CN112332930B - 一种移动条件下的时间反转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种移动条件下的时间反转方法，利用时域和频域基于傅里叶变换的对偶性，提出了时频反转技术，能够同时做到信道的时频聚焦，改善通信系统的性能。本发明在时延‑多普勒双扩展水声信道下，针对时间反转技术无法同时做到时延和频偏双聚焦的问题，提出了一种时频反转技术，能够同时对多径和多普勒所产生的偏移进行聚焦，有效改善移动水声通信系统的性能。

Description

一种移动条件下的时间反转方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域，具体涉及移动水声通信技术，时间反转技术等。
背景技术
由于声波在海洋中的传播速度较慢以及通信设备之间的相对运动和风浪、洋流等因素的影响，使接收端接收到的信号是由不同时延、不同多普勒偏移的多路信号叠加，因此移动水声信道通常具有时延和多普勒的双扩展特性，严重影响了水声通信系统的性能，一种有效解决移动水声信道双扩展特性的方法是对多径时延和多普勒偏移进行聚焦。
时间反转技术(Time Reversal Mirror，TRM)基于传输互易性和时反不变性原理，利用复杂的多径信道特性实现接收信号在时间上的聚焦，自适应地利用多径能量达到增强主径能量的目的，是一种简单有效的抗多径衰落方法。但移动水声信道属于时延、多普勒双扩展信道，时间反转技术只能做到时间上的聚焦，而无法做到频率聚焦，目前针对此问题采取的解决方案主要有先进行多普勒补偿后再时反，但只有在水声信道的各个路径具有相同的多普勒频偏下这种方案才会获得较好的效果，实际由于发射声线到达接收端的角度不同，各个路径具有不同的多普勒频偏，因此其效果不理想。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种移动条件下的时间反转方法。由于多径在时域上表现为时间上的偏移，多普勒在频域表现为频率的偏移以及时域与频域基于傅里叶变换的对偶性，本发明提出了一种时频反转技术，能够同时对多径和多普勒频偏进行聚焦，有效地解决了移动水声信道的双扩展特性所带来的通信性能下降问题。本发明在移动双扩展水声信道下，针对时间反转技术无法同时做到时延和频偏双聚焦的问题，提出了一种时频反转技术，能够同时对多径和多普勒所产生的偏移进行聚焦，有效提高移动水声通信系统的性能。针对时间反转技术无法同时做到时延和频偏双聚焦的问题，其根本原因是时反只能做到在时间上的聚焦，故其所聚焦的各个路径上都带有多普勒频偏，因此本发明利用时域和频域基于傅里叶变换的对偶性，提出了时频反转技术，能够同时做到信道的时频聚焦，改善通信系统的性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的主要步骤如下：
步骤1：发射通信信号s(t)；
步骤2：通信信号s(t)经延迟-多普勒信道后得到接收信号r(t)；
步骤3：建立时频反转信道；
对延迟-多普勒信道进行时频反转，时频反转信道hTFR(τ，v)为：
hTFR(τ，v)＝h(-τ，-v) (1)
步骤4：建立相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000021
在步骤3时频反转信道的基础上乘以相位补偿项，相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000022
表示为：
Figure BDA0002765662270000023
步骤5：令接收信号r(t)通过相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000024
Figure BDA0002765662270000025
其中y(t)为接收信号r(t)经相位预补偿时频反转信道后得到的信号；
步骤6：采用相干解调方式对信号y(t)进行解调；
在接收端恢复出和发送信号相同的载波信号，采用相干解调的方式对信号y(t)进行相干解调，对解调后的码元信号进行抽样判决，大于0的码元判为1，小于0的码元判决为0，即转化成二进制数据，从而完成通信传输。
步骤1中，采用BPSK调制的单载波通信方式，码元长度为T，码元速率为R＝1/T，载波频率为fc，传输带宽为B＝2*R，所发射的通信信号s(t)为：
s(t)＝Ang(t-nT)cos(2πfc(t-nT)) (4)
其中n表示第n个码元符号，
Figure BDA0002765662270000026
当第n个码元信息为1时An＝1，当第n个码元信息为0时An＝-1。
步骤2中，移动水声信道用延迟-多普勒模型进行表示：
Figure BDA0002765662270000027
其中h(τ，v)为延迟-多普勒信道的扩展函数，δ(τ)为冲激函数，P为传播路径数目，hi、τi、vi分别表示第i条路径的传播增益、传播时延以及多普勒频移，通信信号s(t)经延迟-多普勒信道用海森堡变换表示为：
Figure BDA0002765662270000028
其中r(t)为发射信号s(t)经延迟-多普勒信道后得到的接收信号。
本发明的有益效果在于在时延-多普勒双扩展水声信道下，针对时间反转技术无法同时做到时延和频偏双聚焦的问题，提出了一种时频反转技术，能够同时对多径和多普勒所产生的偏移进行聚焦，有效改善移动水声通信系统的性能。
附图说明
图1是本发明的时频反转系统流程图。
图2是采用Bellhop生成的延迟-多普勒信道。
图3是经时频反转处理后的误码率分析。
图4是在不同移动速度下的时频反转和相位预补偿下的时频反转技术的误码率分析。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以下对本发明的方法进一步描述，在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程
步骤1：发射通信信号s(t)
采用BPSK调制的单载波通信方式，码元长度T＝0.0014s，码元速率R＝1/T≈714bps，载波频率fc＝10kHz，传输带宽B＝2*R＝1428Hz，则所发送的通信信号s(t)表示为：
s(t)＝Ang(t-nT)cos(2πfc(t-nT)) (7)
其中n表示第n个码元符号，
Figure BDA0002765662270000031
当第n个码元信息为1时An＝1，为 0时An＝-1。
步骤2：发送信号s(t)经延迟-多普勒信道后得到接收信号r(t)
移动水声信道可以用延迟-多普勒模型进行表示，延迟-多普勒信道的数学模型如下：
Figure BDA0002765662270000032
其中h(τ，v)为延迟-多普勒信道的扩展函数，δ(τ)为冲激函数，P为传播路径数目，hi、τi、vi分别表示第i条路径的传播增益、传播时延以及多普勒频移，本发明基于延迟- 多普勒信道的数学模型采用Bellhop软件建立延迟-多普勒信道，信道参数如下：
发射换能器和接收换能器的布防深度：10m
发射换能器和接收换能器的接收角度范围：-45度～45度
发射换能器和接收换能器水平距离：3km
发射端换能器移动速度：10m/s
每条路径产生的多普勒频偏：fd*cosθi，其中θi为第i条路径到达接收端的角度，fd为主径的多普勒频偏：
Figure BDA0002765662270000041
其中V＝10m/s为移动速度，c＝1500m/s为海洋声速，fc＝10kHz为载波频率，根据以上参数采用Bellhop软件所建立的延迟-多普勒信道模型如图2所示。
发射信号s(t)经延迟-多普勒信道可以用海森堡变换表示为：
Figure BDA0002765662270000042
其中r(t)为发射信号s(t)经延迟-多普勒信道后得到的接收信号
步骤3：建立时频反转信道
假设延迟-多普勒信道被完美估计，即所估计的信道与步骤2建立的信道相同，对步骤2中的延迟-多普勒信道进行时频反转，时频反转信道hTFR(τ，v)表示为：
hTFR(τ，v)＝h(-τ，-v) (11)
步骤4：建立相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000043
在步骤3时频反转信道的基础上乘以相位补偿项，相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000044
可以表示为：
Figure BDA0002765662270000045
步骤5：令接收信号r(t)通过相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000046
Figure BDA0002765662270000047
其中y(t)为接收信号r(t)经相位预补偿下时频反转信道后得到的信号
步骤6：采用相干解调方式对信号y(t)进行解调，对解调后的码元信号进行抽样判决，大于0的码元判为1，小于0的码元判决为0，即转化成二进制数据，从而完成通信传输。
在接收端恢复出和发送信号相同的载波信号，采用相干解调的方式对信号y(t)进行相干解调。
图3是把步骤5所采用的相位预补偿下的时频反转信道
Figure BDA0002765662270000051
替换成步骤3的时频反转信道hTFR(τ，v)，然后重复上述步骤100次，每次所发送的码元个数为10000个，最后得出不同信噪比下基于BPSK调制的单载波通信和经时频反转处理后基于BPSK 调制的单载波通信误码率分析，由图3可以看出，采用时频反转处理后的通信系统具有更低的误码率，即所提出的时频反转技术能较好地改善通信系统的性能
图4是在信噪比为0dB的基础上，即SNR＝0dB，把步骤2中所建立的延迟-多普勒信道中的移动速度更改为0～100m/s，按照上述步骤重复10次，每次所发送的码元个数为10000，最后得出在不同移动速度下时频反转技术和相位预补偿下的时频反转技术的误码率分析，可以看出，在移动速度较低的情况下，时频反转技术和相位预补偿下的时频反转技术具有相似的误码率性能，但是随着移动速度的增加，时频反转的误码率逐渐上升，而基于相位预补偿下的时频反转技术的误码率基本保持不变，可以看出，在高速移动情况下，相位预补偿下的时频反转技术具有更好的通信性能。

Claims (3)

1.一种移动条件下的时间反转方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：发射通信信号s(t)；
步骤2：通信信号s(t)经延迟-多普勒信道后得到接收信号r(t)；
步骤3：建立时频反转信道；
对延迟-多普勒信道进行时频反转，时频反转信道hTFR(τ,v)为：
hTFR(τ,v)＝h(-τ,-v) (1)
其中τ表示传播时延，v表示多普勒频 移，h(-τ，-v)为延迟-多普勒信道的扩展函数；
步骤4：建立相位预补偿下的时频反转信道
Figure FDA0003120978030000011
在步骤3时频反转信道的基础上乘以相位补偿项，相位预补偿下的时频反转信道
Figure FDA0003120978030000012
表示为：
Figure FDA0003120978030000013
步骤5：令接收信号r(t)通过相位预补偿下的时频反转信道
Figure FDA0003120978030000014
Figure FDA0003120978030000015
其中y(t)为接收信号r(t)经相位预补偿时频反转信道后得到的信号；
步骤6：采用相干解调方式对信号y(t)进行解调；
在接收端恢复出和发送信号相同的载波信号，采用相干解调的方式对信号y(t)进行相干解调，对解调后的码元信号进行抽样判决，大于0的码元判为1，小于0的码元判决为0，即转化成二进制数据，从而完成通信传输。
2.根据权利要求1所述的一种移动条件下的时间反转方法，其特征在于：
所述步骤1中，采用BPSK调制的单载波通信方式，码元长度为T，码元速率为R＝1/T，载波频率为fc，传输带宽为B＝2*R，所发射的通信信号s(t)为：
s(t)＝Ang(t-nT)cos(2πfc(t-nT)) (4)
其中n表示第n个码元符号，
Figure FDA0003120978030000016
当第n个码元信息为1时An＝1，当第n个码元信息为0时An＝-1。
3.根据权利要求1所述的一种移动条件下的时间反转方法，其特征在于：
所述步骤2中，移动水声信道用延迟-多普勒模型进行表示：
Figure FDA0003120978030000017
其中h(τ,v)为延迟-多普勒信道的扩展函数，δ(τ)为冲激函数，P为传播路径数目，hi、τi、vi分别表示第i条路径的传播增益、传播时延以及多普勒频移，通信信号s(t)经延迟-多普勒信道用海森堡变换表示为：
r(t)＝∫τ∫νh(τ，ν)s(t-τ)ej2πν(t-τ)dτdv (6)
其中r(t)为发射信号s(t)经延迟-多普勒信道后得到的接收信号。
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