分數階Fourier變換應用于水聲通信及其FPGA實(shí)現

　　摘要：線(xiàn)性調頻信號瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化，其在分數階傅里葉變換域中具有能量聚焦特性，利用這一特性，將分數階傅立葉變換應用于由LFM信號充當信息載體的水聲通信體制中。研究表明：該應用能夠提高系統的抗噪聲干擾、抗多徑干擾和頻率選擇性衰減的能力。并在FPGA上完成了該方法的實(shí)現，驗證了算法的可行性。

　　引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)海洋活動(dòng)增多，水聲通信逐漸嶄露頭角。早期的水聲通信多使用模擬調制技術(shù)^[1][2]，而新的水聲通信系統開(kāi)始采用數字調制技術(shù)。主流數字調制技術(shù)有幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)^[3]。由于水聲信道的特殊性，水聲通信的發(fā)展遠遠滯后。該信道中，線(xiàn)性調頻信號性能優(yōu)良^[4]。線(xiàn)性調頻信號在分數階傅里葉變換域中具有能量聚焦特性，將其應用于水聲通信中，能夠提高系統的抗噪聲干擾、抗多徑干擾和頻率選擇性衰減的能力^[5]。

　　分數階Fourier變換(Fractional Fourier Transform: FRFT)是一種統一的時(shí)頻變換，它用單一的變量同時(shí)反映出信號在時(shí)域和頻域的信息，避免了交叉項的困擾。這使得FRFT比傳統的Fourier變換(Fourier Transform: FT)更適合處理非平穩信號，特別是Chirp類(lèi)信號。FRFT發(fā)展至今，理論研究較多，但將其進(jìn)行硬件實(shí)現的較少。本文基于Ozaktas的分解型算法^[6]，結合數字信號處理方法^[7]，初步研究了基于分數階Fourier變換的U域調制的水聲通信算法，并在FPGA上進(jìn)行了實(shí)現。

　　分數階Fourier變換基本原理

　　分數階Fourier變換的定義

　　Fourier變換是一種線(xiàn)性算子，若將其看作從時(shí)間軸逆時(shí)針旋轉π/2到頻率軸，則FRFT是從時(shí)間軸旋轉任意角α到分數階域(U域)的算子，它聯(lián)系起時(shí)域與分數階域。因此，可認為FRFT是一種廣義的FT。

　　定義在時(shí)域的函數x(t)的p階FRFT是一個(gè)線(xiàn)性積分運算，其定義式為：
???????? ?

　　FRFT可以理解為Chirp基分解。一個(gè)Chirp信號在某個(gè)對應的分數階域(U域)對應一個(gè)沖擊函數。因此，Chirp信號通過(guò)FRFT在某個(gè)分數階域(U域)具有良好的能量聚焦性能。

　　采樣型離散分數階Fourier變換的快速算法

　　由FRFT的定義可知，DFRFT的計算比DFT復雜許多。所以DFRFT在計算上的有效性很重要，一般希望DFRFT的計算復雜度可與FFT相比。DFRFT定義方法可采用直接采樣連續分數階Fourier變換核來(lái)得到DFRFT核矩陣。

　　Ozaktas的采樣型算法由H.M.Ozaktas提出^[8]：根據連續FRFT的積分定義式，將FRFT的復雜積分變換分解為若干簡(jiǎn)單的計算步驟，然后經(jīng)兩步離散化處理得到一個(gè)離散卷積表達式，這樣便可利用FFT來(lái)計算FRFT。因此，這種算法的計算速度幾乎和FFT相當。本文FRFT的FPGA實(shí)現主要采用這種方法，并對這種算法做一個(gè)實(shí)現上的改進(jìn)。

　　Ozaktas的采樣型算法將FRFT分解為以下三步運算：

　　(1)Chirp信號調制原信號x(t)，;?

　　(2)調制信號與另一個(gè)Chirp信號卷積，;?

　　(3)用Chirp信號調制卷積后的信號，。?

　　這種快速算法的機理決定了在進(jìn)行FRFT數值計算前必須對原始信號進(jìn)行量綱歸一化處理，參考文獻^[9][10]提出了兩種實(shí)用的量綱歸一化方法：離散尺度化法和數據補零/截取法。