水声通信系统中的信道编码技术研究
信道编码定理为人们探索信道的最佳编码方案提供了理论依据，但并没有指明如何获得好码。目前，出现了多种信道编码方案，如RS 码、卷积码、级联码等。本文简要介绍了RS 码和卷积码的基本原理，并进行了相应的计算机仿真，并给出了加入了RS 码和卷积码水声通信系统的水池实验数据，结果表明利用信道编码技术能够提高水声通信系统的误码性能。
（一）Reed －Solomon 码
1960 年I.S Reed 和G .Solomond 提出RS 码,又称Reed －Solomon 码，RS 码是一类纠错能力很强的多进制BCH 码。
RS 码是在GF(q)上长度为N=q-1的本原BCH 码。冗余根据可纠正错误确定，通常等于2t 个字符。这样，编码具有k=q-2t-1个信息字符。这种码具有N 个信息字符，可纠正t 个错误。长度为N ，设计距离为=q-k δ的RS 码的生成多项式为：
)())()(()(1321-----=δααααx x x x x g (1) 本论文系统中实现的编码器按图1工作。开始编码前，向A0~A13或A0~A11单元写入信息字符（分别对应1个或2个可纠错码）。P0~P15单元记载类构造器算出的校验多项式的系数值。然后校验多项式系数和信息字相乘并相加，如图所示。运算的结果得出校验字符，存入A0（此时，信息字符向左移位）。生成过程继续，直到A15出现信息字高位元素。这样，在编码中，为纠正1个错误，必须进行2次迭代；为纠正2个错误，必须进行4次。
∑
图1 RS 码编码器的结构
纠错码的译码问题，一直是编码理论中最感兴趣的课题之一。RS 在短和中的码长下，具有很好的纠错性能，构造容易，故得到广泛应用。
RS 的译码基本上分为3步：第一步是由接收到的R(x)计算出伴随式；第2步由伴随式找出错误图样E(x)；第3步由R(x)- E(x)得到可能发送的码字C(x)。
记q(x)为信息多项式，则发送码字C(x)＝q(x)g(x)，接收到的码字:
R(x)＝C(x)＋E(x) (2)
设错误图样为:
012
2-n 1
1-n e e e e E(x)++++=--x x
x
n n
(3)
若信道产生t 个错误，则:
1
1
11)(l l t l t x
Y x
Y x
Y x E t t
+++=-- (4)
i
l x
称为错误位置数，表明错误发生在R(x)中的第n-i
l (1
-n x
的系数算作第一位)，
错误值为i Y ，则有：
t t x Y x Y x Y S +++= 22111
22222112t t x Y x Y x Y S +++= (5)
t t t t t t x Y x Y x Y S 22222112+++=
我们可以用上述的2t 个方程求出2t 个未知数i i y x ,，要直接求解上述方程比较困难。所以分两步进行，先求出错误位置i x ,然后求出错误值i y 。由此引入错误多项式:
)1()1)(1()(21x x x x x x x t ---= σ (6)
若第l 个错误位置1-=l x x ,则0)(1=-l x σ。因此，求错误位置就是求解位置多项式)(x σ的根。因为方程的根一定在GF(q)上，为了检验第l 位l n r -是否有错误，相当于译码器要确定l n a -是否是错误位置数，这等于校验)(l n a --是否是)(x σ的根。如果是，则
0)()()
(==--l
l n a a
σσ
(7)
1221-=+++tl
t l
l
a a a σσσ l n r -有错 1221-≠+++tl
t l l
a
a
a σσσ
l n r -正确
这样一次对每一个)(l n a --进行校验，就求出了)(x σ的根。解出)(x σ的根
t x x x x ,,,321 以后，代入(4)解出错误值为:
[]X x x S x x x S x x x S x Y t t t i t t t
i t i i ?????
???????=+++
1
1
22
1
221111
(8)
（二）卷积码
卷积码，或称连环码，是由P.Elias 于1955年提出来的一种非分组码。它与分组码不同的是，卷积码编码器把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1-N 个（N >1，整数）信息段有关联。一般称N 为码的约束长度，卷积码通常被记作（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，N 为约束长度，它的编码效率为n k R /=。卷积码在编码过程中充分利用了各组之间的相关性，无论从
理论上还是实践上均已证明其性能要优于分组码，随着N的增加，卷积码的纠
错能力随之增强，误码率也成指数下降，因此卷积码以其优越的性能被广泛的应
用在数字通信系统中，（2，1，7）卷积码已经是国际卫星通信的标准。其编码方
式如下图2：
图2（2 1 7）卷积码编码器的结构
对卷积码的译码现在都采用Viterbi译码，它是一种改进的最大似然译码方法，因其纠错能力强而得到广泛的应用。在接收端的译码过程中，根据对接收码元处理方式的不同，分为硬判决和软判决译码。硬判决译码简单而易于实现，但是比起软判决译码有3dB的性能损失，本系统采用硬判决译码。硬判决Viterbi译码中，具有最大似然函数的路径是欧几里得距离(ED)最小路径。Viterbi译码器是根据网格图进行译码的，它对进入网格图中J时刻的每一状态的两条路径进行比较，保留似然值最小路径作为幸存路径，然后延伸一个时间单位至j+1，按同样方式进行比较、计算，最后按一定的判决深度s进行判决，作为译码输出。
大多数用来提高信道传输可靠性的码在信道差错满足统计独立时使用起来
很有效，AWGN信道就是这样，但是对于具有多径和衰落特点的水声信道，其
差错特性就具有突发性。处理突发差错信道的一个有效办法就是对编码数据实行
交织，把突发差错信道转变为统计独立差错的信道。由于交织/解交织的效果，
突发错误在时间上被分散，于是在每个码字上的差错就显得独立了。
（三）交织技术
常用的交织技术主要有两类：分组交织和随机交织。
分组交织就是将数据流分成长度为W*L的块，将数据逐行写入一个L行W
列的矩阵形缓冲区，写满后再逐列读出。
分组交织属于固定周期式排列的交织器，避免不了在特殊情况下，将随机独立错
误交织成突发错误的可能性，再者对于突发错误不能很好预知的信道，交织参数
不能很好预设，为了克服这些不足，就需要用到随机交织。随机交织器是一种随
机置换过程，信息序列交织后的输出是随机的序列。当输入信号向量X的长度
为N时，它随机产生一个长度为N的置换向量E，这个置换向量E是介于1和
N之间的一个排列。随机交织根据这个置换向量把输入信号)(i
X置换为输出信
号：))(()(i E X i Y =。 （四）计算机仿真
本文利用Matlab 进行算法仿真验证，系统仿真参数为：FFT 点数为fft T =8192，保护间隔(循环前缀)g T =2048；采样频率设置为kHz 1.44；系统仿真时，信号的频带约为612kHz kHz -，子载波间隔为5.38Hz ；共1115个子载波。这里给出模拟浅海水声信道模型下的仿真结果。采用某水声信道仿真软件来模拟浅海水声信道，模拟海深约为50米；声源位于水平距离0米、垂直深度10米的位置；接收机位于水平距离5000米、垂直深度20米的位置；从声源到接收机共有41条多径。
1）、RS (15 9)码仿真结果：
10
10
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10
10
SNR (dB)
B E R
水声信道模型下不同调制方式仿真结果
图3 未加信道编码的不同调制方式下的蒙特卡洛仿真
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1010
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SNR (dB)
B E R
RS 同调制方式蒙特卡洛仿真
图4 RS 码不同调制方式下的蒙特卡洛仿真
比较两图可以看出加RS 码性能有所改善，但不明显。这说明RS 码在低阶
调制或在原始误码率较低的情况下有较好性能。
2）、卷积码仿真结果：
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SNR (dB)
B E R
卷积码（2 1 7）不同调制方式蒙特卡罗仿真
图5 （2 1 7）卷积码不同调制方式下的蒙特卡洛仿真
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10
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SNR (dB)
B E R
8PSK 调制方式下不同卷积码性能比较
图6 8PSK 调制方式下不同参数卷积码的性能比较
从上面的仿真图中可以看出，当信噪比较大时，卷积码体现出很好的误码特性和编码增益，而在信噪比较低时，卷积码的性能有所下降。可以看出，码率相同时，约束长度越大，误码性能偏好。约束长度一样，码率越低，误码性能越好。而且卷积码的纠错能力要强于RS 码。
（五）信道编码的水池实验
水池及实验设备的摆放示意图及试验系统结构图见图5.1和5.2，各尺寸如图标注。水深约1.6m ，声源、水听器深约0.8m ，距前池壁1.2m 。
图7 水池试验场景图
图8 水池试验系统结构图
试验借助计算机，采用声卡发送接收，声卡的采样频率为44.1kHz（收发之间肯定存在偏差），于2008年12月18-22日在水声工程学院信道水池进行高速水声OFDM通信试验。对于水池试验，系统主要参数设计为：分配给系统的频带范围为6kHz～12kHz；收发换能器的距离大约5米；FFT点数为8192；保护间隔为2048；有效子载波数量为1115；A、D转换采用声卡，采样率为44100；试验采用线性调频信号为同步信号，其起始频率为9kHz，持续时间为20ms。
三、RS编码的试验结果
表1 RS编码试验结果
由以上试验结果可以看出，加RS编码后通信系统性能有所改善，在低阶调
制或在原始误码率较低的情况下比较明显，在高阶调制时误码率基本下降了一数
量级达到3
10 。
四、卷积码的试验结果
约束长度越大（一般约束长度小于10），误码性能偏好。而且卷积码的纠错能力要强于RS码。
一种水声信道仿真设计方法 【摘要】本文提出了一种通过改变脉冲响应估算时间从而进行水声信道仿真（EUAC）的方法，该方法不需要海上试验就能对任一特定信号的通信方案进行信道输出估计，因此节省了时间和资源。这种方法首先需要进行一组海上试验。在每一次试验中，发送特定的窄带自相关信号，然后记录它们的响应，这样可以得到真实信道的冲激响应、多普勒漂移和相移的估计。应用这组海试结果建立一个EUAC数据库，该数据库将有助于在不经过海上试验的条件下对各种通信方法的性能进行评估。 【关键词】水声信道;数学模型;仿真 1.引言 本文描述了一种测量和仿真水声信道的方法，该方法能够用来建立一个仿真信道数据库。研究发现，特定信号的仿真信道响应（ECR）与真实信道响应具有典型的高相关性（大于80%）。适合测量信道冲激响应的波形，其自相关函数几乎接近一个脉冲。这意味着所使用的测试信号应具有尽可能宽的带宽。为了增加测试信号波形的功率，并使其超过极短单脉冲功率，需要用到一个带有高时间带宽积的信号波形。 对于特定信号的水声信道仿真（EUAC），我们假定信道是线性时不变（LTI）系统，因此，在信道冲激响应评估前，应对所有信道的非线性和时变特征进行单独评估和修正。随后，这些特征将被加入到仿真信号。 本论文提出的信道仿真方法包括两个阶段：（1）冲激响应和信道特征评估，仿真处理和数据库建立。（2）挑选及核查被仿真信道，在精选的仿真信道和在任何想要的信噪比的噪声条件下发射一个特定信号。 2.水声信道的特征 水下声信道是具有时变、频率选择性、空间不相关特征的加性有色高斯噪声信道，对特定频率和距离的声波具有较强的吸收，加之多途现象，从而导致信号衰减。水声信道的特征在以下分节中进行描述。 2.1 多普勒频移 接收机与发射机的相对运动或者介质运动（在不可忽略的流动条件下）可以改变声波通过信道的频率。这种在载波信号中频域和时域的明显改变就叫做多普勒频移。 假设声源和观察者的相对速度（v）远小于声速（c），则被观测的声波频率[1]由下式表示：
水声通信系统中的信道编码技术研究 信道编码定理为人们探索信道的最佳编码方案提供了理论依据，但并没有指明如何获得好码。目前，出现了多种信道编码方案，如RS 码、卷积码、级联码等。本文简要介绍了RS 码和卷积码的基本原理，并进行了相应的计算机仿真，并给出了加入了RS 码和卷积码水声通信系统的水池实验数据，结果表明利用信道编码技术能够提高水声通信系统的误码性能。 （一）Reed －Solomon 码 1960 年I.S Reed 和G .Solomond 提出RS 码,又称Reed －Solomon 码，RS 码是一类纠错能力很强的多进制BCH 码。 RS 码是在GF(q)上长度为N=q-1的本原BCH 码。冗余根据可纠正错误确定，通常等于2t 个字符。这样，编码具有k=q-2t-1个信息字符。这种码具有N 个信息字符，可纠正t 个错误。长度为N ，设计距离为=q-k δ的RS 码的生成多项式为： )())()(()(1321-----=δααααx x x x x g (1) 本论文系统中实现的编码器按图1工作。开始编码前，向A0~A13或A0~A11单元写入信息字符（分别对应1个或2个可纠错码）。P0~P15单元记载类构造器算出的校验多项式的系数值。然后校验多项式系数和信息字相乘并相加，如图所示。运算的结果得出校验字符，存入A0（此时，信息字符向左移位）。生成过程继续，直到A15出现信息字高位元素。这样，在编码中，为纠正1个错误，必须进行2次迭代；为纠正2个错误，必须进行4次。 ∑ 图1 RS 码编码器的结构 纠错码的译码问题，一直是编码理论中最感兴趣的课题之一。RS 在短和中的码长下，具有很好的纠错性能，构造容易，故得到广泛应用。 RS 的译码基本上分为3步：第一步是由接收到的R(x)计算出伴随式；第2步由伴随式找出错误图样E(x)；第3步由R(x)- E(x)得到可能发送的码字C(x)。 记q(x)为信息多项式，则发送码字C(x)＝q(x)g(x)，接收到的码字:
武汉理工大学 宽带网络技术论文COFDM信道编码与同步技术的研究
目录 摘要 (2) ABSTRACT (3) 1. COFDM概述 (4) 1.1 COFDM简介 (4) 1.2 COFDM基本原理简介 (4) 2. COFDM的编码 (6) 2.1 RS码 (6) 2.2卷积码 (7) 2.3 交织 (7) 3. COFDM中的同步技术 (9) 3.1 COFDM中采样钟同步的实现 (9) 3.2符号同步和载波同步 (10) 4. 总结 (12) 5. 参考文献 (13)
摘要 编码正交频分复用(COFDM)是一种多载波数字通信调制技术，它具有频谱利用率高和可对抗多径时延扩展等特点，因此通常被认为是超3代移动通信系统中的核心技术。其基本原理是将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠的子信道进行窄带传输。在接收端，虽然频谱相互重叠，但是只要保证各子信道上信号的正交性，就可以将各信道上的信号正确分离。 本文重点研究了COFDM通信系统中的编码技术，包括RS码、卷积码、交织码。还研究了COFDM通信系统中的同步技术，详细分析了钟同步、符号同步和载波同步的原理和实现方法。 关键词：编码正交频分复用、编码、同步、频谱
ABSTRACT Coded orthogonal frequency division multiplexing (COFDM) is a multi-carrier modulation digital communication technology, combined with high spectrum efficiency, combat multi-path delay spread and other characteristics, which is generally considered over the 3rd generation mobile communication system core technology. The basic principle is the frequency domain, a broadband channel into multiple overlapping narrowband sub channels for transmission. At the receiving end-device, the channel's signal can be properly separated while the orthogonal of sub-channel can be ensured despite of the spectral overlap. This paper introduces the COFDM coding techniques in communications systems, including RS codes, convolution codes, interleaved code. COFDM, and studied synchronization in communication systems, introduce a detailed analysis of clock synchronization, symbol synchronization and carrier synchronization of the principle and method. KEYWORDS: COFDM, code, synchronization, spectrum
毕业设计开题报告 题目信道编码技术研究 一、研究背景 近些年来，数字通信领域尤其是移动通信，卫星通信和计算机通信有了巨大的增长。在这些系统中，信息被表示成一个二进制的码元序列。然后这些二进制的码经过调制并被送到传输信道中传输。 由于环境干扰和传输介质的物理缺陷，数据在传输中可能损坏并发生错误。因此为了确保一个可靠的传输，信息在传输过程中需要增加保护措施。差错控制编码就是这样的一种应用，在数字通信中用于保护信息不被噪声低干扰和检错纠错上，以此来减少误码数，进而提高通信的质量。 二、国内外研究现状 随着现代通信技术和计算机技术的迅速发展，每天都在不断涌现新的通信业务和信息业务，同时用户对通信质量和数据传输速率的要求也在不断提高。1948年，数学家Shannon 提出了嫡及了信道容量的概念，同时他还提出了著名的信道编码定理从而奠定了信息理论的基础.当今社会，信道编码技术的纠错码包含有RS编码、卷积码、和Turbo码等。RS编码即里德-所罗门码，它能够纠正多个错误的纠错码。卷积码非常适用于纠正随机错误，但是，解码算法本身的特性却是：如果在解码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。为此在卷积码的上部采用RS码块，RS码适用于检测和校正那些由解码器产生的突发性错误。所以卷积码和RS码结合在一起可以起到相互补偿的作用。Turbo码是一种先进的信道编码技术，由于其不需要进行两次编码，所以其编码效率比传统的RS+卷积码要好。在现今社会，信道编码广泛使用于卫星通信、无人机测控、深空通信、移动通信、水声通信等数字通信系统，甚至被采纳到某些无线通信的标准之中，如GSM、IS-95和CDMA2000的标准。随着信道编码理论和数字通信技术不断发展，信道编码技术会在通信工程领域得到越来越广泛的应用。 三、论文进行的主要工作 1.信道编码：为了与信道的统计特性相匹配，并区分通路和提高通信的可靠性，而在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。 数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。 2.卷积码：将k个信息比特编成n个比特，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。卷积码编码器以二元码为例，输入信息序列为u=(u0，u1，…)，其多项式表示为u(x)=u0+u1x+…+ulxl+…。编码器的连接可用多项式表示为g(1,1)(x)=1+x+x2和g(1,2)(x)=1+x2，称为码的子生成多项式。它们的系数矢量g(1,1)=(111)和g(1,2)=(101)称作码的子生成元。以子生成多项式为阵元构成的多项式矩阵G(x)=[g(1,1)(x),g(1,2)(x)]，称为码的生成多项式矩阵。由生成元构成的半无限矩阵。
通信系统中的信道编码方法 Xx （xx大学信息工程学院，湖北武汉430070） 摘要：目前，中国固定和移动两大网络的规模都已位居世界第2位，上网用户也在不断增加，中国的信息通信制造业也得到很大的发展。中国将加快建设新一代信息通信网络技术、生产体系。在信息通信网络的高速发展下，要有效地提高传输速率，然而在实际信道上传输数字信号时，由于信道特性的不理想以及加性噪声和人为干扰的影响，系统输出的数字信息不可避免地会出现差错。因此，为了保证通信内容的可靠性和准确性，每一个数字通信系统对输出信息码的差错概率即误码率都有一定的要求。 为了降低误码率，常用的方法有两种：一种是降低数字信道本身引起的误码，可采取的方法有：选择高质量的传输线路、改善信道的传输特性、增加信号的发送能量、选择有较强的抗干扰能力的调制解调方案等；另一种方法就是采用差错控制措施，使用信道编码。在许多情况下，信道的改善是不可能的或是不经济的，这时只能采用信道编码方法。因此实现信道编码方法具有重要的意义。 关键词：信道，误码率，信道编码 Abstract：At present, the scale of the fixed and mobile network are ranked 2 in the world, the Internet users are always growing, China’s information and communication industry has got a lot of development. China will speed up the construction of a new generation of information and communications network technology and production system. Under the fast development of information and communication network, we should improve the transmission rate effectively, however, when transmitting digital signals in actual channels, there are mistakes in the system outputs of digital signals inevitably due to not ideal characteristics of the channels and additive noise as well as man-made interference. Though, in order to ensure dependability and accuracy of communication contents, a digital communications system for each output code error probability of bit error rate that has certain requirements. To reduce the error rate, there are commonly two ways: one is to reduce the number of channel bit error caused by its own, the following methods: Select high-quality transmission lines, to improve the transmission characteristics of the channel ,to increase signal transmission power, Select a strong anti-interference ability of modulation and demodulation programs; the other method is to use error-control measures , to use channel coding. In many cases, the improvement of the channel is not possible or not economical, then we can only use channel coding. Therefore, implementing channel coding method is significant. Keywords：channel，code errorrate，channel coding，
水声通信FSK调制系统性能仿真 钟方盛石亦敏张杰峰 一.仿真要求 仿真一下单发单收、FSK调制下得水下通信系统性能。 中心频率有两个:2１~27KHｚ,带宽6KHz；55～65KHz，带宽1０KHz; 信道:AＷGN及单径Rayleigh衰落; 通信距离１Ｋｍ、8Km; 通信速率:未定（通过仿真确定); 给出BER vｓSＮR 得曲线; 其她可以认为就是理想得； 二．带宽、码元速率与频率间隔分析 带宽;波特率；一共有个频率点,相邻频率间隔。 1、基带信号带宽与波特率 , 其中就是比特率,为滚降因子。取＝1，则基带系统所需带宽 2、带宽与波特率、频率间隔 3、频率点设置 频段为,其中为最小频率,为最大频率,则中心频率为,带宽为。 设波特率为，那么相邻频率间隔为。 因此,可以设计频率点得值为 。 三.信道建模与最佳接收 1、信道建模 对于ＭFSK,经过单径Ｒayｌeiｇｈ衰落及ＡＷＧN噪声,可以将信号建模成 ,
其中服从参数为得瑞利分布,服从得均匀分布,高斯噪声,就是ＭFSK调制中得频点。 由于若X、Ｙ相互独立且都服从，那么服从参数为得瑞利分布。因此,可以根据这个来设计瑞利分布。 2、最佳接收 经过理论推导，可以得到检测统计量,，对于都成立,则判为。 而这等价于都成立,这判为,其中 四．不同瑞利分布参数与速率下得BEＲ-SNＲ仿真曲线 注： (1)以下曲线中,Ｘ坐标为ＳNＲ(ｄB),Y坐标为BER(误比特率,对数坐标)；不同颜色代表不同有效比特速率,即经过１／2卷积码信道编码。 (2)在比特速率与SＮR确定时，瑞利分布参数对BＥR有很大影响,越小信道越优良,误比特B ＥR越小。因此为了折衷考虑,选择＝0、５来进行仿真。 1、中心频率２1～27KHz,带宽６KHz (１)2ＦＳK，瑞利分布参数=０、5, 有效比特率为0、４、０、６、0、8、1、0、１、2kbps (2)4FSK,瑞利分布参数=0、5, 有效比特率为0、8、1、2、１、6、2、０、2、４kbps
0 引言 通信技术的发展主要集中在空间通信上。近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。声波是目前水中信息传输的主要载体。因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。 水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。 1 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。 70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。 随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补
数字通信系统中信道编码技术的研究 xx (xx，湖北武汉，xx) 摘要：目前，中国固定和移动两大网络的规模都已位居世界第2位，上网用户也在不断增加，中国的信息通信制造业也得到很大的发展。中国将加快建设新一代信息通信网络技术、生产体系。在信息通信网络的高速发展下，要有效地提高传输速率，然而在实际信道上传输数字信号时，由于信道特性的不理想以及加性噪声和人为干扰的影响，系统输出的数字信息不可避免地会出现差错。因此，为了保证通信内容的可靠性和准确性，每一个数字通信系统对输出信息码的差错概率即误码率都有一定的要求。 为了降低误码率，常用的方法有两种：一种是降低数字信道本身引起的误码，可采取的方法有：选择高质量的传输线路、改善信道的传输特性、增加信号的发送能量、选择有较强的抗干扰能力的调制解调方案等； 另一种方法就是采用差错控制措施，使用信道编码。在许多情况下，信道的改善是不可能的或是不经济的，这时只能采用信道编码方法。因此实现信道编码方法具有重要的意义。 关键词：信道；误码率；信道编码 1. 信道编码 在数字电视和通信系统中，为提高信息传输可靠性，广泛使用了具有一定纠错能力的信道编码技术，如奇偶校验码、行列监督码、恒比码、汉明码、循环码（CRC）等编码技术。信道编码的本质是增加通信的可靠性，或者说增加整个系统的抗干扰性。对信道编码有以下要求：1.透明性：要求对所传消息的内容不加任何限制；2.有纠错能力；3.效率高：为了与信道频谱匹配和具有纠错能力，通常要向原信号添加一些码，要求加入最少的比特数而得到最大的利益；4.包含适当的定时信息。在这些要求中，除编码的必须信息外，所作的处理主要有两条：一是要求码列的频谱特性适应通道的频谱特性从而使传输过程中能量损失最小，提高信噪比。减少发生差错的可能性；二是增加纠错能力，使得即便出现差错，也能得到纠正。 2.三种不同系统的无线信道 （1）数字微波中继通信系统中的无线信道 一般意义下的数字微波中继系统主要用于固定站点之间的无线通信，通常使用1GHZ以上的频段，采用视距通信。为了能够传输更远的距离，需要微波站建设在海拔较高的地方，通常在站点设计时使用微波链路满足自由空间传播条件，即视线距离地面有足够的余隙，此时信号的衰减近似看作只有由于距离的增加而带来的信号能量的扩散，信道条件比较稳定。 （2）短波电离层信道 对于短波电离层信道，电离层随机扰动和多径效应是最主要的特点。电离层扰动本质上决定了短波电离层反射通信的特点，即信道不稳定，信号的起伏和衰落较大。多径效应是指无线信号经过
浅海水声信道模型 对浅海水声信道建模，一方面可以大致估计水声通信设备在不同水声信道下的性能；另一方面，可以很方便地控制各种不同的输入参数，以便模拟不同的实际环境，大大节省出海实验的费用和时间。 但是，要想获得完全符合实际应用环境的水下通信信道的解析模型在目前是不可能的，我们只能在假设一些理想条件的前提下，针对浅海信道影响信号传输和接收的主要干扰因素加以考虑，建一个半经验的模型。 水声信道尤其是浅海水声信道是典型的变参信道，其特性随时间和空间不断地变化，称为时变多径衰落信道。在水声数字通信系统的研究中，常用图3-3的模型表示： 图3-3 浅海水声信道模型 图中，()i s t 为发射信号，(;)h t τ为水声信道单位冲激响应，()n t 为信道噪声，()r s t 为经过信道后的信号，()r t 为接收信号，其中t 为时间变量，τ为时间延迟。则接收信号可表示为： ()()()(;)()()r i r t s t n t h t s t d n t τττ=+= -+? （3-13） 根据浅海水声信道的特点，浅海水声信道可以建立两类模型[5,27,28]：一是建立一个N 径非时变的确定性模型。二是建立一个随机统计模型，对于近距离的浅海水声信道可以建立莱斯衰落和加性高斯白噪声信道模型；对于中、远距离的浅海水声信道可以建立瑞利衰落和加性高斯白噪声信道模型。 3.2.1 N 径确定性模型 针对浅海水声信道，在建立浅海水声信道N 径确定性传播模型之前，
先假设几个理想条件： 1) 水深为常数； 2) 当声线掠射角小于5°、载波频率小于50KHz 和海底介质的密度大于 3 1.4 /g c m （例如 沙，淤泥，粘土等介质） 时，海底的反射系数b r 近似为1， 同时相位偏移为180°,考虑到浅海海底介质一般由细沙和淤泥构成，同时掠射角总是大于0°，无论怎样，声波由海底反射时，声能总是有所损失的，而且随着掠射角的增大而增加，在这里假设海底的反射系数等于0.9； 3) 海面的粗糙程度可以用瑞利参数R 来描述： ) sin(2?σπc f R = （3-14） 其中，f 为工作频率，c 为声速，σ为海面波浪高度（波峰到波谷）的均方根值，?为声线掠射角。经验数据表明，当瑞利参数1<
水声通信 水声通信是一项在水下收发信息的技术。它的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后，由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到远方的接收换能器，这时声信号又转换为电信号，经过放大、滤波和数字化后，数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理，还原成声音、文字及图片。 特点： 声波通信是水下远程无线信息传输的唯一有效和成熟的手段。声波是水中信息的主要载体，广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。 水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式： c=1449.2+4.6T-0.055T2+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D 其中：r是海水温度，s是盐度，D是深度。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。 举例： （一）我国厦门大学以许克平教授为首的这个课题组出色地完成了国家交给他们的863项目，已经成功解决了在10公里之内水下信号相互清晰的传递，他们这个系统已达到实用要求。他们认真分析了世界上抗多途干扰的几种方法，最后课题组一致认为还是采用电磁波抗干扰的手段——跳频通信，它既能抗多途径干扰又能保证信息安全。 如果电磁波的跳频技术用在海中，频率资源充足的情况下传输一组信号，频率相差大时，电路内部做处理的时候，就用两个不同频率表示1和0，相当于颜色相差大，如：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这一组信号代表一个文字，碰到干扰后虽然到达的时间不一致，但由于颜色区别大也就是频率相差大接收方就容易辨认了，这样就解决了信号干扰问题。经过攻关他们研制出一个全新的跳频技术，终于成功解决了多途径干扰问题。因为语音传输是水声通信最难攻克的瓶颈问题，要求精确度极高，难度也最大，语音传输成功的实现，使这个项目完全成功了，他们做到了。 （二）水声通信是当前海洋军事中最重要和关键的技术，该研究方向发挥厦门大学电子与海洋等相关学科专业的优势和特色，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“863”相关课题项目, “水下图像传输系统”项目通过国家“863”专家组验收。该系统能在浅海域实现全方向无缆图象信息传输，每8秒传送一帧（160*100象素，十六级灰度），距离10公里。99年中国国际高新技术成果交易会
摘要 星间链路的通信信道由于传输距离遥远加上存在来自各个方面的无线电干扰，使信号传输时延大，造成信号能量衰减严重。因此有必要在星间链路通信中采用信道编码。Turbo码与LDPC码以其各自逼近香农限的优越性能被引入到CCSDS标准并在卫星通信领域被广泛应用。 本文首先研究了Turbo码的编码原理及译码算法，在此基础上完成了Turbo码编译码系统的设计并对影响Turbo码性能的参数进行了分析和仿真。然后对LDPC码的编译码进行了系统的分析和研究，并结合星间链路信道的特点，选用QC-LDPC码字，设计了LDPC码编译码方案并对仿真结果进行了分析。 在此基础上，本文还根据Log-BP算法，结合PSO优化算法给出了改进的LDPC码译码算法并对该算法进行了仿真验证，仿真结果表明该算法性能与Log-BP算法相比在一定条件下可获得0.1dB的额外编码增益。 最后，论文根据对LDPC码的分析，运用Verilog语言在Quartus II环境下完成了LDPC码编译码器的FPGA设计，设计选用QC-LDPC码字和最小和算法，译码部分采用部分并行结构。论文对该设计进行了初步的编译码性能测试并对对译码器的码速率及占用资源进行了详细分析。综合结果表明在资源消耗上比以往设计有了很大改进。 关键词：星间链路，Turbo码，LDPC码，译码算法，部分并行译码结构
Abstract The inter-satellite channel of ISL has large signal transmission time and serious signal attenuation because of long transmission distance and wireless interference from many aspects. Therefore it is necessary to using channel coding in inter-satellite channel. Turbo codes and LDPC codes have been introduced to CCSDS standard with their excellent performances of approaching to Shannon Limit and widely used in Satellite Communication. This thesis firstly researches the basic theory of Turbo codes and the method of Turbo codes encoding and decoding, and then analyses the factors which impact the performance of Turbo codes. The analyses are proved by the simulation results. Then this thesis offers a comprehensive study on the performance of LDPC codes. The author then presents a scheme of LDPC codes encoding and decoding with QC-LDPC codes combined with characteristics of ISL channel whereafter the simulation results are given and analysed. Ulteriorly, the author presents a new decoding algorithm based on Log-BP and PSO algorithm followed by simulation results, which shows that performance of proposed decoding algorithm is 0.1dB better than that of standard Log-BP decoding at certain conditions. Finally, this thesis finishes the design FPGA program for LDPC codes encoding and decoding based on Quartus II system with Verilog language. The hardware decoding algorithm is SPA algorithm and is designed by partly parallel structure. Based on it, the author tests the system's primary encoding and decoding performance and analyses the decoder's decoding rate and expended resources, which shows a great improvement on hardware resources consumption compared to previous architectures. Keywords:ISL, Turbo Codes, LDPC Codes, Decoding Algorithm, Partly Parallel Decoding Structure
CDMA的语音编码与信道编码 摘要：随着3G移动通信技术的逐步实现以及移动通信与互联网的融合，全球正迅速步入移动信息时代。CDMA已被广泛接纳为第三代移动通信的核心技术之一，它具有优越的性能。本文主要介绍CDMA中常用的语音编码技术与信道技术。 关键词：语音编码信道编码受激励线性编码码激励线性预测编码矢量和激励线性预测编码编码器解码器卷积码 1 CDMA中的语音编码技术 语音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。在数字移动通信中，语音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的系统容量。目前，国际上语音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和提高话音质量。 1.1 语音编码技术的分类 语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。 ●波形编码：是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将 幅度量化，对每个量化点用代码表示。解码是相反过程，将接收的数字 序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。波形编码能提供很好的话音质 量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。 脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）常见的波形编码，其编码速率 在16～64kbps。 ●参量编码：又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个 特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，达到2～4.8kbps。 但话音质量只能达到中等。 ●混合编码：是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量 优点又有参量编码的低速率优点。其压缩比达到4～16kbps。泛欧GSM 系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）就是混合编码方案。1.2 CDMA的语音编码
水声通信网络浅析 摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究。水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。 关键词：水声通信网络发展现状 AUV 1.发展现状 目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域，都对水下通信有着极大的需求。 尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率，这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低，目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术，比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM）和单边带（SSB）水下电话。随着VLSI（very large scale intergration，超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。80年代后期出现了水声相干通信，与非相干通信相比，水声相干通信技术可以提高有限带宽水声信道的带宽效率，但是由于水声信道的传播特性恶劣，水声相干通信刚开始并不被接受。90年代DSP（digital signal processing，数字信号处理）芯片技术和数字通信理论的发展使许多复杂信道均衡技术均可以实现，带动了水声相干通信技术的发展，并促使其开始转向对水平信道通信的研究。水下通信发展的一个里程碑式的关键环节是水下声学调制解调器的出现。最早的水下声学网络应用概念是1993年美国提出的自主海洋采样网（AOSN）。美国自1998 年起开始了称为“海网（SeaWeb）”的年度实验，意在验证水下声学网络的概念与实际使用效果。 2. 水声通信网络的特点与拓扑 水声通信网络的节点有以下几个特点：第一，移动性，因此必须是能够自组织的自主网络，遵循一定的网络路由方式；第二，由于采用水下无线通信方式，因此必须能够自适应海洋环境特性，能够解决物理层的技术挑战；第三，由于采用电池供电，所以能量受到限制；第四，具有数据传播功能，可把监测数据传达到岸上。 参照陆上无线传感器网络，水声通信网络的拓扑可分为两大类: 中心化的网络（centralized network）和分布式的对等网络（distributed peer-to-peer network）。 在中心化网络中，节点之间的通信是经过中心节点实现的，并且网络通过这个中心节点接入骨干网。这种配置的主要缺点就是存在单一故障点，即这个节点的失效将导致整个网络的失效。同时由于单个调制解调器的作用距离有限，整个网络的覆盖范围也就有限。
水声信道的计算机仿真研究 作者：陈顺举童常根刘敬彪 来源：《现代电子技术》2008年第08期 摘要：简要分析水声信道的传播特性,建立水声时变多径信道的数学模型,给出一种水声信道的多径传播的计算机仿真方法。通过仿真结果,分析水声信道多径传播的特点,有助于对水声信道的了解及相关问题的设计。 关键词：水声信道；多径传播；计算机仿真；多径信道 中图分类号：TP391.9文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2008)08-088- (School of Electronics & Information,Hangzhou Dianzi Abstract：This paper describes the characters of underwater acoustic communication channels.A mathematical model of multipath fading channel in underwater acoustic communication is developed.Through the simulation results,the speciality of multipath,which is helpful to realize the character of the underwater acoustic communication channels is analyzed,and relative projects are Keywords：underwater acoustic channel;multipathpropagation;computer simulation;multipath 当前的通信研究领域中,在水下利用声波进行数字通信是一个热门的研究。尤其是近年来随着海洋开发事业的发展,对水下通信的要求也越来越迫切,大大增加了科研人员投身于水声数字通信的热情。水声信道的研究是水声通信技术研究的重要环节,然而其困于多径干扰而未取得令人满意的进展。本文针对当前多种调制方式在水声信道中的应用,提出一种模拟水声信道多径传播的简化模型,通过计算机仿真对水声信道中几种常用的调制方式进行比较,其结果可对克服水声信道的干扰、选择合适的调制方式提供一些借鉴。 1 水声信道的数学模型
水声通信技术 水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。水声通信及网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构的情景，可广泛地应用于海洋环境观测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。同时，水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣，对通信算法和设备可靠性有较高要求，水声通信及组网成为目前的研究热点。水声通信网络在国外已有20a发展历史，开展较早且具有代表性的是美国的Seaweb网络。美国的Seaweb网络经过多年的试验，实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。欧洲也开展了试验研究。 近年来，在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验、协议规范制定等方面取得长足进步。本文主要介绍面向海洋环境监测的水声通信网技术，并对未来的技术趋势进行展望。
水声通信信道是复杂的信道，信道带宽窄、传播速度慢、时变性强、频率选择性衰落、噪声严重等不利因素在水声通信信道中都很明显。如何针对水声信道特点，采取高性能、可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。物理层主要解决利用信道进行点对点的可靠通信的问题，物理层技术方案主要包括调制解调和纠错码两部分内容。对于水声通信中的调制解调技术，一般根据接收端是否恢复原始载波相位可划分为相干通信和非相干通信。