CN112910814B - 一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，包括：引入不同的波形个数产生不同消除旁瓣效果，获取水声通信多载波调制部分的响应系数M；将原始IDFT矩阵中的每一子载波向量按照基本步长时移M次，获取新调制矩阵P；发送端对数据b进行编码得到序列c，利用新调制矩阵P对编码后的数据c进行调制，调制后的数据x加上循环前缀，输出的数据经过并串变换后进行数模转换，最后发送到水声信道；将接收到的数据依次进行模数转换、串并变换以及去除循环前缀得到x'，基于新调制矩阵的逆变换进行解调得到c'，最后对解调后数据进行解码，恢复原始数据。

Description

一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，提高了水声通信传输的可靠性和频谱效率。
背景技术
水声通信的可靠性受到水声信道多径效应、带宽受限以及多普勒频移等干扰的影响。单载波通信依赖于接收端均衡技术克服多径水声信道造成的符号间干扰问题，但随着数据传输速率的增加，符号间干扰加剧，对均衡器的复杂度要求提高。多载波通信不需要复杂的均衡器，在不降低通信可靠性的同时可以提高传输速率。其中，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术被广泛应用于水声通信，其将可用信道划分为多个正交子信道并行传输。
然而，由于水声信道多径时延相较于陆地无线信道更长，符号间干扰在OFDM水声通信系统中更加严重，目前主要有两种方式减轻符号间干扰：第一增加传输符号长度，使其大于信道最大时延，增加符号长度需要在有限带宽内增加子载波数目，这将导致子载波间隔减小，使系统更易受到多普勒频移影响；第二加入循环前缀，循环前缀可以对抗多径带来的干扰，但其引入将降低系统的频谱效率。同时，传统的OFDM技术采用方波作为成型脉冲导致频域存在旁瓣问题，将加剧子载波间干扰。其他多载波调制技术，如滤波器组多载波调制(Filter Bank Multi Carrier，FBMC)技术、广义频分复用调制(Generalized FrequencyDivision Multiplexing，GFDM)技术通过滤波器组设计对子载波频域波形成型以消除旁瓣问题，但滤波器设计将给系统带来额外运算复杂度。
部分响应编码(Partial Response Coding，PRC)最初被应用于单载波通信系统，通过在时域对符号间引入相关性，来改变信号波形的频谱特征，使信号频谱变窄且时域波形拖尾减小。近年来，部分响应作为一种编码方式被引入OFDM系统中，但需要通过复杂的系数设计和解码方式实现抗载波间干扰和降低峰均比等功能。
发明内容
本发明提供了一种基于部分响应的水声通信多载波调制(Partial ResponseMulticarrier Communication，PRMC)方法，本发明将其应用于水声信道，解决水声通信中可靠性低、频谱效率低的技术问题，在保证不增加系统额外运算复杂度的前提下，提高水声通信可靠性和频谱效率，详见下文描述：
一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，所述方法包括：
引入不同的波形个数产生不同消除旁瓣效果，获取水声通信多载波调制部分的响应系数M；
将原始IDFT矩阵中的每一子载波向量按照基本步长时移M次，获取新调制矩阵P；
发送端对数据b进行编码得到序列c，利用新调制矩阵P对编码后的数据c进行调制，调制后的数据x加上循环前缀，输出的数据经过并串变换后进行数模转换，最后发送到水声信道；
将接收到的数据依次进行模数转换、串并变换以及去除循环前缀得到x'，基于新调制矩阵的逆变换进行解调得到c'，最后对解调后数据进行解码，恢复原始数据。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明利用部分响应思想，将离散逆傅里叶矩阵中子载波向量作为处理单元，通过时移引入时域干扰达到频谱整型，从而有效减小了频域旁瓣效应，进而增加了子载波间隔，提高了水声通信系统可靠性；
2、本发明相较于传统OFDM水声通信系统使用更少循环前缀，有效提高了水声通信系统的频谱效率。
附图说明
图1为一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法的流程图；
图2为OFDM调制矩阵与本发明提出的调制矩阵的构成对比示意图；
图3为OFDM调制矩阵与PRMC(阶数分别为2、3、4)调制矩阵的频谱图；
图4为OFDM与PRMC仿真误码率的结果对比示意图。
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。
为了解决背景技术中存在的问题，本发明实施例提出了一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，将部分响应应用于调制解调矩阵设计，通过简单的系数设计减小OFDM频域旁瓣，进而增加子载波间隔，可以在提高系统频谱效率及不增加系统额外运算复杂度同时保证水声通信可靠性。
本发明实施例提供的多载波调制通过改变OFDM系统中的离散逆傅里叶变换(Discrete Inverse Fourier Transform，IDFT)调制矩阵实现。该技术基于部分响应系统时域引入干扰达到频谱整型效果的思想，将IDFT矩阵中每一子载波向量作为处理单元进行时域移位，所产生的新调制矩阵的频域旁瓣相较于OFDM显著减小，进而增大子载波间隔，提高了水声通信系统的传输可靠性及频谱效率。
本发明实施例提供的一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法分为以下几个步骤：
步骤1：PRMC部分响应系数的确定；
OFDM系统中IDFT矩阵的任意子载波为具有相同长度矩形包络的不同频率正弦波，为消除矩形包络所造成的频域旁瓣效应，本发明实施例对原波形引入其他波形，其设计方法如下：
GM(t)＝R1fn(t)+R2fn(t-τ)+...+Rifn(t-(i-1)τ)+...+RKfn(t-(K-1)τ) (1)
其中，fn(t)为频率为n的子载波，GM(t)为PRMC合成波形，N为矩形包络长度(即离散逆傅里叶矩阵大小)，n＝0,1,...,N-1表示频率索引，τ＝N为引入波形与原波形单位间隔即基本步长，i为同一频率下波形个数索引，K为同一频率下波形总数，Ri为部分响应系数。
引入波形个数不同会产生不同消除旁瓣效果，定义M为PRMC系统阶数：
Figure BDA0002898861410000031
其中：
Figure BDA0002898861410000032
步骤2：PRMC调制矩阵的产生；
将原始IDFT矩阵中的每一子载波向量按照基本步长时移M次，所产生的新子载波向量作为新调制矩阵组成元素。设OFDM系统中IDFT矩阵为
Figure BDA0002898861410000041
Figure BDA0002898861410000042
为实数域：
Figure BDA0002898861410000043
其中，fn(t)为频率为n的子载波，t＝0,1,...,N-1表示时间索引。
以fn(t)为处理单元，按照τ＝N为基本步长依次时移M(M＞1)次，可得到的新调制矩阵
Figure BDA0002898861410000044
Figure BDA0002898861410000045
其中，ρn,m(t)为频率为n的子载波的第m次时移向量，δ(·)为冲激函数用于时移，m＝0,1,...,M-1为时移索引。
OFDM调制矩阵与新调制矩阵的构成对比，参见图2。本发明实施例提出的新正交多载波调制矩阵相较于OFDM系统中的调制矩阵旁瓣显著减少，比较结果参见图3。
步骤3：发送过程；
发送端对数据b进行编码得到序列c，利用新调制矩阵(即公式(5))对编码后的数据c进行调制，调制后的数据x加上循环前缀，输出的数据经过并串变换后进行数模转换，最后发送到水声信道。
x＝Pc (6)
步骤4：接收过程；
首先将接收到的数据依次进行模数转换、串并变换以及去除循环前缀得到x'，其次基于新调制矩阵的逆变换进行解调得到c'，最后对解调后数据进行解码，恢复原始数据。
c'＝P-1x' (7)
有益效果
频谱效率的计算
频谱效率表示为单位赫兹下单位时间传输比特数，其计算公式为：
Figure BDA0002898861410000051
其中，S表示单位数据块中传输比特数，T表示传输时间，B表示传输带宽。
根据设计原理，本发明实施例所提出的新调制矩阵为原IDFT矩阵的M2倍，传输一个PRMC数据块的数据量需要传输M个OFDM数据块，由于单位PRMC数据块设置的循环前缀长度与单位OFDM数据块相同，传输单位PRMC数据块所具有数据量，OFDM系统和本发明实施例所提出的PRMC方法所需时间分别为：
TOFDM＝Ts+M×Tcp (9)
TPRMC＝Ts+Tcp (10)
其中，Ts表示数据传输时间，Tcp表示单位循环前缀传输时间。
由此，本发明实施例所提出的PRMC方法频谱增益为：
Figure BDA0002898861410000052
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
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。

Claims (3)

1.一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，其特征在于，所述方法包括：
引入不同的波形个数产生不同消除旁瓣效果，获取水声通信多载波调制部分的响应系数M；
将原始IDFT矩阵中的每一子载波向量按照基本步长时移M次，获取新调制矩阵P，其中M大于1；
发送端对数据b进行编码得到序列c，利用新调制矩阵P对编码后的数据c进行调制，调制后的数据x加上循环前缀，输出的数据经过并串变换后进行数模转换，最后发送到水声信道；
将接收到的数据依次进行模数转换、串并变换以及去除循环前缀得到x'，基于新调制矩阵的逆变换进行解调得到c'，最后对解调后数据进行解码，恢复原始数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，其特征在于，所述引入不同的波形个数产生不同消除旁瓣效果，获取水声通信多载波调制部分的响应系数M具体为：
GM(t)＝R1fn(t)+R2fn(t-τ)+...+Rifn(t-(i-1)τ)+...+RKfn(t-(K-1)τ)
其中，fn(t)为频率为n的子载波，GM(t)为PRMC合成波形，N为矩形包络长度，n＝0,1,...,N-1表示频率索引，τ＝N为引入波形与原波形单位间隔即基本步长，i为同一频率下波形个数索引，K为同一频率下波形总数，Ri为部分响应系数；引入波形个数不同会产生不同消除旁瓣效果，定义M为PRMC系统阶数：
Figure FDA0003270005120000011
Figure FDA0003270005120000012
3.根据权利要求1所述的一种基于部分响应的水声通信多载波调制方法，其特征在于，所述将原始IDFT矩阵中的每一子载波向量按照基本步长时移M次，获取新调制矩阵P具体为：
Figure FDA0003270005120000013
其中，ρn,m(t)为频率为n的子载波的第m次时移向量，δ(·)为冲激函数用于时移，m＝0,1,...,M-1为时移索引；
Figure FDA0003270005120000021
fn(t)为频率为n的子载波，t＝0,1,...,N-1表示时间索引；N为矩形包络长度；τ＝N为引入波形与原波形单位间隔即基本步长。
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