水声数字系统.docx

水声语音数字通信系统设计姓名班级 学号 ：摘要随着人类开发利用海洋步伐的加快，水声语音通信技术的研究越来越受到人们的重视。但应用于陆地上的通信带宽及其时变、空变等特性，因此需要采用一种适用于水声信道的通信方式进行语音通信。论文概述了水声语音数字系统的整个过程，详细论证并确定了系统技术方案。本文在假设信源频率为3003400hz的基础上，采用PCM信源编码将模拟信号转变成数字信号，再通过卷积码对水声信道进行编码。由于水声信道的复杂性，我们在处理时进行了简化，采用高斯加性白噪声信道。再经过QPSK调制和解调后送入最佳接收机，在信道和信源译码后输出。关键字:水声信道、PCM编码、QPSK调制ABSTRACTAs human exploitation of marine acceleration, acoustic voice communications technology research more and more attention has been paid. But used on land, and its time-varying communication bandwidth, space and other properties change, so need to use one for acoustic communication channel for voice communication. Paper outlines the acoustic voice of the whole process of digital systems, demonstrated in detail and identified the systems technology program. In this paper, assuming the source frequency of 300-3400hz, based on the use of PCM source coding analog signals into digital signals, then the sound of water through the convolutional code for channel coding. As the complexity of underwater acoustic channel, we had to simplify the processing, high-Alaska white noise channel. Then after QPSK modulation and demodulation into the best receiver in the channel and source decoder output. Keywords: underwater acoustic channel, PCM coding, QPSK modulation 目录第1章 绪论.5 1.1研究背景和意义5 1.2水声信道的特点5 1.3水声语音通信系统的发展.6第2章 水下数字语音通信系统实现.8 2.1 系统指标.8 2.2 系统总体结构.8 2.3系统各部分具体结构.9 2.3.1信息源和收信者.9 2.3.2信源编码9 2.3.3信道编码.14 2.3.4基带处理19 2.3.5调制.20 2.3.6 信道.22 2.3.7解调.24 2.3.8数字信号的最佳接收.25 2.3.9信道译码.26 2.3.10 信源译码.26第3章 全文总结和技术展望.27参考文献.28 第一章 绪论1.1 研究背景和意义在被称为海洋世纪的今天，伴随着人类科技的不断进步，水下通信越来越受到人们的重视。民用方面，如水下语音通、工业用海岸遥测、水下机器人和海上平台的遥控指令传送、海底勘探数据与图像传输、环境系统中的污染监测数据、水文站的采集数据的传输等，无不是水下通信的需求大为增加，水下通信的商业价值凸现。军事应用方面，建立水下数据通信系统在解决水雷遥控、潜艇之间、母舰与潜艇或其他水下无人作战平台之间战场信息的传输等问题，水下通信的重要性更是不言自明。然而与应用于陆地空间的通信技术相比，水下通信的发展远远滞后。通常我们往往都是通过连接电缆来实现水下通信。但有缆通信在应用中存在着很多弊端。比如，在深海、极地海域或恶劣海况下就很难开展工作，而电缆的“纠缠”问题更限制了潜器的机动灵活性，这些决定了水下通信要想摆脱这种类似“脐带”的束缚，必须向无缆的方向发展。在陆地上，我们通常都利用无线电方式进行无缆通信，但在水下，无线电的吸收和衰减都很大，只能以极低的发射频率、大型天线和很高的发射功率进行工作，传输距离很短，无法完成水下通信任务。这使得以声波为载体的水声通信成为水下通信的主流。实践证明，在我们所熟知的各种能量形式中，只有声波在水中衰减最小、传播性能最好。在各种通信形式中，水下语音通信无疑是水声通信中一种非常重要的方式。因为语音通信是人与人之间交流最直接的手段，尤其在水下能见度有限的环境下，人与人的交流更加依赖于语音通信。目前，语音技术已广泛应用于无线通信、有线通信、卫星通信、移动通信等领域，但是在国内利用声波进行水下数字语音通信却是尚未成熟的新技术。同时，语音通讯对数据误码率要求较低，降低了传输中的错误风险。因此，水声语音通讯是我们构建水下通讯系统的关键技术之一，研究水声数字语音通讯有着重要的意义。掌握水声通信系统的基本组成，熟悉各部分具体工作的原理及实现框图有很大的研究价值。1.2 水声信道的特点水声通信的目的是通过水下声信道，将数据源发出的信息以最大可能的数据传输速率和尽可能高的可靠性发送到数据用户。水声信道是水声通信的前提条件，通信质量的好坏取决于信道的物理特性。水声信道的复杂特性是限制水声通信技术发展的主要因素。从通信的观点出发，水声信道对数据传输性能的影响主要体现在以下几个方面：1有限通信带宽由于声波在传播过程中的几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导等物理吸收，引起声波能量的损失。这种传播过程中的能量损失随着通信系统作用距离和工作频率的增加而增加，其中声吸收损失系数与声波频率的平方成正比。这些限制了水声通信系统的最大作用距离和最高频率，进而限制了系统的通信带宽。2多途效应水声信道是缓慢时变的相干多途信道，在相干时间长度内，可简化为相干多途信道，仅存在多途效应。多途的形成与海洋环境和码元频率有关，其产生的机理有两种情况：在浅海信道，由于界面(海底、海面及目标)反射造成；而在深海，则主要由不同发射角的声线在传播过程中产生的弯曲造成，在某个区域，多条声线的相位达到一致，可形成会聚区。多途传播引起信号时问扩展。在浅海，多途扩展时间可达几百毫秒，而在深海扩展时间可至几秒。在所传送的码元间隔小于多途时间扩展的情况下，水声信道的多途效应将导致水声通信系统接收端信号中出现码间干扰ISI(Intersymbol Interference)，从而引起误码，降低系统的可靠性。多途效应是水声通信系统设计中最难克服的障碍，也是限制水声通信系统性能的主要因素。3海洋环境噪声和本地噪声海洋环境噪声和本地噪声是水声通信的主要干扰背景，影响系统的接收信噪比，从而影响通信距离和可靠性。噪声和多途效应在远程和近程通信中对可靠性的影响不同：远程通信中噪声和多途效应共同影响通信可靠性，而在近程通信中，多途效应的影响是主要的。5通信的方向性通信方向性对水声通信的影响较大，所谓方向性，是指沿水深方向通信和沿水平方向通信。由于沿水深方向易取得较理想的信道，故可获得较为理想的速率和可靠性，但只应用于特殊场合。目前关于通信收发的自适应阵处理技术得到重视，从而沿水平方向的通信也可获得较理想的信道，水平方向通信具有普遍意义。6多普勒效应信道的时变、空变性，以及接收机与发射机之间的相对运动均可导致多普勒频移效应，它与收发点相对运动的速度及工作的频率成正比例关系。由于信号的多普勒频移，导致解码时系统检测能力降低，在某些情况下，为考虑多普勒容限，甚至还要降低系统的通信速率。概括地说，水声信道是一个带宽严重受限的缓慢时变、空变相干多途信道，传输条件十分恶劣，这些给水声通信的研究带来很大的难度。1.3 水声语音通信系统的发展水下语音通信技术的研究开始于第二次世界大战期间，和其他信号处理技术的发展趋势相同，也经历了从最初的模拟通信阶段到现如今的数字通信阶段的过程。1945年美国海军水声实验室研制的水下电话是世界上最早的水声语音通信系统，该系统主要用于潜艇之间的通信，其中使用单边带调制技术，载波频段为81lkHz，工作距离可达几公里,目前各国海军使用的水下电话系统多采用模拟单边带调制方式，如美国通用公司研制的AN/wOC-2A水声通信机，具有单边带通信方式，可进行语音和低速电报工作，已大量装备于美国海军的水面舰艇、潜艇和岸站。英国研制的用于潜艇和水面舰艇的G732MKII型舰艇水声通信机，具有语音通信和摩尔斯电报等功能，以及用于完成潜艇之间或水面舰艇之间通信的高质量语音通信的3200型水声电话，都是采用单边带传输方式。早期的水声语音通信系统基本上都是采用模拟的单边带调制方式，由于模拟系统的功率利用率不高，一般情况下为了在几公里的距离上进行通信，需要达到上百瓦的发射功率。随着通信技术的发展，数字通信在近20年来得到了迅速发展,其主要原因是由于数字通信的抗干扰能力强、便于进行各种数字信号处理(如进行加密、压缩等)、易于实现集成化，其经济效益正在超过模拟通信，而且传输与交换可结合起来，传输语音与传输数据也可结合起来，成为一个统一体，有利于实现综合业务通信网。与此同时,水声通信也采用了各种数字调制方法来进行水下数字通信技术的研究，最近十年来其发展相当迅速，得到了人们的高度重视和广泛研究。表11列出了一些近年来世界各国研制的水声通信系统情况。与水声数字通信的快速发展相适应的是数字语音信号处理技术的发展，各种语音编码算法的出现，为水下数字语音通信提供了基础。目前水下数字语音传输系统中有代表性的是法国研制的CELP实验系统，水池试验传输率为6kbits，采用的调制方法为4-DPSK，利用LMS判决反馈均衡器。另外具有代表性的水下数字语音系统是英国拉夫堡大学研制的“话音通信系统”，采用DPPM(Digital Pulse Position Modulation)实现语音通信，其通信速率为24kbits。水下数字语音通信根据传输距离的不同可采用不同的工作方式。由于声波在水介质中的传播速度较慢，声速大概为1500米秒，例如作用距离为1500米，语音传输延迟就将达到1秒，所以在近距离(一般在300米以内)可使用全双工通信方式；在中等距离(300米2000米)上可采用半双工的工作方式，在通信过程中将通话与收话的时间段严格分开，在发话结束时加上“完毕”的标志。第二章 水下数字语音通信系统实现方案无论是在陆地上还是在水下，在人与人的通信方式上，语音通信是最直接的通信手段。早期的水下语音通信系统大都采用模拟单边带调制技术，由于模拟系统的功率利用率不高。另外，虽然单边带调制是节省传输频带的调制方式，但实现起来比较困难，要获得单边带信号，必须有陡峭频率特性的发送边带滤波器，技术难度较大。近年来，随着数字通信技术的不断发展，出现了相移键控(PsK)、多相键控(MPSK)、差分相移键控(DPSK)等新技术，使得可实现的水声通信速率不断得到提高，而且由于自适应均衡等技术的发展，可以在一定程度上降低信道传输的误码率。与数字通信的快速发展相适应的是语音数字信号处理技术的发展，各种低码率语音压缩编码技术得到广泛研究，这些都为实现水下数字语音通信奠定了良好的基础。因此，本章将着重阐述水下数字语音通信系统的设计过程，在对各部分功能模块分析的基础上，从整体上给出系统的基本组成及实现框图。2.1系统指标在数字通信系统中，通常用传输速率和误码率这两个指标来衡量通信质量的好坏。由香农(Shannon)定理可知，传输速率与误码率本身就是一对矛盾，二者在一定条件下是可以相互转化的。我们通常所说的保证水声通信的质量，就是在保持高数据率的前提下，尽量降低传输的误码率。在这里，我们提出系统的指标如下：信源频率：300-3400hz信道中心频率：300khz信道带宽：50khz信息传输率： Rf误码率：p10-52.2系统总体结构正如一般的数字通信系统，这里给出的水声语音通信系统也包括发射系统、信道和接收系统三部分，如图21所示。发射系统的主要任务是：用适当的传感器，如话筒，把原始语音信息转变成电信号送入信源编码器，信源编码器对输入信号进行AfD变换，并完成语音压缩功能，形成低码率的数字信号。一般把经过信道编码的信号称为符号，调制部分是根据水声信道的特点和要求把信道编码后的符号以适当的方式(如相移键控)调制到一定频率的载波上，最后送往发射机，经由发射阵转化为声信号。接收系统对信号的处理过程与发射系统一一对应，是一个相反的过程。主要包括：接收信号的预处理(放大、滤波、增益控制、AD采样)，信号的解调，信道解码和语音压缩解码，最后重建原始语音信号。2.3系统各部分具体结构2.3.1 信息源和收信者1信源是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。可分为：模拟信号：凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。 2 收信者是是传输信息的归宿点， 其作用是将复原的原始信号转换为相应的消息。在不同的领域中收信者可以和信息源相同，也可以不同。例如在通信中，话筒即作为信息源，也作为收信者。 由于这次做的是语音通信系统，所以我选取了模拟信号作为本实验的信号源，生活中大多数的信息也是模拟信号的方式。2.3.2 信源编码因数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟量，若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：（1） 把模拟信号数字化， 即模数转换（A/D）；（2） 进行数字方式传输；（3） 把数字信号还原为模拟信号， 即数模转换（D/A）。模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质量好。 参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量， 再变换成数字代码，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢复)信号的质量不够好。所以我们采用波形编码。目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制(PCM)和增量调制（M）以及PCM的改进型：差分脉冲编码调制(DPCM)、和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)。下面主要比较一下脉冲编码调制(PCM)和增量调制（M）。2.3.2.1 脉冲编码调制(PCM)脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制，它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。PCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式， 其系统原理框图如图 6 -14 所示。首先，在发送端进行波形编码(主要包括抽样、量化和编码三个过程)，把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输。在接收端，二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建信号。 图 6 14 PCM系统原理框图抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号；量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示；编码是用二进制码组表示量化后的M个样值脉冲。图 6 - 15给出了PCM信号形成的示意图。综上所述，PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。图 6 15 PCM信号形成示意图抽样：抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。 抽样定理的大意是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。低通抽样定理：一个频带限制在(0, fH)赫内的时间连续信号m(t)，如果以Ts1/(2fH)秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。 此定理告诉我们：若m(t)的频谱在某一角频率H以上为零，则m(t)中的全部信息完全包含在其间隔不大于1/(2fH)秒的均匀抽样序列里。换句话说，在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。 或者说，抽样速率fs（每秒内的抽样点数）应不小于2fH，若抽样速率fs2fH，则会产生失真，这种失真叫混叠失真。带通抽样定理 ： 一个带通信号m(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fH-fL，如果最小抽样速率fs=2fH/m， m是一个不超过fH/B的最大整数，那么m(t)可完全由其抽样值确定。我们假设信源的频率为300hz3400hz，则采用带通抽样定理。量化：利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列， 虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值m(kT)可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号。如果用N位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么, N位二进制码组只能同M=2N个电平样值相对应，而不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平，此电平被称为量化电平。量化间隔是均匀的， 这种量化称为均匀量化。还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化。均匀量化：把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。 其量化间隔i取决于输入信号的变化范围和量化电平数。量化后的样本值Y和原始值X的差E=Y-X称为量化误差或量化噪声。均匀量化特性及量化误差曲线非均匀量化：非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压缩处理，再把压缩的信号y进行均匀量化，最后对y进行扩张，恢复原始信号。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩，即y=lnx。广泛采用的两种对数压扩特性是律压扩和A律压扩。美国采用律压扩，我国和欧洲各国均采用A律压扩。下面分别讨论这两种压扩的原理。A律压扩特性： A为压扩参数， A=1时无压缩， A值越大压缩效果越明显。A律压缩特性如图 6 - 19（b）所示。图 6 - 19对数压缩特性 (a) 律； (b)A律 律压缩特性： 其中为压缩系数。与A律类似，愈大则压缩效果与明显，=0相当于无压缩。律压缩特性如图 6 - 19（a）所示。用均匀量化输入信号时，无论对大的输入信号还是小的输入信号一律都采用相同的量化间隔。为了适应幅度大的输入信号，同时又要满足精度要求，就需要增加样本的位数。但是，对话音信号来说，大信号出现的机会并不多，增加的样本位数就没有充分利用。为了克服这个不足，我们选择了非均匀量化的方法，其中我们采用A律压扩。编码：在PCM中，把量化后信号电平值转换成二进制码组的过程称为编码。理论上说任何一种可逆的二进制码组都可以用于PCM编码。常见的二进制码组有三种，即自然二进制码组，折叠二进制码组和格雷二进制码组。PCM通信中采用折叠码。这是因为信道传输中必然存在误码，而采用折叠码时可以使由误码产生的失真误差功率最小。尤其因为语音信号中小信号出现的概率大，所以从统计的观点看，折叠码产生的均方误差功率小。所以对量化后的信号采用PCM折叠码来编码。电话语音信号的频带为3003400Hz，抽样速率为8000Hz，对每个抽样值进行律或者律非均匀量化，在编码时每个抽样值用8位二进制码表示。这样，每路标准话路的比特率为64kbps。编码时是按照CCITT标准的PCM编码规则进行的。在律13折线编码中，正负方向共16个段落，在每一个段落内有16个均匀分布的量化电平，因此总的量化电平数。编码位数，每个抽样值用8比特代码来表示，分为三部分。第一位为极性码，用1和0分别表示信号的正、负极性。第二到第四位码为段落码，表示信号绝对值处于那个段落，3位码可表示8个段落，代表了8个段落的起始电平值。上述编码方法是把非线性压缩、均匀量化、编码结合为一体的方法。在上述方法中，虽然各段内的16个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化间隔是不同的。当输入信号小时，段落小，量化级间隔小；当输入信号大时，段落大，量化级间隔大。第一、二段最短，归一化长度为，再将它等分16段，每一小段长度为，这就是最小的量化级间隔。根据13折线的定义，以最小的量化级间隔为最小计量单位，可以计算出13折线律每个量化段的电平范围、起始电平、段内码对应电平、各段落内量化间隔。具体计算结果如表3-2所示。13折线A律有关参数表段落号i=18电平范围段落码段落起始电平量化间隔段内码对应权值（）8102420481 1 110246451225612864751210241 1 051232256128643262565121 0 12561612864321651282561 0 0128864321684641280 1 1644321684332640 1 032216842216320 0 1161842110160 0 0018421假设以非均匀量化时的最小量化间隔=1/2048作为均匀量化的量化间隔，那么从13折线的第一段到第八段所包含的均匀量化级数共有2048个均匀量化级，而非均匀量化只有128个量化级。均匀量化需要编11位码，而非均匀量化只要编7位码。可见，在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效。在本设计中正式采用这种方法进行PCM编码的。所以PCM的输出为8位的二进制码。2.3.2.2 增量调制（M）一个语音信号，如果抽样速率很高（远大于奈奎斯特速率），抽样间隔很小，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。 若将这些差值编码传输， 同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又称“增量”，其值可正可负。 这种用差值编码进行通信的方式，就称为“增量调制”（Delta Modulation），缩写为DM或M。M与PCM编码方式相比具有编译码设备简单， 低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到了广泛应用，近年来在高速超大规模集成电路中用作A/D转换器。由于该系统要求误码率p10-5，PCM已经可以满足需求，所以选择PCM编码方式，故M在此不多作介绍。群同步：将接收码元正确分组。通常需要在发送信号中周期性地插入一个同步码元，标示出分组位置。群同步码包括集中插入和分散插入。插入原理如下图所 同步插入 分散插入其中同步插入适用于要求快速建立同步的地方，或间断传输信息并且每次传输时间很短的场合。分散插入适用于连续传输信息之处。这里由于传输的数字的语音信号，所以采用分散插入的方法。分散插入法原理：通常，分散插入法的群同步码都很短。例如，在数字电话系统中常采用“10”交替码，即在上图所示的同步码元位置上轮流发送二进制数字“1”和“0”。这种有规律的周期性地出现的“10”交替码，在信息码元序列中极少可能出现。因此在接收端有可能将同步码的位置检测出来。本系统采用在PCM输出的8位的信息码组中插入3位的同步码组“101”。2.3.3 信道编码信道编码又称纠错编码，是提高数字传输可靠性的一种技术。前面已经提到，在水声通信中由于信道受干扰影响较严重，易产生误码，所以，为增加信道传输数据的可靠性，常常采用纠错编码技术。本系统中采用纠错编码技术的目的有两个：一是解决由信道白噪声所产生的随机性差错，二是解决由脉冲干扰所引起的突发性差错。信道编码的基本思想是按照某种编码规则在待发送的信息码元序列中加入一些多余的码元（监督码元或校验码元）。增加码元之间的相互关联，再在接收端利用该规则进行解码，以便发现和纠正错误，从而提高通信系统的可靠性。不同的信道环境对于所传输的信息会产生不同的加性干扰，根据这种干扰造成错码的统计特性不同，可以将信道分为三类：（1） 随机信道：在这种信道中错码是随机出现的，并且各个错码的出现是统计独立的。例如，由白噪声引起的错码。（2） 突发信道：这种信道中的错码是相对集中出现的，即在短时间内有很多错码出现，而在这些短时间段之间有较长的无错码时间段。如脉冲干扰引起的错码。（3） 混合信道：这种信道中的错码既有随机的又有突发的。正是由于不同信道中的错码特性不同，所以需要采用不同的差错控制技术来减少或消除错码。首先常用的差错控制方式主要有三种：检错重发（简称ARQ）、前向差错（简称FEC）和混合纠错（简称HEC）,他们的系统构成如下：检错重发：又称自动请求重传方式，记作ARQ(Automatic Repeat Request)。发信端将信息码编成能够检错的码组发送到信道，收信端收到一个码组后进行检验，将检验结果（有误码或者无误码）通过反向信道反馈给发信端作为对发信端的一个应答信号。发信端根据收到的应答信号做出是继续发送新的数据还是把出错的数据重发的判断。优点是译码设备简单，对突发错误和信道干扰较严重时有效， 缺点需要反馈信道，实时性差，主要在计算机数据通信中得到应用。前向纠错：发信端将信息码经信道编码后变成能够纠正错误的码，然后通过信道发送出去；收信端收到这些码组后，根据与发信端约定好的编码规则，通过译码能自动发现并纠正因传输带来的数据错误。前向纠错方式只要求单向信道，因此特别适合于只能提供单向信道的场合，同时也适合一点发送多点接收的广播方式。因为不需要对发信端反馈信息，所以接收信号的延时小、实时性好。这种纠错系统的缺点是设备复杂、成本高，且纠错能力愈强，编译码设备就愈复杂。 主要用于语音，广播，TV等通信。 混合纠错：记作HEC(Hybrid Error Correction)是FEC和ARQ方式的结合。发端发送具有自动纠错同时又具有检错能力的码。接收端收到码后，检查差错情况，如果错误在码的纠错能力范围以内，则自动纠错，如果超过了码的纠错能力， 但能检测出来，则经过反馈信道请求发端重发。混合纠错方式在实时性和译码复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折衷，可达到较低的误码率较适合于环路延迟大的高速数据传输系统。2.3.3.1 分组码与卷积码 差错控制编码按照各码组信息元和监督元的函数关系，可分为分组码和卷积码两种。 分组码一般可用（n,k）表示，其中n是编码码组的码元总位数，k是每组二进制信息码元的数目。分组码是把k个信息比特的序列编成n个比特的码组，每个码组的n-k个校验位仅与本码组的k个信息位有关，而与其他码组无关。常见的分组码有奇偶校验码、汉明码、循环码等，其中循环码又分为CRC码、BCH码、RS码等。 卷积码，或称连环码，它与分组码不同的是，卷积编码器把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（N1，整数）信息段有关联。一般称N为码的约束长度，卷积码通常被记为（n,k,N）, 其中n为编码器输出的码元个数，k是输入的码元个数，它的编码效率为R=k/n。 卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。但卷积码没有分组码那样严密的数学分析手段，目前大多是通过计算机进行好码的搜索。卷积码因为其良好的性能已被广泛应用在通信系统中。本系统采用了卷积码。以二进制(2，1，3)卷积码为例，介绍用编码器、离散卷积法和生成矩阵法来进行编码。(2，1，3)卷积码中的“3”表示N=3的3级移位寄存器，“2”(n0=2)表示2个模2加法器，“1”(k0=1)表示1个交错串行输出用的混合器。其编码器如下图所示。(1) 离散卷积法：信息序列为：u=( )=(10111)生成序列为：输出序列为：码字为：式中等都是离散卷积。（2）生成矩阵法如果把生成序列和交错排列，就可写成生成矩阵G:由此得到编码方程 v=uG如u的长度为L，则G应有L行和2(N+L)列。本例L=5，N=3，故G应有5行和6列，且v的长度应为16位。将具体数据带入得：2.3.3.2 交织技术实际信道中产生的错误往往是较长的突发错误或较长的突发错误与随机错误并存，如果首先把突发错误离散成随机错误，然后再去纠随机错误，那么系统的抗干扰性能就会进一步得到提高。交织器的作用就是将比较长的突发错误或多个突发错误离散成随机错误，即把错误离散化。交织器按交织方式可分为交织深度固定的交织器(如分组交织器和卷积交织器)和交织深度不断变化的随机交织器；按交织对象可分为码元交织器和码段交织器。交织和解交织是一种很实用也很常用的构造码方法，不仅可以纠随机错误，还可用来纠突发错误，所以常用于组建信道纠错系统。交织深度是交织和解交织的重要参数。交织深度越大，突发错误的离散度也越大，错误的相关性越小。当足够大时，就可把突发错误离散为随机错误。2.3.4基带处理在信道编码后得到的数字基带信号都是矩形波形，这些基带信号在频域内是无穷延伸的。如果直接采用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带都是有限的，则传输系统接收所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。较小的波形失真对于二元或三元基带信号影响不大，只是使其抗噪声性能下降，但对于多元信号，则可能造成严重的传输错误。当信道频带严格受限时（如数字基带信号经调制通过通信信道传输），波形失真问题就变得比较严重，尤其在传输多元信号时更为突出。为了满足抽样无失真，在实际中应用的是称之为升余弦滚降信号。下图为几种滚降特性和冲激响应曲线结论：1、滚降系数a越大，h(t)的拖尾衰减越快2、滚降使带宽增大为 3、余弦滚降系统的最高频带利用率为 这里不妨采用a=0.5的滚降特性对信道编码后的信号进行数字基带处理。2.3.5 调制水声信道的复杂特性是水声通信系统区别于其它通信系统，如无线电通信系统的最主要原因，它决定了水声通信系统的设计和性能。因而设计一个高效可靠的水声通信系统必须要考虑水声信道的特性。由于水声传播中信号的相位起伏较大，以往的水声通信系统都是采用非相干的调制方式，通过降低传输速率以获得较小的ISI，从而降低误码率，使用最多的是频移键控(FsK)调制方式。然而要在带宽严重受限的水声信道获得高传输速率，从理论上看这种非相干方式，无论系统的其他部分做得多么完善，在误码率容许的范围内，传输速率和带宽永远是一对无法调和的矛盾，从而大大制约了水声通信的质量。在这种情况下，人们不得不寻求能更有效利用带宽的调制方式。近年来的最新研究向人们展示了一个可喜的成果：相位相干调制法不仅能满足系统对数据率的要求，至少可获得十倍以上的增益，而且随着数据率的提高，信道的相干性变好，自适应接收器对信道的跟踪误差下降，从而有效地改善了接收性能。表22列出了一些利用相位相于调制技术的水声通信系统的最新研究成果。在各种相移键控方式中，用得较多且各方面性能都较好的是四相相移键控(QPSK)，其原理介绍如下：图中的QPSK采用了格雷码编码方式，使得相邻相位所对应的码元只有一个比特不同，这样，发生误码时，一般情况下只会有一个比特发生差错。采用格雷码时，误比特率与误符号率之间有如下关系： 本系统采用图25(b)右图 方式，载波相位共有四个可能的取值，即4、34、54、74。载波的4个可能相位中的任一个代表着两个bit的数据。这 样每个符号代表两个bit，所以QPSK的符号速率是数据速率的一半，与BPSK相比，同样的信道带宽下，QPSK能传输两倍的信息量。换句话说，在保证一定的数据传输速率的基础上，QPSK将占用更小的带宽。这对于水下高速通信具有极其重要的意义。QPSK信号可以看成是载波相位相互正交的二相PSK信号之和，其系统调制器方框图如图26所示 QPSK调制的仿真波形2.3.6 信道信道是通信传输信号的通道，是通信系统的重要组成部分。其基本特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶化。在通信系统的设计中，人们往往根据信道的数学模型来设计信道编码，以获得更好的通信性能。常用的信道数学模型有：加性噪声信道，线性滤波信道，线性时变滤波信道。(1)加性噪声信道：加性噪声信道是最简单的一种信道数学模型，噪声对信号的影响是加性的。如图4所示，输入信号为s(t) ，噪声为n(t) ，输出为r(t) = s(t)+ n(t)图4加性噪声数学模型若加上衰减函数，则r(t) = s(t)+ n(t) 。(2)线性滤波信道：实际信道中，带宽均有所限制，所以为了确保信号不超出带宽一般会加上线性滤波器。这样的信道便称为线性滤波信道，图5所示。输入信号为s(t) ，噪声为n(t) ，输出为r(t) ：图5r(t) = s(t)*c(t) + n(t) = -cs(t-)d + n(t)(3)线性时变滤波信道：很多物理信道如电离层无线电信道等，其信道特点是时变的，于是线性滤波器也加上时变特性，则时变信道脉冲响应为c(;t) ，表示可变的过去时间。图6r(t) = s(t)* c(;t) + n(t) = -c(;t)s(t-)d + n(t)此种模型很好地反映了物理信道中的多路径信号传播，如手机蜂窝信道。这是其中的一种特殊例子，若时变脉冲响应为：c(;t) = k=1Lakt-k其中ak(t)表现出时变信道的可能衰减，k代表时间延时，L则表示传播路径的数目。将这一特例带到线性时变滤波信道中则可得输出信号为：r(t) = k=1Laktst-k + n(t) 以上三个信道模型描述了我们在实际中利用的物理信道的大多数重要特点，便于我们对实际通信系统进行设计与分析。由于假设的是恒参信道，所以我们简化水声信道，取信道为加性高斯白噪声。2.3.7解调：解调是调制的逆过程，对QPSK信号的解调，也可以用两个相互正交的参考载波分别对两个二相信号进行相干解调，QPSK相干解调器的方框图如图27所示。 QPSK解调的仿真波形2.3.8 数字信号的最佳接收通信系统中信道特性不理想及信道噪声的存在，直接影响接收系统的性能，而一个通信系统的质量优劣在很大程度上取决于接收系统的性能。因此把接收问题作为研究对象，研究从噪声中如何最好地提取有用信号，且在某个准则下构成最佳接收机，使接收性能达到最佳，这就是最佳接收理论。带噪声的数字信号的接收，实质上是一个统计接收问题，也可以说数字信号接收过程是一个统计判决过程。从统计学的观点来看，数字信号接收可以用一个统计模型来表述 数字通信中最直观和最合理的准则就是“最小差错概率”。因为在通信中，由于噪声和畸变的作用，使接收发生错误，我们总期望错误接收的概率越小越好。 匹配滤波器是指输出信噪比最大的最佳线性滤波器。如果滤波器的输出端能够获得最大信噪比，则就能最佳地判决信号的出现，从而提高系统的检测性能。匹配滤波器