpsk信号再经过qpsk解映射得到比特流比特流经过信道解码在信源解码后得到二进制比特流信息。

实施例2

下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

一、发射端

发射端sofdm调制器的调制过程如下表示：

其中，为qpsk信号，为经过调制后的sofdm信号。g为字典矩阵，其生成方法如下：g＝(g0,0,g0,m-1,...,gk,m,...,gn-1,0,...gn-1,m-1)(2)

其中，gk,m表示第k个子载波第m次混叠，表达式如下：

gk,m[n]＝δ[(n-mδ)modn]*gk[n](3)

n＝0,1,2,...,n-1,

k＝0,1,2,...,n-1,

m＝0,1,2,...,m-1,

其中，n，k，m分别代表时域索引、频域索引以及延时索引，δ表示延时的时间长度，mod为取余操作，n为ofdm中正交子载波的个数。m是同一频率子载波扩展的次数，δ[·]为冲激函数，gk，m[n]为字典矩阵g中频率为k的子载波第m次复用时的采样值，gk[n]为字典矩阵g中频率为k的子载波，同时也指ofdm的正交子载波，其表达式如下：

k＝0,1,2,...,n-1,

n＝0,1,2,...,n-1,

具体的调制过程中，由于公式(1)中的维数比大，所以实际操作中采用基追踪(basicpursuit，bp)算法实现，即寻找在满足公式(1)条件下的所有解向量中l0范数最小的解向量，其数学表达式如下：

其中，||﹒||l0为向量的l0范数。

根据上式求解出的数据即为输入信号经过sofdm调制器调制后的调制数据。

二、接收端

在帧头信号识别并同步的情况下，去除接收信号的循环前缀。此时已调信号在水声信道中的传输过程可以表示为：

其中，是接收信号，为发送信号，h是信道矩阵，是加性高斯白噪声。

在接收端进行信道均衡以及信道估计后得到的数据在接收端解调过程可以表示为：

其中，为经过sofdm解调后的qpsk信号；为经过信道估计及均衡后得到的数据。

由此可以得到接收到的qpsk信号在经过qpsk解映射后得到比特流比特流经过信道解码和信源解码后得到二进制比特流信息。

随后对本方法进行matlab的仿真，图2为仿真结果。由图2可以看出在同样的符号时间长度下，ofdm系统以及sofdm系统中不同子载波扩展次数对系统性能的影响。在本次仿真中，可以发现，在同样的符号时间长度下，本方法的sofdm系统的误码率性能比ofdm系统好，而且随着扩展倍数的增加，系统的误码率性能在逐渐提升。尤其是当m＝3与m＝7时，由于扩展倍数的增加，字典矩阵g的原子数也随之增加，而且各个子载波之间的字典原子结构更加紧密，调制后的sofdm信号的稀疏性也变得更好，可以更好的减少水声信道对传输信号的影响。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。