基于OFDM编码的水声通信技术研究

1、电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA硕士学位论文MASTER THESIS论文题目基于OFDM编码的水声通信技术硏究学科专业仪器科学与技术学 号201521070449作者姓名闫冰程指导教师詹惠琴教授分类号 密级UDC 注学位论文基于OFDM编码的水声通信技术研究（题名和副题名）闫冰程（作者姓名）指导教师詹惠琴教授电子科技大学成 都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别百页士学科专业仪器科学与技术提交论文日期2018/4/10论文答辩日期2018/5/15学位授予单位和日期包子科技大学2018年6月答辩委员会

2、上席评阅人注1：注明国际十进分类法UDC的类号。RESEARCH ON UNDERWATER ACOUSTICCOMMUNICATION TECHNOLOGY BASED ONOFDM CODINGA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaDiscipline:Instrument Science and TechnologyAuthor:Bingcheng YauSupervisor:Prof. Huiqin ZhanSchool:School of Automati

3、on Engineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。作者签名：）乩木程日期年5月I日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容

4、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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名:闫冰密导师签名： 直 荃冬日期：佬年6月|日摘要摘要在海洋石油资源的开发过程中，深水油气井溢流以及井喷的防治是石汕钻井 过程中的一项重要工作。水下溢流监测装胃位于海平面下12km处，通过检测水 下隔水管道内油基钻井液流速变化以及含气量变化等数据，实现水下早期溢流监 测预警，给井控赢得更长的预警时间。为了将监测装胃得到的数据高速可靠地传送 给水上基站，本文研究了水声通信的信道特性，设计出一套低成本、低功耗的基于 OFDM编码的水声通倍方案。本文首先从通信声纳方程入手，详

5、细分析了海洋信道的特征并提出了应对措 施。其次，详细论证了基于OFDM编码的水声通信的实现方式与关键技术，包括 采用频域补零取实部的方式进行OFDM调制，采用长度为信道时延均方根27倍 的循环前缀來对抗码间干扰，采用深削波法降低大蜂值平均功率比，采用CAZAC 序列解决时频同步问题。随后，利用BELLHOP模型对海洋信道进行建模分析，得到海洋本征声线和信 道单位冲激响应以及相干传播损失图，为发射机中心频率、带宽以及接收机位置的 选择提供了借鉴。利用MATLAB和ModelSim对基于OFDM的通信算法进行了仿 真和实例化验证，论证了方案的可行性并提出信噪比、误码率以及功耗之间的平衡 选择，接收

6、端信噪比应不低T 10dB,以1620dB最佳。然后，利用MATLAB模 拟了在收发端垂直距离1490m. 5级清劲风的海洋信道条件下的OFDM通信。在 发射声功率185dB,中心频率为20kHz,带宽为8kHz的条件下，实现了误码率为 0.648%,通信速率为12.698kbps的图像传输。最后，搭建了软彼件实验平台，完成了以MSP4305438A和FPGA为控制和数 字信号处理的硬件设计，并在空间狭小、强多径干扰的水池信道下完成了 OFDM 通信实验。在冇效数据通信速率15.87kbps的情况下，误码率9.8%；在冇效数据 通信速率10.58kbps的情况下，误码率为6.7 x 10化关键

7、词：水声通信，OFDM, BELLHOP, MATLABABSTRACTABSTRACTIn the exploit of offshore oil resources, the prevention and control of the overflow and blowout of deep oil-gas wells is an important work in the process of oil drilling The underwater overflow monitoring device is located at 1 2km below sea level, which

8、by detecting the change of the flow velocity of oil-based drilling fluid and the change of gas content in the underwater pipeline, the early water overflow monitoring and warning is realized, and the longer warning time is won for the well control. In order to transmit the data fi*om the monitoring

9、device to the base station at high speed and reliably, this paper studies the channel characteristics of the underwater acoustic channel and designs a low cost and low power underwater acoustic communication scheme based on OFDM coding.This paper starts with the communication sonar equation, analyze

10、s the characteristics of the ocean channel in detail, and puts forward some countemieasuresSecondly, the implementation and key technologies of underwater acoustic communication based on OFDM system are discussed in detail, it includes using the way of adding zero in the lrequency domain and taking

11、its real part to carry out the OFDM modulation; using the cyclic prefix whose length is 2-4 times as much as the root mean square of the channel delay to fight the ISI; using deep clipping method to reduce the peak to average power ratio of OFDN4 system; and using CAZAC sequence to solve the problem

12、 of time and frequency synchronization in OFDMNextly, this paper uses the BELLHOP model for modeling and analyzing the ocean channel, and obtains the oceanic acoustic line and channel unit impulse response and the coherent propagation loss graph, which provides reference for the selection of central

13、 frequency, bandwidth and receiver location. The communication algorithm based on OFDM is simulated and instantiated by MATLAB and ModelSim. It demonstrates the feasibility of the scheme and the balance selection between SNR, bit error rate and power consumption is proposed The SNR of the receiver s

14、hould not be less than lOdB, and 1620dB should be selected Then, the OFDM communication in the ocean channel condition with vertical distance 1490m and 5 level clear wind is simulated by MATLAB. Under the condition of transmitting acoustic power 185dB, the center frequency is 20kHz and the bandwidth

15、 is 8kHz, the image transmission with a bit error rate of 0.648% and a#ABSTRACTcommunication rate of 12.698kbps is achievedFinally, this paper builds the software and hardware experiment platform, completes the hardware design of MSP4305438A and FPGA as control and digital signal processing. Last bu

16、t not least, the OFDM communication experiment is completed under the narrow and strong multipath interference pool channel. In the case of effective data communication rate is 15.87kbps, the bit error rate is 9.8%, and in the case of effective data communication rate is 10.58kbps, the bit error rat

17、e is 6.7 X 104.Keywords: underwater acoustic communication, OFDM, BELLHOP, MATLAB.in目录目录第一章绪论1I论文研究的背景和意义11.2水声通信的发展及研究现状41.3论文的内容安排6第二章水声通信信道特性82通信声纳方程82.2海洋声传输损失102.2.1海洋声场分布的特异性1()2.2.2海水介质的声吸收损失14223缓解海洋声传输损失对策142.3多途效应明显152.3.1多途产生原因及影响152.3.2抑制多途效应的措施152.4海洋声传播的强起伏特性162.4.1海洋声传播起伏的待性及起源162.4.2

18、适应水声信号起伏的可能对策172.5海洋环境噪声172.5.1海洋环境噪声的统计特征192.5.2抗噪措施212.6木章小结21第三章OFDM水声数字信号处理223儿种水声数字通信体制比较223.1.1 MFSK体制的水声数字通信223.1.2 FH-SS体制的水声数字通信223.1.3 OFDM体制的水声数字通信233.2 OFDM基本原理243.3 OFDM通信体制实现方式263.4 OFDM关键技术313.4.1保护间隔与循环前缀313.4.2峰值平均功率比333.4.3基于CAZAC序列的时频同步35V第一章绪论3.5木章小结39第四章OFDM水声通信系统的设计与仿真404OFDM水声

19、通讯系统设计404.2水声信道仿真424.3OFDM水声通信系统功能仿真49431 OFDM算法仿真494.3.2 OFDM在海洋信道中的仿真534.4基于FPGA的OFDM水声通信系统仿真564.4.1卷积编码（解码）模块564.4.2交织（解交织）模块584.4.3映射（反映射）模块604.4.4 IFFT/FFT 模块604.4.5添加（去）循环前缀模块614.5木章小结61第五章水声通信系统的硬件设计与测试635.1水声通信系统实验平台介绍635.2OFDM水声通信系统硬件设计645.2.1整体硬件结构645.2.2发射模块电路655.2.3水声换能器665.2.4放大滤波电路665.

20、2.5 ADC 电路675.2.6微处理器与FPGA模块695.2.7供电系统695.3系统测试715.3.1水池多径延展725.3.2超声波探头的选取725.3.3实验分析与结果755.4本章小结77第六章总结与展望786总结786.2展望79致谢80参考文献81第一章绪论随着人类对海洋开发与利用的不断深入，水声通信从最初的军用领域迅速拓 展到更为广阔的民用领域，海洋的战略地位愈发凸显出來，对水下信息的获取、传 输和控制要求日益提高，推动着海洋通信技术迅速地发展。1.1论文研究的背景和意义在海洋石油资源的开发过程中，深水油气井溢流以及井喷的防治是石油钻井 过程中的一项重要工作。海底钻出的甲烷

21、等气体气泡会随着钻井液上升，体积迅 速膨胀，若检测不及吋就会产生严重地危害。水下溢流监测装置位于海平面下1 2km处（如图1-1所示），通过检测水下隔水管道内油基钻井液流速变化以及含气 量变化等数据，实现水卜丫期溢流监测预警，给井控赢得更长的预警时间。而如何将监测装置得到的数据高速町靠地传送给水上基站，成为溢流监测系统稳定工作 的难题之一。图1-1水F溢流监测装置示意图H前常用的水芦通信方案分为有缆通倍和无线通信方式。有缆通信虽然技术第一章绪论和对成熟，能够有效地支持信息高速稳定地传输，然而考虑到在海洋坏境中，通侑 缆道的铺设安装复杂、维护费用高昂，目标活动范围易受限制且容易对其他海洋活 动产

22、生影响，因此木系统不宜采用该通信方案。对于无线通信方式，电磁波和光 波在浑浊、含盐的海洋环境中存在严重的散射和折射，传播衰减都很大，仅能够提 供米级传输，并产生严重的符号间干扰（IS1）,极大地降低了电磁波利光信号的传 输质虽卩呦。这两种无线通信方式在海水中的传播距离较短，远不能满足监测装置 远距离高速可靠传输数据的需要。由于声波在水卜的传输损耗柑对较小，因此木系 统通信方案采用声波作为信息载体进行通信。海上石油钻井平台水下溢流监测设备具有位豐相对固定（静止），通信距离较 近（海平面以下12km处），传输延迟低等特点及要求，其水声通信属于高频、近 距离和点对点的垂直深海通信。如图1-2所示，有

23、其困难之处：深海信道高压、低温、含盐量高，沉积物多复杂的时空频信道、强多径干扰.严带宽，高噪声信噪比低.信道反馈延时长通依特点及要求超声波声速小于电磁波，易受多普勒效应影响 Rr$40kmkbps要求髙速稳定的工作水声通信设务位于l-2km处，相对位总固定体枳.质量、功耗.成本.便捷性，稳定性图1-2海上石油钻井平台水声通信难点（1）水下溢流监测设备处于海平面以下12km处，属于深海通信范畴。深海 环境具有高压、低温、含盐戢高，沉积物多等特点。其信道参数随吋间和空间随机 变化，通信呈现信噪比低、信道反馈延时长等特征。（2）复杂多变的海洋水声信道。海洋中声速的分布（受温度及含盐度影响）， 海底及

24、海而对声波的反射,海水介质的随机不均匀性引起的声折射和散射，海洋环 境背呆噪声等是影响水声传播的主要因素。同时海洋水声信道炬一个具冇极其复 杂的时间-空间-频率变化、有限带宽、多径现象显著和高环境噪声的信道国。因此， 声信号在传输的过程中存在较大的传播损耗并产生强烈的幅值和相位的波动（3）溢流监测设备为解决检测结果的滞厉性问题，其检测位置位于足够的水 深下，一旦发现异常现象能够及时做出预警，具有较高的实时性要求，因此，水声 通信需要保持高速稳定的工作状态。然而兼顾通信距离r（km）和通信速率 的要求是相对困难的。如图13所示，1999年国际上所发表的水声通信实验性 能总结了这一情况。图中横坐标

25、为通信范围（肋纵坐标为通信速率（加M）,通 信坏境从深海到浅海，水平到纵向不等，其中由研究界开发的调制解调器以” 为代表，而”则表示商业上可用的系统。从图中可以看出，水声通信速率R与 通信距离厂的乘积上限为40肋皿妙s。这个数据是基于大量统计的结果，虽然有个 别例外存在，但大多数水声通信系统受限于这种性能限制，难以达到上限。根据该 上限，从图中可以看出，对于远距离的深海信道通信，大多数处于乘积上限及以上, 相対达到高速通信；而对于短距离浅海信道通信，大多数处于乘积上限以下，和对 达到低速通信。因此，短距离通信仍然具有很大的挑战和发展潜力。图1-3 1999年国际水声通信系统能够达到的指标（4）

26、水中声速相比空中无线电磁波波速小了几个数就级，易受到多普勒效应 的影响，且由于水声信道较窄，需要选择带宽利用率较高的调制方式。这里，山于 海上石油钻井平台水声通信收发机的位置处于固定静止的状态，因此，收发机相对 运动所引起的多普勒效应可以忽略不计。（5）为保证溢流监测设备安装与维护的便捷性及运行的稳定性，需要考虑水 声通信设备体积、质量、能耗及成本等特殊要求。基于上述硏究背景与技术难点，本文将对海洋的信道模型和基本声学模型做 初步的探讨及仿真研究，比较不同编码及调制方式，选择合适的水声数字信号处理 算法，给出基于OFDM水声通信系统的设计方案及测试结果。1.2水声通信的发展及研究现状水声通信技

27、术诞生于20世纪中叶，以模拟通信体制为主，逐步过渡到水声数 字通信，并将现代无线电通信体系引入到水声通信中。水声通信系统大致可分为四 个发展阶段：模拟阶段、非相干数字阶段、相干数字阶段和高速水声通信阶段】。 下面简要进行介绍。第一阶段为模拟水声通信阶段。早在1945年，美国海军水声实验室采用模拟 单边带调制技术研制出水声电话机叨。随后出现了用于船舶和海底通信的模拟单 边带或幅度调制的水声通信系统卩叽该阶段由于模拟信号易受到水声信道的随机 选择性哀落和多途效应的畸变影响，误码率较高、功率利用率不强，遇到稍微复杂 的海况就会出现通信中断的现彖，性能较差。第二阶段为非相T-数字水声通信阶段。非相干数

28、字水声通信技术能够对水声 信道产生的衰落影响进行补偿，并利用纠错编码技术來提高数据传输的可靠性、降 低误码率囘。然而非相干数字解调会导致部分信息的丢失，对水声信道的时延 扩展和多普勒扩展的影响比较敏感。表1JW列出几种非相干水声通信系统的试验 环境和通信结果，可以看出，该阶段的水声通信由丁采用非相干解调损失了部分信 噪比，通信距离与通倍速率的乘积远低于Rxr乘积上限，因此仅适用于语音、文 字等数据虽较低的通信。表11儿种非相十水声通信系统试验I试脸人员距离(Am)试验环境传输速率(bps)误码率Rr(km kbps)Ganod7.4浅海401 X 10-20.296Captipovic5.6浅

29、海12001 X 10-26.72Coates9深海751 X 1()70.6825Freitag5.3深海6001 X 10-43.18第三阶段为相干数字水声通信阶段。该阶段的主要冃的是减轻由于水下多径 传播导致的码间干扰(ISI)的影响。为了攻克这种难题，人们首先硏究了水下多径 传播的机理以及如何对此进行预报，文献16指出早在20世纪60年代，在硏究黑 海水下声道近距离传播时，详细地研究了水下声道脉冲形状，计算了不同声线到达 接收点脉冲的到达时间差以及相应振幅。1995年，朱业和张仁和等采用射线-简正 波理论【，对水声信道的多途波形结构进行了分析预测，其仿貞结果很好地符合 实骑数据。199

30、4年，Milica Stojanovicfl71等人设计了一款能够执行最佳相位同步和 信道均衡的接收机，该方案采用一种结合了递归最小二乘法与二阶数字锁相坏的 白适应均衡算法，其海试实验表明，该均衡器可以消除符号延迟的追踪要求，证明 了在多途到达中实现相干合并的能力。表1-2列出了几种相干水声系统的试验结果 罔，可以看出，该阶段的信息传输速率明显高于第二阶段。表1-2几种相干水声通信系统试验周研究机构距离伙加）试验环境传输速率（kbps）ISI补偿Rr(km kbps)IFREMER/ORCA2垂直19.2无38.4IAMSTEC6.5垂直16LE(LMS)104Northeast185.2深海

31、1DFE(RLS)185.2Northeast92.6浅海2DFE(RLS)185.2随着陆上移动通信的发展和应用以及集成电路等硬件技术的迅速发展，水声通 信进入第四个阶段一高速水声通信阶段。该阶段的发展思路是将现代无线电通信 技术引入到水声通信中，验证其在水声信道中的可行性,并取得了一系列成果。 例如，WHOI组织研制的种基于QPSK调制的系统,采用判决反馈均衡器（DFE） 和锁相环技术（PLL）,其海试结果表明，在通信距离为110海里的深海信道中传 输速率为660bps,在通信距离为2海里的浅海信道中传输速率达到lOkbps】。近年来高速水声通信技术主要有两个硏究方向，一种是扩频技术，这项

32、技术能 够抗多径干扰并提高频谱利用率；另一种是正交频分复用（OFDM）技术，这项技 术能够在不使用复杂信道均衡技术的条件下仍然可以较好地克服由多径效应引起 的码间干扰（ISI） 20】。 kJI Ila XZ VX III在扩频技术方面，2012年国内蛟龙号在太平洋马里亚附近海域进行了 7000米 级海试】，其结果表明，在潜水推进器强噪声的环境下，非相T通信无法正常工 作，而扩频体制在低信噪比的环境下仍能够正常稳定的工作。在OFDM研究方面，1994年，S.Coatclan与A Glavicux等人提出了一种基于 OFDM的多载波传输系统di,该系统采用2FSK调制，子载波数为10,通讯速率

33、可达250bps,在距离650m、深度25m,海底为污泥介质以及距离1920m、深度 27m,海底为沙土介质的浅海信道条件下，It误码率均不高于10，实验农明该系 统在衰落信道和非平稳信道具有较好的鲁棒性。2001年，K.Miyoshi设计了一套 釆用OFDM技术与CDMA技术相结合的水声通信系统，该系统发射中心频率为 20kHz,采用QPSK调制，子载波数为2048,在多径延时可达49ms,通信距离5km 的情况下，实现了通信速率450bps,误码率不高于1（T的良好性能。文献24和25 从多径的时域和空间相关性展开研究，表明基于OFDM的时域过采样和MIMO系 统可以有效获得多普勒分集和多

34、径分集。国内在OFDM水声通信研究领域起步较晚，但仍然取得了很大的进展。例如， 2005年，黄建国和孙那等人2利用循坏前缀和关法估计多普勒频移，并采用插入 导频的方式对信道参数进行了有效估计。其湖试结果表明，在5km利15km通信 距离内，通信速率分别达到9.09kbps利1kbps,谋码率均处于1CT4量级。同年，哈 尔滨工程大学的朱彤等人设计了一种改进的OFDM水声通信系统27】，其采用频域 补零取实部等方式发射子载波，由线性调频信号进行时频同步，编码映射采用 QDPSK,湖试中，该系统实现了 7km通信距离内，数据传输速率达到&3kbps,误 码率处于10-210-5范围内。1.3论文的

35、内容安排本文主要对基T- OFDM编码的水声通信技术进行了应用研究。首先对海洋信 道以及海洋声传播的特性进行了深入研究，然后详细分析了 OFDM编码的基本原 理以及关键技术的实现方式，随后通过MATLAB、ModelSim等仿真软件进行了方 案验证和软件实现，最后搭建硬件实验平台完成水池实验。论文的主要内容安排如 下。第一京绪论，首先分析海上石油钻井平台水声通信系统的难点和需求要点，引 出课题的背景和意义。随后，回顾了水声通信技术的国内外发展历程和研究现状， 特别是对基于OFDM通信机的发展状况进行了详细介绍。第二总水声通信信道特性，重点研究海洋的信道特征及海洋声传播规律。首先 从通信声纳方程

36、展开，介绍接收机输入检测阈值、声源级、传输损失和噪声级等基 本概念，涉及发射机、信道和接收机等物理层，论证分析了设计通信机所需注意的 要点及措施。接下來对海洋信道进行了详细地讨论，包括海洋声场分布和声传播损 失规律，海洋通信的多途效应相较陆上无线信道的特异性，海洋声传播的幅度、相 位和频率的强起伏特征以及海洋坏境噪声的统计学规律。最后针对海洋信道的各 个特征，结合通信声纳方程，提出一些降低信道影响的措施和方案。第三章OFDM水声数字信号处理，首先分析比较儿种常用水声通信体制的优 缺点，并根据海上石油钻井平台的特殊要求和海洋信道的特异性，决定采用OFDM 通信体制。随后详细介绍了 OFDM的基本

37、原理及实现方式，并给出了相应的理论 推导和验证。故后，分析OFDM实现的关键技术问题，包括保护间隔与循环前缀 的长度与内容设置问题，高峰均比问题的出现与解决方案，基于CAZAC序列的吋 频同步问题。第四章OFDM水声通信系统的设计与仿真，内容包括：OFDM水声通信系统 的整体架构设计，水声信道的MATLAB仿真，基于OFDM体制的通信算法仿真 与软件调试，基于FPGA的OFDM水声通信系统仿真与实例化。第五章水声通信系统的硬件设计与测试，首先简要介绍了水声通信系统实验 平台，重点分析了发射机与接收机系统各部分的硬件结构与外围电路。然后对实验 水池信道进行观测，并基于观测值选择合理的中心频率和发

38、射声功率等系统参数 以及OFDM设计参数。最后完成OFDM水池通信实验，并对实验结果进行分析。最后在总结与展望部分，总结了论文的内容要点和主要贡献，并提出了一些改 进及展望工作。7第二章水声通信信道特性第二章水声通信信道特性海洋水声通信信道作为水下无线通信的物理媒介之一，具有随机时-空-频变 参、强多途、快起伏、大衰减、高噪声和严带限等特异性问，信道坏境非常复杂， 传统的无线通信理论技术无法盲接应用于此。为了保证系统能够在给定信道坏境 下有较高的通信速率和稳定的通信质虽，需要深入理解水声信道的声传播规律，对 水声通信信道进行建模和估计。本章简要阐述了水声信道的声传播基木规律，详细讨论了海洋信道

39、的特征和 规律，并结合海上石油钻井平台水声通信系统的特点和要求，分析可能采取的措施 及注意事项，为基T- OFDM通信的水声数字信号处理提供理论指导。2.1通信声纳方程水声通信涉及声波的辐射、传播、信道衰减、噪声干扰以及声波的接收等诸多 因索。为了综合考虑这些因索对水声通信的影响，将介质、冃标与设备的作用联结 在一起，以作为水声通信系统的通信距离、通信速率和课码率等性能预估的参考， 引入通信声纳方程。首先假定声波的波阵面遵循球面扩展规律，即声强/（与通信距离厂成平方反比 的规律。对于发射声功率为、聚集系数丫、指向性因子为的声辐射换能器， 球而声场中7处的信号强度为I：Io =R（0,（p） x

40、 10-01（2-1）瓦屮0为海水介质的声吸收和散射效应引起的衰减系数。由于在实际应用屮，水声 换能器尽可能取城大声强的方向传输信号，因此取R（8,（p） = ，式2-1变为：黑 x 10一0(22)21理想状态下，接收机接收到声强为/（）的信号。而水声通信系统在给定通信距离和预 定的通信速率下，能否按照容许的误码率进行信号的重建并达到预定的性能指标, 则取决于输入信号的信噪比I0/IN.其中m为实际水声信道的干扰强度（S包含海洋 背景噪声强度人和多途干扰仏）。由式2-2可得：(2-3)业=如仏X 10一。Mr 4nr2IN/Ir其中/厂为参考声强，考虑到海洋信道中声能的动态范困很大，对式23取对数用分 贝來表示,可得：10= 10將)一 (O.ipr + 102) - 10 (?)(2-4)简记为:(2-5)DT = S厶一 TL- NLKDT.SL.TL和N厶为通信声纳方程参数，决定了水声