（信号与信息处理专业论文）基于ts101的嵌入式通信发射机的研制.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 本文深入研究了基于t s l 0 1 的多d s p 处理器的嵌入式通信发射系统的设计 及实现；按照该系统的技术指标要求，完成了水声通信编码器的软硬件设计和 调试，阐述了功放和宽带换能器的匹配方法，介绍了两种常用通信调制信号的 产生方法，研究了限幅法减小o f d m 信号的峰值平均功率比的性能j 本文所设 计的系统是在现有d s p 处理扳的基础上增加一块编码器背板，在分析各种可能 的实现方法后，选择了对原系统影响最小的方案实现，它能产生任意编码的长 时间连续波形信号。实验表明，该发射系统应用于水下通信，可满足通信的各 种编码需求。 本论文的主要工作和研究成果包括以下几个方面： 详细讨论了水声通信系统的构成以及各部分的实现；结合实际通信的需要， 介绍了水声通信的信道特点以及误差和于扰来源；讨论了m f s k 和o f d m 这两 种调制方法的原理，及相应的时域波形产生方法；讨论了o f d m 调制过程中所 遇到的峰值平均功率比的问题及解决方法( 限幅法减小峰值平均功率比的性 能) 。 结合通信编码器的研制，分别从硬件和软件两个方面来介绍编码器的设计。 在介绍已有的信号处理硬件系统后，分析了各种扩展方案的优缺点，选取一种 最佳的方案；硬件方面，研制并设计了用于水声通信的通信编码器硬件电路， 介绍了电路各部分实现；在软件方面，介绍了设计过程中使用到的两种软件， 以及在编程过程中需要注意的问题，最后，详细研究了系统产生信号波形的原 理、程序设计流程图、以及在实时计算数据时的一些细节问题。 结合整个系统的调试和功能测试，对系统实现过程中的一些问题进行详细 的阐述。从d s p 和f p g a 两个芯片程序的配合设计，介绍了系统中某些功能及 时序的设计，给出了整个系统的设计流程，介绍了两种中断服务程序，以及实 时计算数据时遇到的一些细节问题；以正弦信号为例，对输出信号进行测量， 并分析误差的原因 通过实验来验证产生信号是否满足通信要求。用编码器分别产生m f s k 和 o f d m 两种常用的通信信号波形，对其采样后使用相应的解码程序分别进行解 西北工业大学硕士学位论文 调，将解调后的信息与发射信息作比较。实验证明，通信编码器产生的信号是 正确的，能够应用于实际的水声通信。 结合功率放大器和宽频带电声换能器的匹配问题，介绍了一种实现宽频带 匹配的串并联复合匹配方案，它能实现在整个通信频带内使信号的发射声源级 起伏在限定的范围内。 关键词：t s i o i ：限幅法；水声通信；编码器；电匹配 n 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o na b o u te m b e d d e dc o m m u n i c a t i o n e n e o d e rs y s t e mb a s e do n m u l t i p l ec h i p so f t s l 0 1 锄s t u d i e dt h o r o u g h l y a c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a ld e m a n d s , t h eu n d e r w a t e rc o m m u n e a t i o ne n e o d c ri sd e s i g n e da n d r e a l i z e d 1 km a t c hb e t w e e np o w e r a m p l i f i e ra n db r o a d b a n dt r a d u c e ri ss t u d i e di n t h e o r y 硼1 eg e n e r a t i o nm e t h o d so f t w ot y p i c a le o m m t m i e a t i o ns i g n a l sa r ci n t r o d u c e d 1 1 把c a p a b i l i t yo fd i p p i n gm e t h o du s e dt om i n i s ht h ep a r po fo f d ms i g n a l si s s t u d i c di nd e t a i l c o n s i d eo ft h el i m i t e as o f t w a r ea n dh a r d w a r e “络o u r c e t h eb e s t r e a l i z a t i o no ft h ee n e o d e rs y s t e mi sd e t e r m i n e da l t e rs e v e r a lp o s s i b l es o l u t i o mh a v e b e e na n a l y z e d i tc a l lg e n c r 如l o n g - d u r a t i o nc o n t i n u o u sw a v e f o r mo fa r b i t r a r y e n c o d e ds i g n a l e x p e r i m e n t si n d i c a t e 也砒t h eo u t p u ts i g n a l sg e n e r a t e db yt h i s e n c o d e rs a t i s f j rv a r i o u sr e q u i r e m e n t su l l d e r w a t e re o n m m t m i e a t i o n m a i nw o r k sa n d a c h i e v e m e n t s 躺s u m m a r i z e d 船f o l l o w s ： i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r e ，t h ed e s i g n so fh a r d w a r em a df l o l e t w a r e 搬 p r o p o s e d , h a v i n gi n t r o d u c e dt h es t i u c t u r c so ft h ee x i s t e dd s l s y s t e m , s e v e r a l p o s s i b l ec i r c u i te x p a n d e ds o l u t i o n s l u e a n a l y z e d i nt h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a f t e rt h eo p t i m a ls o l u t i o ni sp r o p o s e di nd e t a i l ，t h ee n e o d e rh d w a r e e i r e i u tu s e di nt h eu n d e r w a t e re o m m i n i e a t i o ni sd e s i g n e d , a n de a e l ap a r to ft h e i e a l j z a l i o l li ss t u d y e di nd e t a i l t w os o t t w a r e su s e di nd e s i g np r o c e s s 撇i n t r o d u c e d , m l u d i n gs e v e r a lp r o b l e m st h a ts h o u l db ea d v e r t e di ns o t l w a r ep r o g r a m i n g a tl a s t , i n c l u d i n gs t r u c t u r eo fe n c , o d e r , t h e o r yo fw a v e f o r mg e n e r a t i o n , d 自| l 铡f l o w , a n d s e v e r a le 伍e i e n tc i r c u i td e s i g nm e t h o d sa s t u d i e di nd e t a i l i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r e , t h ed e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea i e p r o p o s e d h a v i n gi n t r o d u c e dt h es m l e t m c so ft h ee n e o d e ra n de x i s t e dd s ps y s t e m , s e - v e r a lp o s s i b l ec i r c u i te x p a n d e ds o l u t i o n sa t ea n a l r z e di nt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s 1 1 ”o p t i m a ls o l u t i o ni sp r o p o s e di nd e t a i l i n c l u d i n gs t r u c t u r eo f e n c o d e t , t h e o r yo fw a v e f o r mg e n e r a t i o n , r e a l i z a t i o nf l o w , a n ds e v e r a le 丘i e i e n t c i r c u i td e s i g nm e t h o d s t w os o f l w a l 岱u s e di nd e s i g np r o c e s s 辨i n t r o d u c e d i n c l u d i n gs e v e r a lp r o b l e m st h a ts h o u l db ea d v e r t e di ns o t t w a r ep r o g r a m i n g c o m b i n i n gw i t ht h ed e b u g g i n ga n dt h ec a p a b i l i t ye v a l u a t i o no ft h ew h o l e s y s t e m , s e v e r a lp r o b l e m sw h i c ha p p e a r e dd u r i n gt h es y s t e md e s i g np r o c e s sa i 西北工业大学硕士学位论文 e x p a t i a t e d s o m ef u n c t i o na n dt i m es e q u e n c e so ft h es y s t e ma r ci n t r o d u c e d , t h e d e s i g nf l o wo ft h ew h o l es y s t e mi sp r e s e n t e d ；t w oi n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e sa n d s o m ed e t a i l si nt h er e a l t i m ed a t ag e n e r a t i o na r ei n t r o d u c e d a tl a s t ，f o rt h ee x a m p l e o f s i n es i g n a l ，t h es y s t e mo u t p u to f t h es i n es i g n a li sm e a s u r e d ，a n dt h ee r r o rr e a s o n i sa n a l y s e d t h ev a l i d i t yo ft h eg e n e r a t e ds i g n a li sp r o v e db yas i m p l ee x p e r i m e n t a f t e r g e n e r a t i n gt h ec o m m u n i c a t i o ns i n g a lw h i c h m o d u l a t e db ym f s ko ro f d mm o d e ， b o t ho ft h es a m p l e dd a t ao ft h et w oo u t p u ts i g n a l sa 陀d e m o d u l a t e d , t h e nt h ed a t a a i d e rd e m o d u l a t i n ga n dt h ed a t ab e f o r el a u c h i n gw i l lb ec o m p a r e d e x p e r i m e n t i n d i c a t e ，t h es i g n a lw h i c hg e n e r a t e db yt h ee n c o d e ri sr i g h ta n ds a t i s f ya l l r e q a r i e m e n t ao f t h eu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n t h es e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o nc i r c u i ts y s t e mw h i c ha p p r o p r i a t e sf o rb r o a d b a n d r r l l s d u c e ri si n t r o d u c e d ；t h es v lo f t h ep a s s b a n ds i g n a lc a nb em a d et of l u c t u a t ei n t h e3 d br a n g e k e y w o r d ：t s l 0 1 ；c l i p p i n g ：u n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n ；e n c o d e r ； e l e c t r i c i l ym a t c h i n g i v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交 的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知，除文中已经注明引用的内器和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 ， ， 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 2 曲7 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 。1 序言 第一章绪论 水下无线通信系统对于开发水下资源，海洋资源探测，国家海防方面都有 积极的意义。由于水下通信信道非常复杂，为了得到较好的信息传送，传统的 做法是使用光缆来进行数据和信息的通信，但这就使得通信两端的载体必须通 过光缆相连接。为了进行水下的点对点无线通信，必须使用声音作为通信的媒 介，选用各种调制解调方式来实现。 3 1 水下无线通信系统包括两个部分，发射部分和接收部分，这两个部分可以 是相互独立的，也可以是相互联系的。嵌入式的硬件系统能够实现水下的无线 通信，其信号接收部分可以使用声纳或者鱼雷自导的硬件设备，发射部分可以 在接收处理系统的基础上增加数模转换模块，再配合功率放大以及发射换能器 ， 来实现。由于水声通信的频率低、相对带宽大( 鸟7 乃) ，其发射部分与空中移动 ，j0 通信的发射机相比，需要有良好的宽带响应特性。 1 2 嵌入式水下通信发射系统 1 2 1 什么是嵌入式系统 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们 生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子，而恰恰由于这种范围的扩 大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。 根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助装置、机器和设备运行的装置”( 原文为d e v i c e s u s e d t oc o n t r o l 。m o n i t o r , o r a s s i s tt h eo p e r a t i o n o f e q u i p m e n t , m a c h i n e r y0 1 p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定 义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盏机械等附 属装置。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普 遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括 操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人 员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式 微处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低。 1 2 2 嵌入式水声通信发射机 嵌入式的水声通信系统由接收部分和发射部分构成，它主要是以四片d s p 芯片为处理器，其它芯片作辅助，兼有a d 、d a 变换电路，构成的嵌入式通 信系统硬件，并在其基础上开发相应的软件程序，实现水声各种方式的点对点 通信。d s p 芯片采用a d i 公司的n g e r s 扎r c l o l ( 简称t s l 0 1 ) 处理器，它支 持嵌入式的各种系统，另外还支持a d i 公司自己的v i s u a l d s p + + k e r n e l ( v d k ) 实时操作系统。本文在实际的应用中并没有涉及到操作系统方面的研究，只是 在d s p 裸机上编写相应的c 代码，实现水声通信的各种需要。 水声通信发射机主要由以下几个部分组成这四部分可以分开设计，然后 进行电气连接。 图1 1 水下通信发射系统构成 嵌入式信号处理系统采用d s p + f p g a 的形式构成，d s p 完成系统的计算和 处理任务，f p g a 实现控制系统程序的加载、各种芯片控制时序的产生、看门 狗电路的产生。这样能充分发挥d s p 的计算能力和f p g a 的时序控制能力，使 系统产生出最大的效能。 通信编码器的运算模块利用接收机信号处理机的剩余计算能力，即其中的 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 一片d s p ，本文的主要工作是在其基础上增加的一个波形输出子系统，用于产 生通信需要的各种信号。它的特点就是结合d s p 的计算能力，能够产生任意所 需要发送的信号，并且实现长时间连续不问断发送。所谓长时问连续不问断， 是指信号持续时间长，传送两种不同信号时不需要停顿，产生的信号不丢点。 为了节省电能，延长电池的使用时间，采用效率较高的线性d 类功率放大 器。理论上，d 类功放推动管的效率接近于1 0 0 ，实际d 类功放工作时的效 率一般在8 0 以上，远远高于a 类( 5 0 以下) 、改进的b 类或a b 类( 7 5 以 下) ，这对于独立的水下通信载体来说是很必要的。 为了得到较大的数据率，必须使用宽带通信技术，相对应的换能器也必须 选用宽频带的电声换能器。选用镶拼圆管换能器，采用压电陶瓷材料将电信号 转化为相应的声信号，在小信号测试条件下，它能产生1 4 0 d b n 左右的发射响 应级。 1 3 本论文内容的安排 本文紧密围绕通信发射系统的设计，分别从不同的方面来阐述通信发射系 统的应用环境、软件设计、硬件设计、系统调试以及系统实验。下面将本文完 成的主要工作及各章节的安排介绍如下。 第二章主要介绍水声通信系统的理论。先从两种不同的通信模式的水声通 信系统来介绍水声通信系统的组成；其次，介绍两种通信信号：m f s k 和o f d m 。 分别介绍了两种信号的产生办法及o f d m 信号的峰均比的问题，以及限幅法减 小峰均比的性能分析。 第三章介绍了系统的硬件设计。着重研究了通信编码器的研制方案和电路 设计，对已有信号处理系统的硬件资源也进行了较详细的介绍。 第四章简要介绍系统设计中使用的软件，系统中主要使用了 s u a l d s p h _ 4 0 和q u a r t i l s 来进行系统的软件设计。主要介绍了两种软件的使 用，以及在编写程序过程中所要注意的问题。最后介绍了系统的主要程序设计。 第五章介绍了系统的调试及性能测试实验。首先，对系统调试的工作平台 进行了详细的介绍；其次，对通信编码器输出端的信号进行铡量，从理论上分 析误差来源；接着，给出所产生的m f s k 和o f d m 信号波形，并进行解码实验， 得到了正确的解码数据，表明编码器工作正常；最后。给出了功放与换能器匹 配的方法。 第六章对全文进行了总结。 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 第二章水声通信系统介绍 水声通信系统的全称是水下声通信系统( u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i - c a t i o ns y 咖a ) ，它是在水下以声音作为媒介来传送有用信息的通信系统的总 称。水声通信的研究相对于无线通信来说起步较晚，这不仅与水下声通信的信 道复杂、多变，也与水下通信的应用领域相对狭小有关。现阶段，水声通信主 要应用于军事领域，随着国民经济的飞速发展，以及海洋资源开发进程的加快， 相信水声通信在民用领域也会有更多更广泛的应用。 虽然各种f s k 、p s k 、q a m 调制在水声数字通信系统中正起着重要的作用， 一些研究人员已经开始研究新的调制技术如多载波调制( m c m ) ，以期减小信道 多途的影响，有效提高带宽利用率，实现高速数据传输。多载波调制可以通过 多种技术途径来实现。其中，m f s k 是在f s k 的基础上进行改进的一种方法， 它在保留f s k 的一些优点时，提高了通信的数据率；另外，正交频分复用( o h ) d 由于其传输速率快、抗多径能力强，在高速无线电通信中得到越来越多的应用， 是当前研究的一个热点。 2 1 水声通信系统的组成 水声通信系统作为一个有机的整体，可以有多种实现方法，一种是水下的 点对点通信，类似于对讲机模式的通信，通信系统中的各个节点之间的通信信 号或频率都是设定好的，通信中只是与指定的节点进行通信；另外一种就是组 两通信，类似于移动通信，包括基站和移动节点。 水下通信和无线通信一样，传输方式分为单向传输( 广播式) 和双向传输 ( 应答式) 。双向传输有单工、双工和半双工等三种工作方式。半双工通信与双 工通信类似，区别是需要按下开关切换到发射或者接收状态 7 1 点对点模式水声通信中的每一个节点，不仅要求它能够接收处理来自外界 的信息，并且把本节点的信息传送出去。在无线通信系统中，通常双工复用模 式有两种，这两种模式同样可以用于水声通信一种是按频率划分为上行链路 和下行链路信道，这种方法称作频分双工( f d d ) ，图2 一l 绘出了它的一种实现， 由接收水听器、接收机、信号处理系统、发射机和发射电声换能器五部分构成。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 圉2 - 1f d d 模式通信系统组成 如果给上行链路和下行链路分配不同的频带，就能够很容易实现频分复用 的双工通信，其优点是上行链路和下行链路都能够不间断工作，缺点是上下行 链路都占用一定的带宽，通信带宽较窄。由于发射机和接收机同时出于活动状 态，因此必须要使用高性能带通滤波器来分离上行链路和下行链路，以避免设 备单元发送和接收之间的相互干扰。 另外一种是上行链路和下行链路使用相同的频率，允许上行链路在当前时 隙内使用该频率，而下行链路可以在下一时隙内使用该频率，这种方法称作时 分双工( t d d ) f s 。图2 - 2 给出了它的一种实现，它使用双工器来控制系统是 接收和发射。 图2 - 2t d d 模式通信系统组成 当可用带宽非常有限，用户不会同时进行发射和接收时，可以选择这种模 式，由于接收和发射使用相同的频带，从而不需要带通滤波器，因此这种t d d 方式是非常具备吸引力的。在全双工方式工作时，与f d d 系统相比，t d d 系 统对于定时同步的要求要高。 5 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 2 2m f s k 信号特点 针对水声信道的特点选择合理的调制方式是高速可靠通信的关键之一。众 所周知，在浅海中、远程距离，多途严重、相位快变的水声信道中，往往采用 f s k 调制的非相干通信方式传输信息。为了增加数据传输的速率，可采用多进 制频移键控0 v 伍s k ) 方式，即以一个频率码元代表一个多位二进制代码的信息。 多载波调制技术是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把可以利用的频带 划分为一系列的子频带，然后将高速数据流分散到这些子频带上进行传输，从 而使子频带上的符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩 展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。 设输入到调制器的比特流为 ，= l ，疗= 一+ 。则2 f s k 的输出 信号形式( 第n 个比特区间) 为 j ( f ) ：j c 0 9 t + p j ) - + 1 ( 2 1 ) 。旧l 吐f + 仍) = 一l 即当输入信号为“+ i ”时，输出频率为z 的正弦波，当输入信号为“一1 ” 时，输出频率为厶的正弦波。i v i f s k 是2 f s k 的直接推广，绝大多数的m f s k 系统，可以用图2 3 所示的方框图表示。其中，串并变换器和逻辑电路将一组 组的输入二进制码( k 个比特组成一组) 对应地转换成有多种状态的一个个的 多进制码( 共埘= 2 个状态) 。当某个组二进码到来时，逻辑电路的输出一方面 接通某个门电路，让相应的载频发送出去；另一方面关闭其余所有的门电路。 于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个多进制频率调 制的波形。输入的二迸制码，经过串并变换之后，可以选用码间距离较大的编 码来映射所要发射的频率，使得码间距小的两个码元映射的频率相差交大 图2 - 3 多频制系统的发射部分框图 6 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 2 3 0 f d m 信号特点 o f d m 是把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的一种多载波 传输方式，它由n 个等间隔并行传输的子载波构成，其各个子载波的频谱相互 重叠但又相互正交。0 f d m 技术的优点是；抗码间干扰能力强、较高的抗衰落 和抗窄带干扰能力、较高的频谱利用率、适用用于非对称传输。其缺点有：对 频率偏移和相位噪声敏感、峰值平均功率比大。o f d m 信号编码简单，通过快 速傅立叶变换即可实现。 2 3 10 f d m 时域信号及过采样 如图2 4 ，通常使用的o f d m 信号，是基于i d f t 或者i f f t 来实现的。加 入的保护间隔能有效防止信道间干扰，将i f f t 变换后数据的最后部分，加到所 有数据的前面即可插入保护间隔。【1 2 j 恒翻熏强翻圆圈 图2 _ 4o f d m 发射信号产生框图 在实际应用中，对于一个o f d m 符号进行n 次采样，或者n 点i f f t 运算 所得到的n 个输出样值往往不能真正地反映0 f i ) m 符号的变化特性，其原因在 于：由于没有使用过采样，当这些样值被送到模数转化器( a d ) 时，就有可 能导致生成伪信号( a l i a s i n g ) ，这是系统中所不能允许的。这种伪信号的表现就 是：当以低于信号中最高频率两倍的频率进行采样时，即当采样值被还原之后， 信号中将不再含有原有信号中的高频成分，呈现出虚假的低频信号。因此针对 这种伪信号现象，一般都需要对o f d m 符号进行过采样，即在原有的采样点之 间再添加一些采样点，构成p n ( p 为整数) 个采样值。这种过采样的实施也可 以通过利用i f f t f f t 的方法来实现，实施i f f t 运算时，需要在原始的n 个输 入值的中间添加( p 1 ) n 个零，而实施f f t 运算时，需要在原始的n 个输入 值的后面添加( p 一1 ) n 零。 以t 为采样间隔得到的时域采样信号的傅立叶变换是由时域连续信号的傅 立叶变换周期重复构成的，其重复周期为l 厂r 如果对时域信号实施p 倍过采 样，即采样间隔变为t p ，则其相应的傅立叶变换的重复周期就会变为p r r 。而 时域连续信号的频谱宽度又保持不变，因此从频域来看，也相当于在连续信号 带宽之外补零，而在职f t 运算中，相当于在频域数据中间插入零。 h i 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 对于基带信号，若想得到相应的时域的o f d m 信号，只需在频带数据后补 上相应的零，然后作i f f t 即可实现时域的过采样。若想要将信号调制到一定的 频带范围内，并且其起始频率不为零的话，同样也可以用相同的方法，只不过 是在数据的前后都补上零，对于补零的个数有相应的计算方法比如说信号频 率范围为4 k - 1 0 k ，采样频率为1 0 0 k h z 。如果要给这6 k 带宽给7 个子载波，那 么每个频点之间的间隔为l k h z ，那么就需要补充相应个数的零，数据前补上4 个，后面补上8 9 个，总共1 0 0 个有效数据，对这1 0 0 个数作1 0 0 点的i f f t ， 然后按照采样频率1 0 0 k h z 的时间间隔合成，即可以得到相应的时域波形信号。 对于其它频点使其为零，也就是说，如果要将信息调制到4 k - 1 0 k 上，并使得 0 - - 4 k 频率处补零，对于1 0 k 以上的频率也补零，然后再作i f f t ，这样产生的信 号就在4 b 1 0 k 频率范围内。如果对1 0 k 以上的频段增加补零个数，对应到时域 中，就是增加时域的采样频率，也就是产生的信号更好的反映了信号随时间的 变化特性一 例如，对于二进制输入序列 o ，1 ，l ，l ，l 】，假设要求其调制到3 b 7 k 上， 那么对其0 3 k 上补零，然后在其后也补零实现过采样，也就是对序列前后都补 零。图2 - 5 实施过采样与不采用过采样的情况下，作i f f t 运算的输出模值。 圉2 - 5 载波调制的i f f t 过采样示意固 如图2 - 6 给出了一块o f d m 信号的时域波形图。其中，上面的一幅图给出 8 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 了o f d m 信号的幅值随时间的变化，下面的一幅图为o f d m 信号的实部随时 间的变化曲线。采用q p s k 星座调制，子载波数n = 2 0 0 ，作i f f t 或f f t 的点 数n f f t = 4 0 9 6 ，信息前补n _ f l o w = 1 2 0 个零。 毯 馨 倒 量 时闻 圈2 - 8o f d m 信号幅值及实部波形 2 3 2o f d m 信号峰值平均功率比 o f d m 系统一个主要缺点是峰值功率与平均功率比，简称峰均比 p a p r ( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 过高的问题，即相对于单载波系统而言， o f d m 发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动。这将要求系统内的一些部 件，例如功率放大器、a d 、d a 转换器等具有很大的线性动态范围。而反过 来，这些部件的非线性也会对动态范围较大的信号产生非线性失真，所产生的 谐波会造成子信道间的相互干扰，从而影响o f d m 系统的性能。 与单载波系统相比，由于o f d m 符号是由多个独立的经过调制的子载波信 号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率( p e a k p o w e r ) ， 由此会带来较大的峰值平均功率比。峰均比可以定义为： p a p r ( d b ) 1 o l 。9 1 。弓黎替 ( 2 - 2 ) 9 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 其中工。表示经过i f f t 运算之后所得到的输出信号。对于包含n 个子信道 的o f d m 系统来说，当n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的信号的峰 值功率就会是平均功率的n 倍，因而基带信号的峰均比可以为： p a p r = 1 0 l o g mn ，例如，n = 2 5 6 的情况中，o f d m 系统的p a p r - = 2 4 d b ，当然 这是一种非常极端的情况，o f d m 系统内的峰均比通常不会达到这一数值。对 于未经过调制的载波来说，其j 凇尼= o d b 。图2 7 以当n = 1 6 为实例，说明了 o f d m 系统中存在较大的p a p r 的这种现象。该例是在b p s k 调制下，输入的 n 个子信号同相位时，采用4 倍过采样作i f f t 画出的o f d m 信号图形。 f | 一 ： ：，： - ： ： f 心。 。 矿一v 蹶v 扒万、刷州 e81 01 21 4 o f i r 图2 - 7n = 1 6 的o f d m 系统中存在较大的p a p r 问题的示意图 根据中心极限定理可以得知，只要子载波个数n 足够大，就可以判断x ( t ) 的实部和虚部都将遵循高斯分布，其均值为零，方差为0 5 ( 实部和虚部各占 整个信号功率的一半) 因此可以得知，o f d m 符号的幅值r 服从瑞利分布( 图 2 - 8 上) ，其概率密度函数为儿( ，) = 2 r e 一而其功率分布则要服从两个自由度的 中心z 2 分布( 图2 - 8 下) ，其中均值为零，方差为1 ，而容易得知，自由度为 二的中心z 2 分布的概率密度函数为p 。0 ) = e 一，因此可以计算得到其累积分 布函数( c d f ) 为：【1 4 】 p p a p r s 力= ( 力= i e x p ( - ) ，) 砂= l 一畈一力( 2 - 3 ) i 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章水声通信系统介绍 现在我们计算每个o f d m 符号峰值功率的累积分布函数。假设o f d m 符 号周期内每个采样值之间都是不相关的( 在没有采用过采样的时候，这一点是 比较容易实现的) ，则o f d m 符号周期内的n 个采样值当中每个采样值的p a p r ( 由于平均功率归一化，所以也就是其功率值) 都小于门限值z 的概率分布应 该为： p p ，4 p 足s z ) = 。f ：0 。( z ) = ( 1 一p 。) ( 2 - 4 ) c d f 的互补函数c c d f ( c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) ， 即c c c d f = 卜c c w 来描述信号峰平比的分布，根据c