（水声工程专业论文）基于ofdm技术的高速实时水声通信技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 t h ep u r p o s eo ft h eu 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 s t e ml i e si n d e p e n d a b l yt r a n s m i t t i n gt h es i g n a lf r o mt h e s o u r c et ot h ee n dt h r o u g ho c e a n a c o u s t i cc h a n n e la t h i g hs p e e d n a r r o wb a n d w i d t ha n ds t r o n g i n t e r f e r e n c e i n t r o d u c e db ym u l t i p a t ha r et h em a i no b s t a c l eo ft h eu n d e r w a t e rs i g n a l sc r e d i b l e a n dh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n t h u sp r o j e c t so fh i g hs p e e da n df i d e l i t yu n d e r w a t e r s i g n a lt r a n s m i s s i o n s ，t h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z i n go fo f d ms y s t e mb e c o m ea h o t s p o ti nt h ef i e l d so fa c a d e m i cc i r c l e s e m p l o y i n gt h ed s pt e c h n o l o g y , w ec a nc a r r y o u tt h er e a l t i m ef f t a l g o r i t h m ，w h i c hi st h ek e m e li no f d mt e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p i n go fd s p a n dv l s it e c h n o l o g y , o f d m d e v e l o p sr a p i d l ya n db e c o m e s o n eo ft h ep r o m i s i n g h i g h - s p e e ds i g n a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nt h i s p a p e r , f o rt h em e r i t so fh i g hf r e q u e n c ys p e c t r u mu t i l i t yf a c t o ra n d p a r a l l e lt r a n s m i t t i n go fm u l t i - c a r r i e r s ，o f d m ，w h i c hi sc o m b i n e d 、i mc h a n n e l c o d i n g ，i si n t r o d u c e di n t ot h eu 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 n t oc o m b a tt h e f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d e sa n di s ii nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l ，a n di t f i n a l l ya c h i e v eh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , c o m p u t e rs i m u l a t i o ni s f i r s ta c c o m p l i s h e d t h e nt h ep r o p e rp a r a m e t e r sa r ec h o s e nt or e a l i z eas i m p l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n t h es y s t e mi s b a s e do nt it m s 3 2 0 c 6 4 x + ，i nw h i c ht h e r ea r et r a n s m i t t i n gp a r ta n dr e c e i v i n g p a r t c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n a lm o d u l e s a r e u s e d ，i n c l u d i n gs c r a m b l i n ga n d d e s c r a m b l i n g ，c o d i n ga n dd e c o d i n go ft h ec h a n n e l ，m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ， c h a r m e le s t i m a t i o na n ds oo n w ea r ea b l et oa c h i e v ear e a s o n a b l er e a l - t i m e h i g h s p e e du 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 s t e m t h es y s t e mc a nc a r r yo u t at e s ti nt h ec h a n n e lc i s t e mo fh e u a n da c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o ne f f e c t s k e yw o r d s ：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 n ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ；d s p 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 已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) ：范欣 日期：、悯罗年弓月内日 | 1 j 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：茳收 日期：仙7 年；月夕日 t ， 导师( 签字) ：棚 口夕年月眇日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 在二十一世纪的今天，探索新能源被人类列为科技发展的重点，而其中 海洋开发这个话题变得逐渐热门圳，因为在占了地球表面积7 1 的海洋深处， 蕴含着不计其数的能源，还在等待人类的开发和利用。面对这种诱惑，世界 上很多国家都开始重视海洋工程技术的发展。众多技术中，水声通信技术是 纽带、是人类同海洋深处对话的手段。水声通信技术所涉及的领域广泛，在 军事应用方面，各潜艇及母舰之间，或者是潜艇与其他水下无人作战平台之 间需要进行环境信息传输，要解决此问题，就需要建立水下数据通信系统h ； 在民用方面，也有很多领域需要用到水声通信，如水下语音通信、工业用海 岸遥测、水下机器人和海上平台遥控指令传送、海底勘探数据与图像传输、 环境系统中的污染监测数据、水文站采集数据传输等等陋儿q 。面对如此广泛的 应用，自然使高速、高可靠性的信息传递成为如今海洋开发中急需解决的重 要问题。 水声通信是一门综合的学科，涉及到通信原理、数字信号处理、声纳技 术等多门学科，除了这些理论技术支持外，还需要计算机技术、d s p 技术等 硬件技术支持。近年来，水声通信技术高速发展，各种通信技术都得到了广 泛的应用，早期那种由于传递信息量小、对水声通信系统性能要求低的状况 早已不复存在。随着不断深入的海洋研究，人们对数据的传输速率及可靠性 的要求也在不断提高。 水声通信是通信技术的一种，与无线电通信技术有很多相似之处。但水 声信道在信道带宽、数据率和系统的可靠性等性能指标方面，以及其系统的 结构与组成等诸多方面都与传统的通信信道有着显著的不同。众所周知，水 声信道是一个复杂的时变空变信道，它对水声通信系统的主要影响是传播损 失、多途传播和相位起伏，其中多途传播是影响水声通信系统性能的重要因 素。在水声通信中，为了提高信息传输的速率，充分利用有限的带宽，可以 选择多载波信号作为媒介。 联系到无线通信系统，其中有很多技术是非常值得水声通信借鉴的。目 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 前无线通信技术已经发展到第四代，即以正交频分复用技术( o f d m ) 为核 心提供增值服务，在宽带领域有很大的应用潜力。o f d m 是一种多载波调制 技术，具有较高的频谱利用率和较好的抗多途干扰能力，在没有信道均衡的 情况下可以抑制由多途传播造成的码间干扰( i s i ) ，因此，o f d m 技术越来 越受到人们关注。目前，基于o f d m 技术的水声通信系统的应用研究还有很 大的发展空间，这对水声通信的研究无疑是一项极富有挑战的工作。 1 2 水声信道的物理特性 任何通信系统都可以看作是由发送设备、信道和接收设备三部分组成。 其中信道按其范围分为广义信道和狭义信道。狭义信道是广义信道的重要组 成部分，它指的仅是传输媒质；狭义信道与部分发送、接收设备共同构成广 义信道川。 狭义信道作为广义信道中最重要、最基本的组成部分，它的特性影响着 通信的质量，在设计系统时，首先就要考虑狭义信道这种传播媒质的传输特 性，并由此来设定信道的参数p 1 。 在水声通信领域中，了解水声信道的特性、正确分析建模是非常必要的。 水声信道与无线信道相比，载波频率低，带宽窄，多途传播时延严重，多普 勒频移影响大，传输速率低，所以在设计水声通信设备时，必须考虑到水声 信道的具体情况，使之适应于水声通信的相关技术。 水声信道是一个随机时变、空变、具有强多途干扰的信道，环境噪声高， 传输损耗大，可用带宽有限。该信道对声信号产生很大的影响，包括声波在 海水中的传输损耗、多途特性以及多普勒频移p 。 1 、声波在海水中的传输损耗 传输损耗是指声波在海水中传播时，由于扩散和衰减而引起声波的延迟、 失真和衰落。传输损耗分为衰减损失和扩散损失两种，其中，衰减损失包括 吸收、散射和声能漏出声道的效应。声波的扩散损失表示当声信号从声源向 外扩展时有规则减弱的几何效应。水声信道对声波的传播损耗决定了水声通 信设备的最远作用距离。 2 、多途特性 多途特性是指声源信号从不同方向经过不同路径到达接收端，引起接收 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 信号幅度的随机起伏和信号时延的扩散。在浅海声信道中，信号的多途传播 可以认为由以下两方面造成： ( 1 ) 海面和海底的多次反射。 ( 2 ) 海水中声速梯度的跃层结构。 对于数字信号在水声信道中的传输，浅海中声波的多途特性对接收信号 的影响，在时域上体现为幅度衰落和码间干扰；在频域上体现为频率选择性 衰落。这些因素影响着传输质量，因此对抗多途效应是实现高速信息传输必 须解决的问题。 针对水声信道，多途现象是指在一定波束宽度内发出的声波可以沿几种 不同路径到达接收点。到达接收端换能器的各条路径的信号有着不同的路径 长度，因而到达接收机的时间各不相同，同时各条路径的信号幅度也是随机 衰落的，所以信号在时域上被展宽，幅度呈频率选择性衰落。 设海洋相关多途信息的冲击响应函数办( r ) 为： - 1 办( f ) = 鸽万( f 一) + a i d ( r - r j ) ( 1 1 ) i = l 式中，4 、f ，为通过接收点的声线参数：幅度和时延，n 是可分辨的多途分 量的个数。 若声线发射信号为z ( ，) ，则在多途中的接收波形为： n - i s ( ，) = a o z ( t 一气) + a ，z ( t 一) + 刀( ，) ( 1 - 2 ) i = 1 式中右边第一项为直达声，第二项为多次界面反射声或折射声所产生的多途 扩展。多途扩展在时间上与直达声相重叠，则会产生干涉，从而合成信号的 波形会产生，使之有异于发射信号。第三项为干扰噪声，比如环境噪声或是 本地干扰。 3 、多普勒频移 声波在浅海信道传播时，由于多普勒效应造成发射信号的频率漂移，这 种漂移称为多普勒频移。在浅海声信道中，多普勒频移被认为是由两个因素 引起的喁1 ： ( 1 ) 收、发端的相对运动引起多普勒频移。设发射端的运动速度为v 。， 哈尔滨工程大学硕士学何论文 接收端的运动速度为，则发射端发送频率为f 的信号到达接收端时，接收 信号的频率可以由下式计算： f r = z ( c - - v , ) ( c 一屹) ( 1 - 3 ) 其中v 。和，是向量，以发射端为起点指向接收端的方向为正方向，单位 为7 览，z 和f r 的单位是赫兹( h z ) ，c 为海水中的声速，一般默认为1 5 0 0 吸。 ( 2 ) 当收、发端没有相对运动时，接收信号的多普勒频移主要是由海面 波浪运动和海中湍流引起。其中海面波浪运动是主要因素，并且随着海风风 级的增大而变大陋1 。 关于水声信道，可以得出如下结论：水声信道的多途传播时延长，具有 很强的时变性，是制约水声通信发展的主要因素；多普勒频移干扰了信号的 正常接收，多普勒频移越大，则信道的衰落速率越快，接收波形产生的畸变 也就越大。 信道是数据进行传输的媒体。信道特性可以用其等效传递函数来描述， 根据其等效传递函数是否会随时间的变化而变化，信道可分为恒参信道和变 参信道。水声信道是典型的变参信道，其特性随时间和空间的变化而不断变 化，称为时变多途衰落信道。在存在多途传播的变参信道中，就每一条路径 的信号而言，它的衰减和时延都是随机变化的。因此，信号通过变参信道时， 接收到的信号是衰减和时延随时间变化的各个路径信号的合成。即变参信道 的特性主要表现为具有随机时变特性的多途传播，且这种时变特性对于信道 的用户是无法预知的。这给信号的接收、监测( 无论是频域监测还是时域监 测) 都带来了极大的困难。但是就大多数应用场合而言，水声信道可以看作 缓慢时变的相干多途信道，其模型是指：介质和边界都是时不变的，声源和 接收器位置也是确定的，从声源发出的信号沿各种不同的途径到达接收点， 它们互相干涉叠加，从而产生复杂的空间干涉图案和复杂的滤波特性，接收 信号因而产生畸变和与发送端波形有很大的区别。 1 3 水声通信技术国内外发展历史及研究现状 从二十世纪初起，水声通信系统就开始被用来进行信息传输，在近2 0 4 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 年间，已取得了长足的进步和稳健的发展。从8 0 年代初期至今，水声通信的 进步可归纳为以下6 个研究领域9 1 ： ( 1 ) 水声信道物理学的研究，包括信道的仿真和测量： ( 2 ) 接收机结构的研制，主要体现为功能强大的信号处理机的使用和算 法的研究： ( 3 ) 各种应用于衰落信道的显分集和隐分集技术的研究； ( 4 ) 编码技术：包括图像传输所需的压缩编码和能提高系统可靠性的纠 错编码技术的研究； ( 5 ) 水下网络系统的研究； ( 6 ) 能减少多途影响的调制方式的研究。 真正的可靠性有保证的水声模拟通信系统出现在二战之后，系统采用了 调制技术，用于潜艇间的通信。水声通信与无线电通信具有相似的衰落特性， 随着的无线电高频信道中通信技术的发展，新一代的水声通信系统也开始采 用移频键控( f s k ) 调制和数字编码技术。在水声通信中采用数字技术主要 有两方面作用：一是采用复杂的纠错编码技术可以提高传输的可靠性；二是 采用数字处理技术可以抵消信道多途和频率扩展的影响。 目前，国外有多家院校、科研机构和公司在进行水声通信技术的研究， 以及水声通信设备的研制开发，并且部分设备已经投入工程应用及军事装备。 水声通信技术的发展非常之快，效果也越来越好。 国外相应的研究机构中，以学术理论研究、以科研为主的单位很多，如 以麻省理工学院为首的各所学校倾向于水声通信的算法研究，并辅以实验进 行论证，以推进水声通信的理论发展。麻省理工学院的m i l i c as t o j a n o v i c 提 出一种检测o f d m 信号d o p p l e r 频移的算法。在2 5 k m 的浅海信道传输，通 过实验数据证实了算法的性能。信道估计采用m m s e ，在2 4 k h z 的带宽下， 利用q p s k 的调制方式对多载波进行调制，1 0 2 4 路子载波，达到极佳的性能， 可3 0 k b p s 全码率传输。对于水下视频传输的高速水声网络，实现了基于离散 余弦变换、对视频压缩的霍夫曼熵编码和变比特率的m q a m 实验系统。实 验证明，在深海垂直方向垂直信道载波频率为7 5 k h z 时，每秒传送2 5 0 0 0 个 符号。比特率高达1 5 0 k b p s ( 足够传输实时压缩图像) ，使用8 、1 6 、3 2 和6 4 q a m 的调制方法能获得非常好的结果。其中，8 - p s k 传输速率7 5 k b p s ，1 6 q a m 传 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 输速率1 0 0 k b p s ，3 2 一q a m 传输速率1 2 5 k b p s ，6 4 q a m 传输速率1 5 0 k b p s 。尽 管使用了图像压缩技术，此速率仍满足1 4 4 1 7 6 帧序列以1 5 帧秒的速度实 时传输，接收到的视频图像的质量在检测中无比特错误时可等效视为压缩后 的图像。 以l i n kq u e s t 公司为首的各国公司，在水声通信领域以工程应用为主， 以技术研发为辅，追求高性价比，有针对性地解决实际应用问题，满足客户 的要求。 以美国为首的为海军服务的各国军事机构，在水声通信方面，以军队装 备为主，采用超高性能、并尽可能领先的技术，实行严格保密的政策。在研 发同时，主要进行实际检验对比及在复杂条件下应用。 国内也有多家科研单位、学校在进行水声通信的研究工作，均取得了可 喜的成果。 比如厦门大学通信工程系课题组完成了“水下图像水声传输实用样机研 制”、“视频图像水下传输试验研究”等国家“8 6 3 ”相关课题项目，研制了语 音水声通讯机、图像传输样机和水声数据遥测设备。“水下图像传输系统项 目通过国家“8 6 3 ”专家组验收。该系统能在浅海域实现全方向无缆图像信息 传输，每8 秒传送一帧( 1 6 0 1 0 0 象素，十六级灰度) ，距离1 0 公里q 。“3 0 0 米深饱和潜水钟水声通讯机”项目通过海军航保司组织的鉴定，达到国际同 类产品的先进水平，所接收的语音清晰可辨。已安装在3 0 0 米深饱和潜水钟 内，在南海试验成功。 西北工业大学在水声通信方面也做了大量的工作，从基础研究到试验， 及最后的实际应用，涉及面极广。何成兵、黄建国等人提出了m 元扩频o f d m 水声通信的新方法1 1 。该方法在伪随机序列扩频水声通信和o f d m 水声通信 研究及湖上成功实验的基础上，提出了一种基于m 元伪随机序列组和o f d m 技术的新型扩频o f d m ( m s s o f d m ) 水声通信方法，使得扩频水声通信数据 速率提高2 水l 0 9 2 ( m ) 宰l 0 9 2 ( q ) 倍；结果表明：m 元扩频o f d m 技术具有双重 抗多途干扰的优点，即使在没有保护间隔的情况下，也能获得较好的通信效 果，由于采用了伪随机序列组，该方法也可用于水声网络通信。李斌、顾中 国等人设计的o f d m 系统，采用1 0 k h z 带宽，可以在l k m 的距离上实现 1 0 k b p s 的传输率，海试中系统误码率达到5 ；黄建国、孙静等设计的o f d m 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 系统，湖试中，在5 k m 距离内达到9 k b p s ，在l k b p s 速度下能达到1 5 k m 距 离上，误码率在1 0 4 左右2 1 。 中国科学院声学研究所也致力于水声通信的研究工作。如王海斌，吴立 新等人针对远程水声通信速率低的问题，提出了采用混沌调频m a r y ( m 元) 通信方式提高通信速率的方测。将混沌序列引进入水声通信中，由于量化 后混沌序列的优良相关特性受到一定的破坏，为此提出了混沌调频m a r y 通 信体制。研究得出了混沌调频的重要特性：自相关特性好、正交码数目多、 频谱利用率高、带宽和时间调整灵活等；给出了水声混沌调频m a r y 通信系 统的组成框图，并进行了海上实验。实验数据分析结果与理论值符合较好， 证明这种通信体制的可行性，并能有效地提高通信速率。另外，蔡惠智、刘 云涛等设计的o f d m 系统采用了1 6 q a m 调制方式，在6 6 k m 距离内达到了 2 0 k b p s 的传输速率引。 另外哈尔滨工程大学也取得了显著成绩。惠俊英等人提出了p a t t e m 时延 差编码通信体制q 7 1 ，研究了o f d m 、m f s k 、q p s k 、自适应均衡技术，信 道仿真技术，矢量信号处理及矢量通信技术明，成功完成了多次湖上和海上 远距离数据和图像的传输。王明华、桑恩方、乔钢设计了基于正交频分复用 技术的高速水声通信系统引，并进行了湖上和海上试验研究。湖上试验在 6 1 k m 距离内达到9 1 k b p s 的传输速率，误码率仅为l o 。，海上试验在1 2 1 k m 的距离内达到9 0 4 k b p s 的传输速率，误码率低于o 0 0 1 。试验表明，基于正 交频分复用的水声通信技术可有效地克服信号多径传输引起的码间干扰问 题，并能有效的利用有限的水声信道带宽，达到高速、可靠的水声通信目的。 但如果能克服正交频分复用存在的一些缺陷，比如它对频率偏移的敏感性( 频 率偏移会导致子载波间正交性破坏，系统性能下降) ，高的峰值平均功率比等 问题，就能进一步提高正交频分复用技术在高速水声通信中的性能。 1 4 论文主要内容 论文针对o f d m 系统的高速实时实现展开研究。在这一过程中，采用 理论分析、计算机仿真和d s p 实现三者相结合的方法，验证了理论的正确性 和实践的可行性。进行以下几方面的研究工作：学习了解水声通信的最新研 究成果，总结了水声信道的特点，详细分析了o f d m 技术的基本原理，全面 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 探讨了基于o f d m 技术的水声通信网络的实现方法，以及通信系统中相关的 若干算法，包括加扰、交织、信道编码、调制映射、信道估计等，并进行 m a t l a b 仿真。学习理解有关d s p 硬件平台的基础知识，对如何实现数据 实时同步处理进行了详细的分析，将此系统用c 语言编程实现，在硬件平台 上完成了数据的实时通信，验证了系统的可实现性。 论文的内容分为四章，结构如下： 第一章对水声通信的发展历史及研究现状做出简要介绍，并对水声信道 的特点进行分析。 第二章分析o f d m 的基本原理，对各部分功能模块进行着重探讨并进 行m a t l a b 仿真验证。 第三章了解硬件平台的基本框架，对软件的数据流程进行分析，用c 语言编程实现此通信系统。 第四章进行水声通信系统水池试验，数据试验处理，验证算法的可行性。 最后总结全文，并对未来的工作做出展望。 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章o f d m 的基本原理及系统仿真 o f d m 技术是一种多载波调制技术，由于其具有频带利用率高、有良好 抗多径干扰能力和低成本等原因越来越受到人们的关注。而且随着信息数据 化、宽带化和高速化的需求，将o f d m 技术引入水声信道以期利用d s p 芯 片，在降低设备复杂性的前提下，实时的解决了高速数据传输过程中的误码 率问题。 2 1o f d m 技术概述 o f d m 的英文全称是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 ，即正 交频分复用技术。它的基本思想是将频域内给定的信道划分成多个正交子信 道，将高速数据流分散到各个子载波上传输，从而使各子载波上的符号速率 大幅度降低。o f d m 允许子载波频谱部分重叠，在满足子载波之间相互正交 的情况下，可以从相互混叠的子载波上得到数据信息，频谱利用率有显著的 提高，因此是一种高效的调制方式口。 由于o f d m 的信道被划分成多个子信道，尽管总的信道并非平坦且具有 频率选择性，但划分后的每个子信道带宽很窄，频率响应相对平坦。进行窄 带传输时，若信号带宽小于信道的相关带宽则很大程度上可消除符号间干扰。 2 1 1o f d m 正交性分析 o f d m 信号的时域和频域波形如下图2 1 所示： 时域 频域 图2 1o f d m 信号时域和频域示意图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图2 1 时域示意图中可以看出： a 在给定的时间间隔内，每个子载波都有整数个周期宽度，换句话说就 是每个子载波的频率是基本频率的整数倍。 b 在一个符号时间段内，两个相邻子载波的周期数严格地相差一个周期， 这保证了两子载波之间的正交性。 上述两个特性使每个子载波能够被接收，并独立解调，避免了其他子载 波存在的干扰，从而解决了子载波正交性的问题。 从图2 1 频域示意图中可以看出： 每个调制后的载波频谱均为s i n x 形状，其中某一载波的峰值对应于其 他所有载波频谱中的零点。当所用的子载波很多时，各个子载波混合在_ 二起， 总的信号频谱形状与矩形频谱类似，其频谱宽度接近于传输信号的奈奎斯特 带宽，所以o f d m 的频带利用率很高，理论上可以达到香农极限。另一方面， 由于各载波上的信息是互不相关的，它们按指数规律相加，时域内的合成的 信号与白噪声很接近，这与哈尔凯维奇的理论：“要克服多径衰落的影响，信 道中传输的最佳信号波形应该具有白噪声的统计特性”不谋而合，这从另一 方面也证明了o f d m 系统有效对抗多径干扰的潜力。 2 1 2o f d m 的i f f t f f t 实现 o f d m 技术是一种多载波技术，它的多载波调制和解调可以通过离散傅 立叶反变换( i d f t ) 和离散傅立叶变换( d f t ) 来实现，大大降低了系统实现的复 杂度，使o f d m 的实现变得经济实用删。 离散傅立叶变换将时域与频域联系在一起，由d f t 的定义可知，时域上 波形连续重复，将导致频域上频谱的连续重复。 若发送端的发送信号表示为： 一l d ( t ) = d ( n ) e x p ( j 2 7 r f , ) ( 2 1 ) 一= 0 为满足子载波之间的正交性，各子载波频率之间的关系为： z = f o + n t ( 2 - 2 ) 变换( 2 1 ) 式可得： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - 1 d ( f ) = d ( n ) e x p ( j 2 7 r f , ) n = 0 - i - - z d ( n ) e x p ( j 2 ，r ( f o + n t ) t ) n = o a t 一1 i = i d ( n ) e x p ( j 2 x ( n t ) t ) l e x p ( j 2 万f o f ) ( 2 - 3 ) l n = o j 只考虑表达式中等效低通部分，对信号以t n 的速率进行抽样，即令 t = k t n ，则得到： 以= d ( k t n ) = d ( n ) e x p ( j 2 r c n k n ) o 七n 一1 ( 2 4 ) 可以看到以等效为对d ( 刀) 进行i d f t 运算，同样在接收端，为了恢复出 原始的数据符号d ( ，2 ) ，可以对以进行逆变换，即d f tz 。一1 0 ： d ( ，2 ) = 五e x p ( - j 2 r c n k n ) o 刀n - 1 ( 2 5 ) 分析以上的公式可以看到，o f d m 系统的调制和解调可分别由i d f t 和 d f t 代替。通过n 点的i d f t 运算，将频域数据d ( n ) 变换为时域数据咒， 其中每个五都是由所有子载波信号经过叠加生成的，即对连续的多个经过调 制的子载波的叠加信号进行抽样得到。 上述的o f d m 原理，它的实现方法可以用下图表示： 串薰 并b 转 1 e ；2 巧 换 业嘧 图2 2o f d m 通信系统调制发射原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收信密 并 串 转 i 换 图2 3o f d m 通信系统接收原理图 在o f d m 系统的实际运用中，可以采用更加方便快捷的i f f t f f t 来实 现这一过程。点的i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显 著地降低运算的复杂度，对于常用的r a d i e 2i f f t 算法来说，其复数乘法次 数仅为( n 2 ) l o g ：( ) 。随着子载波个数的增加，这两种算法复杂度之间的 差距会更加明显，i d f t 的计算复杂度随着的增加而呈二次方变化，而i f f t 的计算复杂度的增加只是线性变化。以4 0 9 6 点的变换为例，i d f t 和i f f t 所需要的乘法数量分别为1 6 7 7 7 2 1 6 次和2 4 5 7 6 次。 水声信道的载波频率低于陆地无线电信道传输的信号频率，这使得水声 通信在调制和解调过程中可以直接调制到通带上。 要把输入的原始信号调制到指定的频带内，实现方法是在确定了信道的 子载波数目后，能够得出子载波带宽，根据信号带宽的起始和截至频率，计 算式( 2 6 ) ， f n ，：f z x f ，1“，”( 2 6 ) 【2 石兮。 。 得出输入信号存储的在子载波中的位置。对此时的数据进行i f f t 运算，即完 成将数据调制到指定的带宽万到，；范围内这一过程。 这样，接收端i f f t 变换得到的结果是复数序列，取其实部进行传输。在 接收端进行相应的f f t 变换，即可恢复原序列。 2 1 3o f d m 的优势和不足 o f d m 技术是一种高效的传输方式，具有适合宽带传输、能够利用傅立 叶反变换傅立叶变换( i f f t f f t ) 代替多载波调制和解调等一系列优点，近 1 2 哈尔滨二r 程大学硕士学位论文 年来愈发的受到众多科研人员的青睐。总的来说，在水声信道的环境下， o f d m 系统与传统的单载波或一般非交叠的多载波传输系统相比，具有以下 一些优点【2 0 1 ： ( 1 ) o f d m 系统各个子信道频谱相互重叠且正交，因此，信道频带利用率 高，这一点对于频谱资源非常有限的水声环境中尤为重要； ( 2 ) o f d m 技术可以有效地对抗信号符号间干扰( i s i ) ，适用于在具有多径 和衰落的水声信道中进行高速数据传输。所谓的多载波调制技术就是形成多 个平行的窄带，把要传送的信息均分于各个子载波，因此当信道中因多径传 输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波及其携带的信息 受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的性能要比单载波要好很多； ( 3 ) o f d m 技术能够对抗频率选择性衰落或窄带干扰。与单载波系统的单 个衰落或是干扰可能要导致整个通信链路的失败相比，多载波系统在很小部 分载波受到干扰的情况下，子信道可以采用纠错码来解决这一问题； ( 4 ) o f d m 系统各子载波上的调制方式灵活，可以方便的通过动态调制方 式分配，充分利用衰落小的子载波信道，避免深衰落子载波信道对系统性能 带来的不利影响。水声信道可以近似认为是梳状滤波器，在某些频点可能出 现零点，通过调整o f d m 子载波上的调制方式可以避免深度衰落； ( 5 ) o f d m 技术可以选用基于f f t i f f t 的实现方式进行多个载波的调 制，而随着d s p 芯片技术的发展，使o f d m 技术更趋于实用化。 但是，o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个 子载波信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点口町： ( 1 ) 易受频率偏移和相位噪声的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这 就对它们之间的正交性提出了严格要求。然而由于水声信道存在时变性，在 传输中会出现频率偏移，会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从 而导致子信道间的信号相互干扰( i c i ) ，这种对频率的敏感性是o f d m 系统 的主要缺点之： ( 2 ) 峰值与均值功率比相对较大。o f d m 系统的发送信号是多个子载波 上的发送信号的叠加，当多个信号同相叠加时，叠加信号的瞬时功率很大， 远超出信号的平均功率，导致大峰值平均功率比，它跟系统的子载波数成正 比，高p a p r 对发送滤波器的线性范围要求提高，增加了设备的代价，这样 哈尔滨工程大学硕士学位论文 霹巫一錾蒸卜 蛩堰卜圈 恒 悃 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 循环前缀c p ，接着在这一帧o f d m 符号的前端加上同步信号，得到o f d m 已调信号的时域波形，最后对得到的o f d m 符号进行d a 转换，将模拟信 号由换能器发送出去。 接收端首先将从换能器接收来的信号进行a d 转换，根据信号的同步头， 去掉循环前缀( c p ) ，得到o f d m 已调信号的抽样序列，对该抽样序列作f f t 变换，即得到原调制信息序列。由已知导频符号及其经过信道之后的接收信 号可对信道进行估计，降低信道的影响。之后完成信号的解调部分，对数据 进行解交织，信道译码、解扰等过程，完成了对信号的解调工作，实现对接 收信号的还原。 2 3o f d m 系统的功能模块分析 2 3 1 加扰技术 所谓加扰技术，是指在不增加多余度的情况下对信号进行搅乱，改变数 字信号的统计特性，使其统计特性近似于白噪声统计特性的一种技术。这种 技术是建立在伪随机序列的理论之上。 根据香农的编码定理可知：只要信息速率兄小于信道容量c ，总可以找 到某种编码方法，在码周期相当长的条件下，能够几乎无差错地从受到高斯 噪声干扰的信号中恢复出原来的发送信号。香农编码定理有两个要求，一是 风c ，二是编码的码周期足够长。同时，香农在证明编码定理时提出用具 有白噪声统计特性的信号来编码脚1 ，因为白噪声是一种随机过程，它的瞬时 值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内是均匀的，具有优良的相关特性。 之所以选用随机信号来传输信号，是因为信息传输过程中各种信号的差 别越大越好，这样两个信号之间不容易发生干扰，接收时才不会发生误判。 所以理想的传输形式应该是类似白噪声的随机信号，这样取两个任意的时间 段的噪声来比较都不会完全相似，如果用它们代表两种信号，则信号之间的 差别就最大。然而，如果发送序列经过完全随机的加扰，在接收端是无法恢 复出发送序列的，所以实际系统中采用完全随机的序列是不可能的。实际采 用的是一个周期性的足够随机的序列来逼近白噪声的性能，这里用伪随机噪 声序列，也称为p n ( p s e u d o n o i s e ) 序列，至于该序列的产生及性质，请参 阅文献旺4 1 。运用p n 序列对当前码序列进行加扰，从而达到扰码效果。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 3 2 信道编码 编码分为信源编码和信道编码两类，其中信源编码是为了提高信息传输 的有效性而存在的，而信道编码，即差错控制编码，则可以提高信息传输的 可靠性。在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想和加性噪 声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。为了在已知信噪比的 情况下达到一定的误比特率，首先应合理地设计基带信号，选择合适的调制、 解调方式，采用频域均衡或时域均衡，使误比特率尽可能降低。但若误比特 率仍不能满足要求，则必须采用信道编码，将误比特率进一步降低，以满足 通信的质量要求。随着差错控制编码理论的完善和数字电路技术的发展，信 道编码已经成功地应用于各种通信系统中。其基本做法是：在发送端将被传 输的信息序列上附加一些监督码元，这些多余的码元与信息序列之间以某种 确定的规则相互约束。接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元之间 的关系，一旦传输过程中发生错误，则信息码元与监督码元之间的关系将受 到破坏，从而可以发现错误，甚至纠正错误。而研究各种编码与译码方法正 是差错控制编码所要解决的问题。按照信息码元和监督码元之间的约束方式 不同，可以分为分组码和卷积码。卷积码编码器弘引把k 比特信息段编成n 比 特的码组，但所编的n 长码组不仅同当前的k 比特信息段有关联，而且还同 前面的( n 1 ) 个( n l ，整数) 信息段有关，称这n 个信息段中的码元数目 n n 为该卷积码的约束长度，称n 为码的约束长度，不同的是n n 是以比特为 单位的约束长度，而后者是以码组个数为单位的长度。约束长度统一为n 。 一般来说，对于卷积码，k 和n 是较小的整数，常把卷积码记作( n ，k ，n ) 卷 积码，编码效率为r = k n 。译码时采用t e r b i 译码b 引。 2 3 3 交织解交织 当通信信道发生深衰落时，数字信号的传输可能出现成串的突发差错。 一般的差错编码( 如卷积码) 只能纠正有限个错误，对于大量的突发误码无 能为力。o f d m 系统采用交织和卷积码结合的方式类纠正突发差错。交织的 目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，使得纠错编码技术更容易纠 正。 常用的交织技术主要有两类：块交织和卷积交织。块交织通常在数据分 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 块分帧的情况下使用，卷积交织对连续的数据流来说比较实用。在o f d m 系 统中，基于数据分帧的情况采用了块交织的形式，所以仅介绍块交织的相关 内容。 描述交织器性能的几个参数如下旺4 1 ： ( 1 ) 突发长度：突发错误的长度，用b 表示。 ( 2 ) 最小间隔：突发连续错误分布的最小距离，用s 表示。 ( 3 ) 交织时延：由于交织和解交织引起的编码延时，用d 表示。 ( 4 ) 存储要求：交织和解交织过程需要的存储单元的大小，用m 表示。 交织器的性能通常用s d 以及s m 来描述，最小间隔s 越大越好，交织 时延d 和存储要求m 越小越好。块交织器的结构如图2 5 所示。 按行读出 按l厂1 471o 型fl 258 ，l 入i3 691 2i 图2 5 交织器的结构 如图2 5 所示，一个( 3 ，4 ) 的块交织器由3 行和4 列组成，矩阵中元素 的每个符号表示它在传送序列中的顺序。交织编码的过程是把数据按列写入， 按行读出。通常数据从左上角开始写入，从右下角开始读出，当然，不同交 织器的写入和读出顺序也会有所不同。举较简单的情况为例，假定交织器从 左上角按顺序读出，则交织器的输出序列为： 1 ，4 ，7 ，1 0 ，2 ，5 ，8 ，1 1 ，3 ，6 ，9 ，1 2 矩阵中行的数目称为交织深度。交织深度越大，符号的离散度就越大， 抗突发差错的能力也越强。但是，交织深度越大，交织编码的处理时间即交 织时延也越长，所以说，交织编码的抗突发能力是以时间为代价的。 解交织器的过程可看作交织器的反向工作过程。 因为交织和解交织均有时延，所以交织器的交织时延为：d = 2 i j r ，其 中足为符号速率，交织器中行为，列为，交织器的存储要求为：m = 2 i j 。 1 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 3 4 信道估计 如果不考虑信道噪声，个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发 送信号与信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，就可以实现接收信号的 正确解调。发送端信号的某些固定位置上插入一些己知的符号或序列，在接 收端按照特定算法得到近似的信道特性称为信道估计，信道估计可简单的分 为以下三类：非盲估计、盲估计、半盲估计。在o f d m 中，由于传输速率 较高，并且需要使用相干检测技术获得较高的性能，通常使用非盲估计，即 使用基于导频插入的信道估计技术。 根据处理域的不同，o f d m 信道估计有时域和频域之分，前者在接