[发明专利]基于加权分数阶傅里叶变换的水下通信混合载波方法

说明书

基于加权分数阶傅里叶变换的水下通信混合载波方法，涉及水下通信载波系统。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；选取最优阶α_opt，将α_opt反馈回发送端，再发送信号S；在变换阶数为α阶的加权分数傅立叶变换域上对基带数据进行调制，采用‑α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；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。可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。

技术领域

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

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(Multiple Carrier,MC)正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术与单载波频域均衡(SingleCarrier-Frequency Domain Equalization,SC-FDE)。二者各有优缺点：

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元宽度是单载波系统码元宽带的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。

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。

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。

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

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。

本发明包括以下步骤：

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；