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FRFT-OFDM水声通信系统均衡技术的研究

王春霞  
【摘要】:正交频分复用(OFDM)技术具有抗多径衰落能力强、频谱利用率和数据传输速率高等特点,因而在通信中得到广泛应用。但水声信道因其狭窄的工作频带和梳状的幅频响应特性,使得OFDM系统受到频率选择性衰落的影响而降低了系统的性能。基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform, FRFT)的OFDM (FRFT-OFDM)水声通信系统,用分数阶傅里叶变换代替了传统OFDM系统中的傅里叶变换进行调制与解调,采用线性调频(LFM)信号作为子载波,可以有效对抗频率选择性衰落,改善系统的通信质量。为了进一步提高系统的性能,FRFT-OFDM系统还有很多关键技术需要解决和改善,均衡技术就是其中之一。本论文主要研究FRFT-OFDM系统的均衡技术,在对该系统的均衡技术研究中,本论文主要做了以下工作:首先,对水声信道的特性以及相干多途信道模型进行了研究,并利用射线声学理论建立简单的信道模型;研究了分数阶傅里叶变换的定义、性质以及数值计算;重点研究了FFT-OFDM和fFRFT-OFDM系统的基本原理、正交性、系统模型和调制解调的实现,在理论上对两个系统的抗噪性能、应对多途效应性能和抗多普勒能力方面做了比较和分析,并进行计算机仿真,结果表明在相同的信道条件下,FRFT-OFDM系统的误码性能较FFT-OFDM系统有很大的提升。其次,由于FRFT-OFDM系统中分数阶卷积的特性不同于频域卷积的特性,使得传统频域的一些均衡算法无法直接在FRFT-OFDM系统中应用。针对上述问题,本文根据分数阶傅里叶变换的阶数叠加性质,提出了一种基于频域的FRFT-OFDM水声通信系统均衡模块。该均衡模块首先将经过水声信道的时域信号进行FFT变换得到频域信号,在频域进行均衡处理后,再进行分数阶傅里叶阶次变换恢复出信号。本文同时对传统频域的均衡算法,包括迫零均衡算法和最小均方误差均衡算法以及自适应LMS均衡算法和自适应RLS均衡算法进行了研究,并通过计算机仿真,结果表明自适应RLS算法的效果最佳,迫零均衡算法最差。最后,本文还研究了时间反转镜技术的原理和分类以及判决反馈均衡技术的原理,由于水声信道严重的时延扩展使得判决反馈均衡中滤波器阶数很高,增加了系统的复杂度,而时间反转镜技术在均衡过程中无法完全消除码间干扰。针对两种均衡方法的不足,本文将时间反转镜技术与判决反馈均衡相结合,通过判决反馈均衡,来克服时间反转处理后的残余码间干扰,并通过时间反转镜技术处理,来减小判决反馈均衡器的延迟节数量,两者相互促进,改善了多径条件下系统的通信质量。进一步地用仿真实验验证了该方法在FRFT-OFDM系统中的可行性,仿真的误码率曲线和星座图表明该方法较未均衡和时间反转镜技术下系统的误码性能要好,能够完全分离出相位信息。


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