（水声工程专业论文）mcmfsk水声通信技术研究及其dsp软件实现.pdf

哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t o n c e ，m u l t i p l ef r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ( m f s k ) a n df r e q u e n c yh o p p i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw e r et h ef i r s ts e l e c t i o na st h eu n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o nd e v i c ef o rt h e i rr o b u s tp e r f o r m a n c ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n b u t ，t h ed e c e n tp e r f o r m a n c ew i t hl o wf r e q u e n c ys p e c t r u mu t i l i z a t i o nl i m i t e dt h e i r a p p l i c a t i o ni ne v e r - i n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o nd e m a n d i tw a sm a i n l yd u et ot h e l i m i t e dc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t ha n dt i m e - v a r ya n ds p a c e - v a r yn a t u r eo ft h e 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 nc h a n n e l h o w e v e r , t h ed e v e l o p i n go ft h e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h e m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y a n d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f o rt h e i rh i g h e ru s i n g r a t eo f f r e q u e n c ys p e c t r u ma n ds t r o n g e rc a p a b i l i t yo fm u f t i r o u t e i n t e r r u p tr e s i s t a n c ea n d t h e f r e q u e n c y c h o i c ed e c l i n e ，w e r e w i d e l y u s e di nt h el a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf i e l dn o w s o f t w a r er a d i ow a san e ws y s t e ms t r u c t u r ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h a t w a s p u tf o r w a r dn o w a d a y s ，w h i c ht o o kh a r d w a r ea sa b a s ep l a t f o r mf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dd e p e n d e do ns o f t w a r ea sm u c ha sp o s s i b l et or e a l i z ei t s f u n c t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h ec o m b i n a t i o no fm f s ks y s t e m a n dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw i t ht h es o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y ， a n dp r e s e n t sm u l t i c a r r i e rm f s k ( m c m f s k ) t r a n s c e i v e rs c h e m eb a s e do n s o f t w a r er a d i op l a t f o r m m e a n w h i l e ，t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do n s o f t w a r er a d i ow a sr e s e a r c h e di nt h e o r y p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw a s a n a l y z e da n de v a l u a t e di ns e v e r a la s p e c t st h r o u g hs i m u l a t i o n o nt h eb a s i so ft h e s y s t e m ，f r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i u s e rs y s t e mw a sd i s c u s s e dp r i m a r i l y i nt h ed s ps o f t w a r ed e s i g n ，a c c o r d a n c ew i t hu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l ，a m e t h o do fs y n c h r o n i z a t i o nf l a m ed e t e c t i o nb a s e do nf f tw a sp u tf o r w a r di n t e r m so fs l i d i n gc o r r e l a t i o nt h e o r y t h i sm e t h o dc a na v o i d h a r dr e a lt i m e i m p l e m e n t a t i o n o ft r a d i t i o n a l s y n c h r o n i z a t i o n f r a m ec o r r e l a t i o nd e t e c t i o n 哈尔滨i ：样人学硕十学伊论文 a l g o r i t h mi nt h ed s pp l a t f o r m i na d d i t i o n ，am e t h o do fs y n c h r o n i z a t i o nf r a m ed e t e c t i o nb a s e do nf f tw a s p u tf o r w a r di nt e r m so fs l i d i n gc o r r e l a t i o nt h e o r y i t ，t a k i n ga d v a n t a g eo ft h e e n f f i c i e n ta r to fc o m p u t a t i o no ff f t ，s e t t l e dt h ep r o b l e mt h a tr o u t i n ec o r r e l a t i o n a l g o r i t h md i f f i c u l tt or e a l t i m ei m p l e m e n t a t i o nb a s e do nd s e an e ws i m p l ed o p p l e rc o m p e n s a t i o nm e t h o dt a k e ni n t oa c c o u n tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm c m f s ks y s t e mw a sp r o p o s e d t h em e t h o dc o m p l e m e n tt h e d o p p l e rc o m p e n s a t i o nu s i n gi n t e r p o l a t i o no rd e c i m a t i o n b a s e do nf f ti nt h e d e m o d u l a t i o no fi n f o r m a t i o nw i t h o u ti n c r e a s i n gc a l c u l a t i o n so ft h es y s t e m ，w h i c h w a ss u i t e df o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns u c ha sd s e a tl a s t ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o nr e c e i v e rs y s t e mb a s e do nt h e m c m f s ka n df h m c m f s kw a sp r o v e dt h r o u g ht h et r i a li nt h et a n k k e yw o r d s ：d s p ；m c m f s k ；f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ；d o p p l e r ；m u l t i u s e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垒霪望 日期：弦 睥；月，夕日 哈尔滨一i j 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 海洋是人类生存活动十分重要的领域，随着海洋的开发和人类对海洋世 界的探索，针对如渔业资源的探测开发，海上钻井平台的维护，海底资源的 勘探，海洋环境的监测，及海底地貌和地震图像的传输，海上科学考察，水 下航行器通信，及水下舰艇之间数据传输等的应用需求，水下通信技术成了 现在的研究热点。 1 1 水声通信的研究现状 水声信道通信数据传输要求系统有高的传输速率和低的误码率，而信道 的传输特性在很大程度上决定了通信系统的性能。与其他通信信道相比，水 声信道表现出极其复杂的随机时空频变性、严重的多途扩展、时延扩展和 多普勒扩展特性，以及由此引起的各种衰落特性，使其成为目前已知的最为 复杂的信道之一“2 1 。 另外，声波在水中的传播速度很低( 1 5 0 0 州s ) ，各多途间相对时延就较大， 同一符号的接收信号以梳状结构分布在较宽的时间轴上。多途造成时延扩展 的大小与信号载波频率及海洋环境有关，浅海的最大时延差f 。，在1 0 m s 左 右，并且随着传播距离的减小而增大，可以增大到l o o m s 2 0 0 m s ；深海中的 多途最大时延差f 。，在3 0 0 m s 以上p “”。 而由于接收端与发送端的相对运动引起多普勒效应。多普勒扩展造成接 受信号频率的移动和波形压缩或伸张，严重影响着水声通信的载波跟踪和码 元同步p h 6 1 。因此，水声信道是在时间和频率上双重扩展的信道p 1 。 在这样的信道中进行高速率数据传输是十分困难的，许多无线电信道中 行之有效的通信技术和理论，在水下应用时都遇到新的挑战。特别是在浅海 远程信息传输时，信道被限制在狭窄的海底与海面之间，如何克服多径效应 造成接收信号严重幅度衰落、相位变化和码间干扰( i s i ) 成为最为关键的难题。 许多海洋国家进行了多方面的努力，虽经几十年，但仍未获得有效的解决碍“9 1 。 因此，最初的水声通信研究者自然而然地选择了频移键控( f s k ) 的调制方 法，并且f s k 非相干通信系统一度被认为是在相位快速变化信道( 如浅海中 哈尔溟f ：群人学硕十予：何论文 距离或远距离水声信道等) 中实现稳定可靠水声通信的唯一选择一“1 0 1 。 在研究f s k 非相干通信系统的过程中，为了克服由信道中多径传播所导 致的码间干扰( i s i ) ，人们提出了在非相干系统中使用具有时间间隔的信号， 它们被插入到连续的脉冲之间，以保证在下一个脉冲被到达之前所有的反射 已经到达并被消除。 在8 0 年代以后人们对非相干接收机有持续的研究，虽然在设计方面并没 有取得实质性的改进，由于硬件处理能力的不断提高，通过增加非相干通信 系统的复杂度来提高系统的性能，如使用更多元的频率调制。表1 1 总结了 过去二十年人们研究的一些实际系统，并按开发时间顺序排列，它们的调 制方式都是m f s k ，表中给出了各个系统的细节，如通信距离、数据率、系 统带宽、带宽利用率及误码率等。 表1 1 有代表性的非相干水声通信系统 主要国家开发通信通信速系统带带宽通信 研究者时间距离 盔b p s 宽h z利用率误码率 k m c a t i p o v i e美国 1 9 8 43 01 2 0 05 0 0 00 2 40 0 1 c o a t e s|1 9 8 85 07 51 5 0 00 0 50 0 0 1 c a t i p o v i c 美国1 9 8 9 4 0 5 0 0 02 0 0 0 0o 1 70 0 1 3 0 0 0 0- o 2 50 0 0 1 f r e i t a g 美国1 9 9 0 3 7 2 5 0 02 0 0 0 00 1 30 0 0 0 1 f r e i t a g 美国1 9 9 l2 96 0 05 0 0 0o 1 20 0 0 1 m a c k e l b u r g |19 9 12 o1 2 5 01 0 0 0 00 1 3| s c u s s e l|1 9 9 71 0 02 4 0 05 12 00 4 7i 近些年，国内一些科研单位，对水下非相干通信体制也进行了一些开创 性的研究。例如，哈尔滨工程大学的水声工程学院提出了时延差编码的通信 体制这种方式，湖试的结果显示，在带宽为2 k h z 的时候，信息速率可达到 3 0 0 b p s 1 。西北工业大学航海学院设计的m f s k 系统实现了在l k r n 的距离上 实现了1 0 k b p s 的传输速率。厦门大学许克平教授设计的水声通信系统采用 1 6 进制频移键控，数据传输速率可调，分为6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 b p s ，传输距离 哈尔滨i ：程大学硕十学何论文 在5 k m 1 0 k m 之间。该系统采用了二重频率分集，扩展频谱方式，前向纠错 以及数字频谱分析f f t 等方法”； 在近十多年，相位相干调制技术在水声通信中有了很大的进步，成为水 声通信的研究热点。但是，应用相干技术有两大技术障碍：码阳j 干扰和水声 信道多途干扰。在八十年代初期，相于传输方式的研究进入了一个高潮。在 相干方式的研究中，具有里程碑意义的技术突破是判决反馈均衡和锁相环。 锁相环是至关重要的组成部分。锁相环的技术性能直接影响着接收方的性能。 因此，随着锁相环技术的不断进步，相干通信的性能得到进一步地提高。为 了较好地恢复相位，发射多采用差分相移键控p 1 。 相干通信方式另一个很重要的方面是，近几年发展起来的扩频水声通信 技术。这项技术较明显的优点是抗码间干扰的能力强，扩频技术的应用又进 一步提高了相干通信的性能。 为了更进一步提高相位相干通信系统的性能，还常在系统中采用空间分 集技术，其典型应用形式为基于阵列换能器接收的自适应波束形成和多信道 的均衡一1 。 但是始终相干通信方式存在适用性差的问题，即在一定的海区和一定海 况的条件下，某一速率的相干通信可以在允许的误码率下上作：但是，当上 述条件发生变化，尤其是收发存在相对运动时，接收信号中含有严重的多普 勒频移和随机相位起伏，锁相环已经不能够很好的跟踪接收信号载波的变化。 系统的性能就可能发生巨大的变化。因此，相干通信方式存在很明显的信道 匹配问题。 不过，总的来说，在水声通信中采用相位相干解调并用信号处理方法来 抑制码间干扰达到高速传输己成为可能，但是在复杂多变的水声信道下，还 是非相干接收机以其稳健、可靠、易于实现等优点而处于主导地位。而且， 随着高速通信的需求，新的通信体制相继被提出，如多载波和正交频分复用 等技术。对于非相干系统，通过这些技术的引入，不仅提高了系统的性能， 更重要的是它更利于系统的实时实现。 1 2 多载波m f s k 的应用 早期的非相干调制技术以传统的f s k 为代表，它性能稳健但是数据传输 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 率低，不满足高速通信的要求。后来发展的相干调制技术使数据率有了显著 提高，但是受信道的多途及衰落等影响较大，需要复杂的设备平台以维持低 的误码率，另外带宽利用不充分也是其缺点之一。为了克服码间干扰、提高 通信速率，多载波传输技术便应运而生”卅1 噶1 。 多载波传输的基本思想是将可利用的频带划分为许多子频带，再把要传 输的高速数据流分配到这些子频带上进行并行传输，这样，每个子频带的传 输速率就会大为降低，符号持续时间增长，符号的脉冲宽带小于信道的相干 带宽，从而降低码间干扰的影响。在接收端，分别对这些子频带进行解调， 解出多路低速数据流后，再通过并串转换恢复出高速数据流。 12 1 o 8 世0 8 墨0 4 善0 2 o - o2涮蔓 兀i l ：f 1 ，i 八m i ： f 科 寸一 j ， 瓣 n 4 r 一一 一 一r j 予载波索引号 12 1 o8 世o e 萎o 暑o2 o o2 _ o - l ，一，一j 一j o123 4 587 子载波索s f 号 ( a ) 传统频分复用( b ) 正交频分复用 图1 1 传统频分复用与正交频分复用的频谱 频分复用( f d m ) 技术早在一个世纪以前就被提出，它把可用宽带分成若 干相互隔离的子频带同时分别传送一路低速信号，从而达到信号复用的目的。 各子载波上的被调制数据可以来自同一信号源，也可以来自不同信号源。这 种传统的多载波传输方式复杂性比较高，因为各子载波都需要自己的模拟前 端，同时为了使得接收机可以区分各子频带，各子频带之间必须有足够的间 隔，频谱如图1 1 ( a ) 所示，从而避免经过信道后发生频谱混叠，所以频谱效 率通常很低。但是在这种并行传输体制下，因为各载波上的数据速率较低， 相应的信号的码元符号周期较长并远大于信道的最大时延扩展，从而可以有 效地减小由于信道时延扩展引起的符号间干扰问题。 正交频分复用技术作为多载波调制技术的一种，是当前研究的一个热点。 同时满足高速和克服干扰两个方面的要求，它是将整个可用频带分割成个 4 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 正交子信道，将待传输的高速串行码并行地调制在这些子信道载波上。如图 1 1 ( b ) 所示，各子载波是正交重叠，而不是传统的利用保护频带分离信道的方 式，从而提高了频谱利用效率。 在水下通信发展史上，m f s k 体制就以稳健可靠传输著称卅忙们。不过， 它的主要缺点就是频谱利用率和通信速率低，随着人们对通信速率要求的提 高，加上水声信道又是带宽有限和复杂多途的信道，传统的f s k 通信体制无 论在理论研究还是工程应用上都受到瓶颈制约。但是伴随着多载波通信技术 的发展，m f s k 通信方式结合正交频分复用思想，采用多载波传输，其频谱 利用率和通信速率以及抗多途能力都将大大提高，它同时继承了传统m f s k 通信体制的稳健可靠的性能，又兼容了正交频分复用技术频谱利用率高和多 载波传输技术的抗多途的特点，所以m f s k 通信体制又获得了新的生机。 如由d a t a s o n i c 公司与美国海军命令、控制和海洋监控中心联合研制出的 t e l e s o n a r 系列通信声纳眵。以a t m 8 5 0 为例，它有1 2 8 个可以同时使用的频 率，最高通信速率可以达到2 4 0 0 b p s 。另外根据信道的恶劣程度，可以选择 采用不分集、频率2 分集或更多分集以得到良好的通信性能。这样水声非相 干通信则由d a t s 的8 个频率演变到t e l e s o n a r 的1 2 8 个频率。值得注意的是， a t m 8 5 0 调制和解调时使用了基于i f f t f f t 的正交接收机组，并在i f f t 调 制结束后加入了循环前缀。由于同时有1 2 8 个频率发射，这正类似于正交频 分复用中的子载波概念，所以为了降低整个系统的峰均功率比，a t m 8 5 0 为 1 2 0 个子载波加上了随机相位，这就是多载波通信系统的一个典型实例。 从a t m 8 5 0 可以看出，它可以根据信道特性来设置不同的通信方式，以 其应用起来相当方便，它是利用强大的微处理器d s p 芯片来调制解调的，更 为关键的是这系统有良好的可扩展性、通用性，就像一个平台一样，这正是 目前研究的热点软件无线电的应用口q 口。 1 3 软件无线电在水声通信中的应用 软件无线电由j o e m i t o l a 在1 9 9 2 年作为军事技术相关概念引入以来，由 于它具备的灵活性和开放性，得到了全世界无线电领域的广泛关注1 2 卅忙引。 软件无线电是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托利用软件来 完成以前用专用硬件电路实现的多种数字信号处理功能。从基于硬件、面向 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、 灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理尽量靠近天线。 软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬 件的配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总 线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展1 2 卅口5 1 。图1 2 中给出了软件无线电 结构框图。 图1 2 软件无线电结构图 它把硬件作为无线通信的基本平台，具有通用性、灵活性、开放性的特 点，使系统互联和升级变得非常方便，很可能成为继模拟通信到数字通信和 固定通信到移动通信之后的无线通信以及水声通信领域的又一次突破。 随着水声通信的发展，人们逐渐把各种通信系统应用于工程方面，其中 最典型的就是相干和非相干两种通信方式的发射与接收系统。虽然相干方式 是今年来的研究热点，诸如各种均衡技术、自适应技术等复杂信号算法的相 继提出，相干通信方式在近年来得到极为迅速的发展，以致使水声通信中采 用相位相干解调并用信号处理方法来抑制码间干扰达到高速传输己成为可 能，但在目前只是处于应用研究的初级阶段，这是由于浅海水声信道的非平 稳和频率选择性快衰落特性，以及严重的多普勒频移特性，即使水声通信的 数据率远小于无线电通信的数据率，要保证系统的可靠性，必须实时地自适 应跟踪信道的时变特性，无论是d f e 还是m l s e ( 最大似然序列估计均衡器) ， 均衡器的抽头数都通常要达到上百个，其规模和自适应算法的复杂性，使得 系统的实时实现十分困难p “1 0 1 。 所以，在实际工程应用上，纵观国内外的水下通信设备，绝大部分都是 采用以m f s k 为代表的非相干通信方式而实现的，即使有采用相干方式的， 6 哈尔滨r 稃人学硕十学f 7 ：论文 那也是采用了极其复杂的空间分集技术如基于阵列换能器接收的自适应波束 形成和多信道的均衡，其复杂度可想而知，或者一些用于的非时变平稳信道 中的静态收发系统p h m l 。 然而，传统的非相干接收方式，主要是基于硬件设计的。它不仅缺乏灵 活性，而且难以应用强大而有效的处理算法。这种实现方式，目前往往不予 采用。随着微处理器如d s p 的发展，其性能和功能都得到了巨大的提高。如 对于f d m a f s k 信号，采用传统的方法进行解调，分别需要多个乘法器、积 分器和平方器，实现困难而且不够灵活。但是若根据f d m a f s k 系统的，采 用一种基于f f t 的多载波解调的实现算法，这样算法实现简单、复杂度低且 可靠性好。因为它充分利用m f s k 信号的特点，通过f f t 同时对多路m f s k 信号进行解调判决等处理，而f f t 在d s p 上非常容易实现，所以这就大大改 变传统接收机的收方式，其实，这就是算法软件化的思想。 将算法软件化，一方面，使得算法的灵活性得到了提高。根据不同应用 环境和实际要求，可以灵活地修改算法。同时，将算法模块化，可以使之更 适于工程实现和功能的添加。另一方面，可以充分利用当今功能强大的微处 理器，进而完成实时性的处理要求。而且，可以使处理设备小型化、微型化， 这样不仅减小设备体积，而且降低了功耗。由此，技术的应用范围将较小地 受到环境的影响，适用性大大增强。 当然，从上面的实例可以看出，无论何神通信模式，不论是相干还是非 相干方式，它们的应用从来就没有终止过，而且近年来仍不断发展。这主要 集中在硬件水平的不断提高上一1 。硬件水平的提高为算法的拓展提供了空间。 而且，当硬件发展的一定的水平后，算法的开发可以结合硬件综合考虑，把 算法软件化，这正是本论文立论的出发点。 1 4 本文的研究内容 本文主要研究m c m f s k 通信系统关键技术和系统软件设计，包括单用 户系统和多用户系统的设计及其接收系统的d s p 实现。 第一章介绍了水声通信的发展现状，提出将m f s k 和多载波调制技术相 结合，利用正交频分复用思想，进行系统设计，并引出其接收系统的软件无 线电实现方案。 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 第二章详细介绍了有关软件无线电的基础理论，如多速率信号处理理论： 内插和抽取算法以及快速卷积与相关等，同时介绍了m f s k 通信系统及 f h m f s k 通信系统涉及的主要技术。 第三章介绍了m c m f s k 通信系统模型，对m c m f s k 通信系统设计和 参数选取作了详细的分析，并结合仿真和试验结果详细分析了同步、频偏和 多普勒等对系统的影响。 第四章详细介绍了m f s k 水下接收系统的设计过程。根据水声通信的特 点，提出一种改进的长帧同步快速滑动相关检测方法，该方法解决了在d s p 中长帧同步难以实时实现的问题。同时，为降低变采样率时的计算量问题， 又提出一种基于f f t 的简化的多普勒补偿方法，这种方法几乎没有增加计算 量，它是在解调的同时进行的多普勒补偿。最后，对设计的接收系统进行水 池试验，验证系统的实时接收性能。 哈尔滨f i 稃人学硕十学位论文 第2 章m c m f s k 关键技术研究 2 1 引言 传统m f s k 通信体制的性能稳健可靠，不过其通信速率低和频偏利用率 低。而多载波m f s k 通信系统是m f s k 和多载波调制技术相结合的一种综合 调制方式，它利用正交频分复用思想，使系统频谱利用率和通信速率以及抗 多途能力都大大提高。不过由于水声信道的复杂性，特别是存在着由于相对 运动以及波浪等原因造成的较大的多普勒频率扩展等问题，使m c m f s k 在 水下的实际应用同样遇到挑战。因此，对信道估计和多普勒补偿等理论的研 究也是m c m f s k 接收系统软件无线电实现的一部分，而内插和抽取等多速 率信号处理也是信道估计和多普勒补偿算法的重要基础。 2 2 多速率信号处理 多速率数字信号处理技术能够提高软件无线电的灵活性，在接收端，通 常以远远高于信号带宽的频率对信号进行数字化，这样可以减少对抗混叠滤 波器的要求。但是为了额外的计算量，应该直接将抽样频率降低到最小抽样 频率。此外，为了保证接收机与输入数据同步，通常要求样本速率正好是符 号速率的整数倍：否则，符号会丢失或重复两次。在发射机端，为了减少额 外的计算量，需要以最小的抽样率来生成信号。但是为了减少对内插滤波器 的要求，需要在模数转换前提高抽样率口。 2 2 1 抽取 随着采样速率的提高带来的一个问题就是采样后的数据流速率很高，导 致后续的信号处理速率跟不上。特别是对于同步解调算法，其运算量大，如 果数据吞吐率太高是很难满足实时性要求的。所以很有必要对a d 后的数据 流进行降速处理信号经过正交混频后，便将信号由中频变换到基带。基带信 号的最高有用频率远小于变频之前的信号。对这样的基带信号进行降速处理 或二次采样是完全有可能的。多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提 供了理论依据，其中最重要的基本理论是抽取和内插口6 “2 7 1 。本系统中应用了 9 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 信号的抽取变换。所谓抽取是指把原始采样序列x ( n ) 每隔( d 1 ) 个数据取一 个，以形成新序列x ，( 朋) ，即：x ，( 聊) = x ( m d ) ，其中d 为正整数。很显然如 果x ( n ) 序列的采样率为f ，则无模糊带宽为f 2 。当以d 倍抽取率对x ( n ) 进 行抽取后得到的抽取序列x d ( 聊) 之取样率为疋d ，其无模糊带宽为 z ( 2 d ) ，当x ( n ) 含有大于z ( 2 d ) 的频率分量时，x d ( 朋) 就必然产生频谱 混叠，导致从x o ( m ) 中无法恢复石( 胛) 中小于f ( 2 d ) 的频率分量信号。所以， 一个完整的d 倍抽取器的结构应如图2 1 0 ) 所示。图中，h r ，) 为其带宽 小于d的低通滤波器。如果原始信号的频谱分量x(p)本身(e就jw71小于万d 时，则前置低通滤波器可以省去。 ( a ) 抽取器的符号表示( b ) 完整的抽取器框图 图2 1 抽取框图 2 2 2 内插 内插就是在表示信号的每个单位时间内增加样本点的过程。信号的频谱 内容不会改变，所改变的是原始频谱图像之间的频率分离。进行内插时，没 有对信号增加新的信息。内插过程只是减少了信号样本之间的时间白j 隔。这 一过程可以用于匹配两个系统之间的抽样频率，或者作为数模转换之前的最 后步骤，用于放松对重建滤波器的要求嗍2 7 1 。 1 补零内插 这种方法是在信号样本l 白j 隔之j 白j 插入零点，从而生成新的信号。然后， 对新的信号进行低通滤波，得到原始信号经过内插之后的信号的内插方法。 为了便于分析，假设原始信号是x ( n ) ，目的就是以因子r 对它进行内插。 在x ( n ) 的每对相邻样本之问插入( ，一1 ) 个零点，得到u ( 朋) ，可以定义如下： u ( ，竹) = z ( 予) ，胛= o ，2 ， ( 2 1 ) lo其他l 对o ( m ) 进行z 变换，并且定义m = m i ，可以得到v ( z ) ： 1 0 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 矿( z ) = u ( m ) z ”。= v ( m i ) z “7 脚。= - - c o 脚= 一 = x ( m ) z “7 = x ( 脚) ( z ，) - ” ( 2 2 ) 由( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式，得到： r e ( z ) = x ( z )( 2 3 ) 为了求出v ( z ) 的d t f t ，将z = e 7 卟代入( 2 4 ) 式，可得n - 1 y 。) = - x ( c o y i ) ( 2 4 ) 注意，式中系数l ，表示由于插入( ，一1 ) 个零点而导致的信号功率降低的 比例( 按照归一化尺度) 。 ( 2 4 ) 式表示出了对信号频谱的压缩。原始信号频谱的图像以2 石，弧度 y - , j 周期而不是以2 x 弧度为周期重复出现。这意味着，= 2 x f e ， 缈，= 国，因而有： 0 q 万映射到0 缈，等 ( 2 5 ) 上 根据( 2 - 5 ) 式，q 的范围变为0 i q l x i 。( 2 - 5 ) 式说明，采用截止频率 小于万，的低通滤波器向，( 垅) ，对补零后的信号进行滤波，能够恢复内插后 的信号。 2 f f t 展开法 f f t 非常适于对信号进行内插。f f t 展开法的基本思想是通过对原始信 号进行f f t ，构造一个过抽样信号的f f t 。f f t 的输出样本之间的间隔是 z ，其中z 是抽样频率，是每个数据块的样本点数。取个频域样本 点，在正负频谱图像之间连续插入n ( i 1 ) 个零点，然后对扩充后的信号进行 快速傅里叶逆变换，这样就完成了用f f t 实现内插的过程。该过程的原理就 是通过在信号表示的频域插入零点，生成期望信号的傅罩叶变换。最终生成 的信号包含，个样本点，但是所占据的时间间隔与原始信号占据的时间间隔 相同。 假设信号x ( n ) 是周期信号，样本周期为，那么该信号的d f t 定义为 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 x ( 七) = x ( n ) e 一丁 ( 2 6 ) 该信号的离散傅罩叶逆变换( d f t ) 为 砌) 2 专荟硼) ，( 2 - 7 ) 如果在至i 2 n - 三i 区间给x ( k ) 填充( ，一1 ) 个零点，那么该信号的 i d f t 为 砌) 2 击丢x ( 啊e 百( 2 - 8 ) ( 2 8 ) 式和( 2 7 ) 式所描述的频谱内容完全相同，但是( 2 - 8 ) 式中的信号是以 m 个样本为周期的，它是原始信号x ( 胛) 的一种过抽样形式。 2 2 3 快速卷积与相关 f f t 算法的一个重要应用是长序列的f i r 线性滤波。可以通过重叠相加 和重叠保留方法实现f i r 对长序列的滤、波【2 引。 令f i r 滤波器的单位取样响应为h ( n ) ，0 ，7 m l ，用x ( n ) 表示输入 数据序列，f f t 算法长度为，其中n = l + m 一1 ，且三为滤波器处理的新 样本的个数。我们假定对任意给定的m ，选取数据样本个数三使得为2 的 幂。 对h ( n ) 补上一1 个零，每一组数据的前m 1 个数据点为上一数据组的 后m 一1 个数据点，同时每一组数据含有三个新数据点，以致n = l + m 一1 。 利用f f t 算法，实现每一组数据的点d f t 。假如使用频率抽取算法，则输 入数据不需要重排，但d f t 的值按位倒序出现。由于这正好是h ( k ) 的次序， 因此，我们可以用h ( k ) 乘上数据的d f t ，比如说以( 尼) ，于是可得： 匕( k ) = 日( 七) l ( 七) ( 2 - 9 ) 其中圪( 七) 也是按位倒序排列的。在实际中d f t 用f f t 来实现。 如果利用重叠相加方法来实现线性滤波，则使用f f t 算法的计算方法基 本上是相同的。唯一区别在于：点数据组由l 个新数据点与m 一1 个附加 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 的零组成。每一对数据组计算完i d f t 后，对滤波之后点数据作重叠处理， 将相继的输出记录之间的m l 点重叠数据相加在一起。 在涉及互相关的实际应用中，两个序列中至少有一个为有限时宽且类似 于f i r 滤波器的冲激响应。另一个序列可能是一个长序列，该序列含有被加 性噪声污染了的期望序列。因此，第二个序列类似于f i r 滤波器的输入。按 时间反转第一个序列，然后计算它的d f t ，于是将互相关简化为一个对等的 卷积问题。所以，这种针对线性f i r 滤波通过利用f f t 算法的方法可以直接 应用于两个序列的互相关计算，论文设计的帧同步快速实现也f 是基于此法。 2 3 信道估计 根据所利用的估计资源不同，信道估计又可以分成以下三大类：基于判 决的信道估计，基于导频的信道估计和盲或半盲信道估计。由于基于导频的 信道估计所用的原理比较成熟，算法比较简单，且易于工程实现。所以这里 针对这种算法进行阐述，它利用数据流中插入一定数量的时域或频域已知数 据( 导频) 来进行信道估计，这样就可以通过己知点上信道响应的采样值来 估计出整个信道的完整响应3 5 删。 2 3 1 基于导频的信道估计方法 水声信道是现代通信系统中最为复杂的信道之一。它一般是随机和时变 的，因此信道往往不能简单地用线性时不变冲激响应函数忍( ，) 来表示，也往 往需要很多复杂的自适应的信号处理技术对它进行估计和跟踪3 。 假设调制端发送数据为s ( n ) ，信道脉冲响应为h ( n ) ，则接收到的数据 ，( 行) 可以表示为 ，( 行) = s ( n ) + 乃( 疗) + w ( 玎)( 2 l o ) 其中，“代表卷积，w ( n ) 代表信道加性噪声。相应的在频域可以表示 为 r ( k ) = s ( 七) h ( 尼) + 形( 七)( 2 1 1 ) 其中，h ( k ) ，w ( k ) 分别是h ( n ) ，w ( n ) 的离散傅立叶变换。 多载波的优势在于，它可以在频域上进行信道的估计和均衡。相对于单 载波传输模式，其运算量和复杂度都大大降低。 哈尔滨下程大学硕十学位论文 在多载波系统中，估计信道传输函数的方法是基于频域导频和插值技术 的信道估计方法，其主要原理是在发射端将导频符号插入数据符号中，在接 收端从数据符号中取出导频符号并获得导频符号位置处子信道传输函数的估 计，两个导频符号位置之间的子信道传输函数通过插值的方法获得p ”。由于 多途和d o p p l e r 效应，水声信道的传输函数是时间和频率选择性的，当信道 为广义平稳非相关散射( w s s u s ) 信道时，信道的传输函数的自相关函数在时 间和频率方向上是可分的，从而可将二维插值分解为两个级联的一维插值滤 波器分别进行。仿真中分别使用了线性插值、3 阶l a g r a n g e 插值和f f t 插值， 在实际c c s 程序中暂时使用线性插值。 导频信号是在时间和频率二维方向上插入的，插入模式如图2 2 所示： 频 盥 方 向 图2 2 导频插入模式示意图 上图中，时间方向上的导频距离为口，频率方向上的距离为d ，。根据 n y s q u i s t 采样定理，口、d ，分别由最大多普勒频移厶和最大时延扩展乙。来 决定，要满足下列两个公式： ! 1 ，j l 1 ( 2 - 1 2 ) 2 厶口( 瓦+ 乙)d r 。 。 其中，z 和乙分别表示一个m f s k 符号时间长度和保护间隔的长度。需 要注意的是，上面的d ，的计算是基于定时准确的前提。当帧的边界定时存在 偏差时，会引入符号间干扰( i s i ) ，这样就不能准确恢复信道信息。 1 4 哈尔滨一f ：群火学硕+ 学何论文 实际应用中，多载波系统的信道估计分两步进行。 置上的信道响应日( 尼) ： 矾) = 器 首先得到导频信号位 ( 2 - 1 3 ) 然后，利用h ( k ) 进行插值得到其他数据子载波上的信道响应何( 忌) 。 2 3 2f f t 插值估计 基于f f t 的插值算法f 如【3 4 3 5 】所描述的那样是基于变换域信道估计 的一种实现，是根据插值后的序列长度将0 插入到原始序列后，然后通过一 个i f f t f f t 变换实现。算法如下，将已经估计出的h 。( 尼) ，k = 0 ，n p - 1 进 行i f f t 变化到时域， 抽：告1 u p 砌肌舻0 一以一1 ( 2 - 1 4 ) 删2 瓦荟 尹川舻0 一，p 一1 ( 2 - 1 4 ) 如图所示 l 频域 信号变化到时域后， h ( n ) = n p 2 + 时域l 个采样 补 h 零 操 作 图2 3 基于f f t 的插值方法 对该时域信号进行中间补0 ，可以得到 办_ p ( 行) ，0 甩n p 2 1 0 ，其他 ( 2 1 5 ) h p ( n 一+ ，) ， 一j v p 2 门n 一1 对插值后的序列作f f t 变换，相当于在频域做了平滑滤波，就得到了所 tv 2 一 哈尔滨l i 稗人学硕十学位论文 有子信道的频率响应，即 一l “ h ( k ) = h ( n ) e j 2 x k n l n , k = o ，n 一1 ( 2 1 6 ) 。k 。= 0 。 根据变换域的信道估计的特性p 4 1 ，如果每一径的时延都是抽样间隔的整 数倍，那么信道的大部分能量都集中在前三( 为循环前缀长度) 上，点之 外没有能量损失；如果信道延时不是抽样率的整数倍时，那么信道的大部分 能量集中在前个点上，其余点上也都有能量泄漏，伴随着该效应而来的是 子信道会遭遇不均匀的估计误差。可知f f t 插值算法的约束条件是插值得到 的样点数必须是导频数的整数倍，而且时域冲击响应得有效持续时间f 。满 足n p c r a 。t ，n 。为导频数目，t 为采样频率。 2 4 多普勒估计 在水声移动通信的宽带信号中，每个不同的频率都有各自不同的多普勒 频移，但是它们相对多普勒频移都一样，即它们具有相同的多普勒频移因子 ，为相对运动速度v 与声波在水中的传播速度c 的比值或载波处的多普勒 频偏