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基于OFDM技术水声通信硬件平台设计的开题报告一、选题背景及意义随着人类社会的发展，各种现代化设施的加入，水声环境面临着越来越大的挑战。
例如：浅海区域的噪声、水下水平、海浪、底部反射等常常会对水声通信造成很大的影响，导致数据传输的中断和信号质量的下降，因此如何提高水声通信的可靠性和稳定性成为了当前一个热门的研究方向。
而OFDM(正交频分复用)技术由于其抗干扰能力强、传输速率高的特点，被广泛应用于无线通信和数据传输领域，对水声通信的发展也具有越来越重要的意义。
因此本选题旨在基于OFDM技术设计一种水声通信硬件平台，提高水声通信的可靠性和稳定性。
二、研究内容和技术路线本选题主要研究内容包括水声通信技术以及OFDM技术。
首先，研究水声通信技术，探索水声信道传输特点，了解水声通信硬件平台需具备的基本功能，如自适应调制、自适应多径抑制、信号处理、自动增益控制等。
在此基础上，设计一种合适的水声通信硬件平台。
其次，应用OFDM技术对水声通信信道进行建模和优化，降低水声通信对信道的灵敏度，并提高信号的传输速率和可靠性。
同时，利用现代数字信号处理方法，对接收到的信号进行预处理、多普勒处理和载波相位同步等操作。
最后，利用所设计的硬件平台和OFDM技术进行实测，验证其传输效果和性能指标，并对所得数据进行分析和总结，提出改进方案并不断优化硬件平台。
三、计划进度安排1.完成选题及研究方案 5天2.详细研究水声通信技术及OFDM技术，及其在水声通信中的应用20天3.设计并调试水声通信硬件平台 20天4.进行实验，采集数据，分析数据，并对所得数据进行总结、分析和评价，提出改进方案并不断优化硬件平台 30天5.完成论文撰写和答辩准备 20天四、预期成果1.设计一种基于OFDM技术的水声通信硬件平台，该平台能够提高水声通信的可靠性和稳定性，同时满足自适应调制、自适应多径抑制、信号处理、自动增益控制等基本功能要求。
2.进行实验，并对所得数据进行分析和总结，提出改进方案并不断优化硬件平台。
面向高速列车运行的正交频分复用通信技术研究随着高速列车在人们生活中扮演的角色日渐重要，要求高速列车内外的通信技术不断地升级和完善。
实现高速列车内外的通信对于列车服务的安全、舒适和便利提供了重要保障。
然而，高速列车面临的通信技术问题尤其普遍和尖锐，如信号干扰、延时、传输速率等。
一方面，这些问题直接影响着通信数据的传输和接收质量；另一方面，这些问题还会牵连其他系统的工作，给列车的安全带来风险。
因此，在面向高速列车运行的通信领域内，提升通信技术水平，是非常迫切的任务。
目前，通信技术领域有很多技术被用来解决高速列车通信问题。
其中，正交频分复用通信技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）凭借其在抗干扰和传输速度方面的卓越性能被广泛应用在高速列车通信领域。
OFDM技术是一种基于频域的编码与调制方式，将数据信号分解成多个子载波，每个子载波单独Modulate，并最终合成为一条完整的信号。
这种技术能够有效地提高频谱利用率。
OFDM技术在高速列车通信领域的应用，存在如下的优点：第一，OFDM技术的抗多径衰落能力强。
由于高速列车穿行在各种复杂的环境中，受到各种干扰和信道影响，数据的传输很容易受到信号的强度衰减和滞后等问题。
OFDM技术采用频域分割调制的方法，使一个完整的宽带信号被分割成多个载波信号，每个子载波之间互相正交独立，这样就有效避免了多径衰落等的影响，使传输质量的稳定性得到显著提升。
第二，OFDM技术具备强大的抗干扰能力。
在高速列车的行驶过程中，会有其他列车或者城市中的无线电台等干扰信号传输到列车内部，甚至会产生信号互模和互调等现象，导致数据传输的失效。
OFDM技术的频域不同信道之间独立性强，能够有效降低干扰对信号产生的影响，从而保证了数据传输的可靠性。
第三，OFDM技术在频带利用率上具有优势。
由于OFDM技术在频域中实现带宽利用，将一个电信号分播到很多子载波上，不同载波的频带之间互相正交，从而避免了载波重叠和冲突等问题。
水声通信技术研究进展及应用摘要：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，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。
文章介绍了水声通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组成和国内外的发展现状。
最后对未来的水声通信技术作了预测。
关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理1 引言当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。
陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。
有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。
另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。
在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。
而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。
采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。
海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。
研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。
另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。
OFDM水声通信技术研究的开题报告一、研究背景与意义水声通信技术是一种利用水中传播声波进行通信的技术，其在水下探测、海洋资源开发、海洋科学研究等领域具有广泛的应用前景。
由于水下通信信道的复杂性，如长延迟、高衰减、多路径干扰、杂音等，传统的数字信号处理技术对于水声通信的应用不够有效，因此需要采用OFDM技术来提高水声通信系统的传输性能。
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术是一种多载波调制技术，其利用正交子载波和快速傅里叶变换进行信号的多路传输，能够有效地克服多径干扰和频率失真，提高信号的抗干扰性和传输速率。
因此，利用OFDM技术设计水声通信系统是提高水声通信传输性能的重要途径，具有重要的研究意义和应用价值。
二、研究内容和目标本文主要研究利用OFDM技术进行水声通信的关键技术和实现方法。
具体包括以下内容：1. OFDM技术原理及其在水声通信中的应用；2. 水声通信信道特性分析及其对OFDM系统的影响；3. OFDM水声通信系统的信号处理流程及其关键参数设计；4. 实验验证和性能评估。
本项目的主要目标是设计并实现一个OFDM水声通信系统原型，验证其传输性能并进行性能评估，为实际水声通信系统的设计和应用提供参考。
三、研究方法和步骤1. OFDM技术原理研究对OFDM技术的原理和常用算法进行研究，包括快速傅里叶变换（FFT）、反演快速傅里叶变换（IFFT）等。
2. 水声通信信道特性分析分析水声通信信道的特性，包括衰减、多径干扰、杂波等影响因素，对OFDM系统的影响进行分析。
3. OFDM水声通信系统参数设计根据水声通信信道特性和OFDM技术的原理，确定OFDM水声通信系统的设计参数和信号处理流程，包括子载波数量、带宽分配、调制方式、信道编码等。
4. OFDM水声通信系统实验验证设计并实现OFDM水声通信系统原型，对其传输性能进行实际测试，并对实验结果进行性能评估，包括误码率、比特误差率等指标的测试和分析。
水下声学通信技术的研究及应用水下环境下，无线电波不能穿透水体，导致无法使用常规的无线通信方式。
因此，一种基于声学信号传输的水下通信技术应运而生。
这就是水下声学通信技术。
水下声学通信技术利用水中含有的声波传播信号，传输信息。
声波的传播速度比光波和电磁波慢得多，但是在水下环境中，声波传播的距离比光波和电磁波长得多，可以传播数公里甚至更远，从而大大扩展了水下通信的范围。
水下声学通信技术必须克服的主要障碍是声波在水下环境中的传播特性，这个经常被人们称之为水下声学传播问题。
水下声波的传输不稳定，很容易受到水体温度、压力、海况、海底地形等多种因素的影响，从而影响通信质量。
因此，研究声波在水下环境中的传输特性，准确分析传输参数具有决定性的意义。
水下声学通信技术的应用范围非常广泛，可以应用于水下油田、水下采矿、水产养殖、水下科考、水下教育、海洋环境监测和国防军事等领域。
本文将从以下几个方面论述水下声学通信技术的研究及应用。
一、水下声学通信技术的研究现状目前，水下声学通信技术研究已经成为当前海洋技术领域中热门的研究课题之一。
学者们已开发出多种水下声学通信技术，如PDM（脉波调制）技术、OFDM（正交频分复用）技术、MC-CDMA（多载波码分多址）技术、TDMA（时分多址）技术、FH （频率跳变）技术、SSB（单边带调制）技术等。
在水下声学通信技术的研究过程中，信息压缩与传输、通道估计与均衡、多径信道等都是重要的研究课题。
其中，多径信道是最为重要的研究课题之一，因为水下信道存在较强的多径干扰，所以研究人员需要应用一些信道均衡和抗干扰方法来提高通信质量。
二、水下声学通信技术在海洋工程领域的应用（1）水下油田水下油田是一种深海油田开发方式，其储层位于海底以下，常常在深度达到数千米或更深的位置。
对于这种深度的油田，因为其位置远离陆地，联网通讯和数据传输十分困难。
为了实现远程监测和数据传输，利用水下声学通信技术便成为了解决方案。
一种基于前导序列的水声OFDM通信系统设计摘要：正交频分复用技术（OFDM）是水声高速通信的研究热点，针对高速实时水声移动通信需求，设计了一种基于前导序列的水声OFDM通信系统，系统数据帧结构包括前导序列和数据帧体两部分，前导序列采用恒包络零自相关（CAZAC）序列，数据帧体采用循环前缀OFDM（CP-OFDM）结构，每个OFDM符号内含梳状导频和空载波。
该系统利用前导序列估计多普勒因子，利用空载波估计载波频率偏差（CFO），利用梳状导频进行信道估计。
基于Matlab搭建了仿真系统，对多普勒估计与补偿效果和系统误码率进行了仿真研究，仿真结果表明了所设计系统的有效性。
关键词：水声通信；OFDM；前导序列；多普勒估计；空载波中图分类号：TN929.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0281-04Abstract：Orthogonal frequency division multiplexing （OFDM）is a research hotspot for high-speed underwater acoustic communication （UWAC）. Aiming at the requirements of high-speed and real time underwater acoustic mobile communication，a preamble-based UWA OFDMcommunication system is designed，and the data frame structure contains preamble sequence and data frame body.The preamble sequence adopts the constant amplitude zero auto correlation （CAZAC）sequence，the data frame body adopts OFDM structure with cyclic prefix （CP-OFDM）and each OFDM symbol contains comb pilots and null subcarriers. This system utilizes preamble sequence to estimate Doppler factor，calculates the carrier frequency offset （CFO）by utilizing null subcarriers，and utilizes comb pilots for channel estimation. Simulation system is built based on Matlab. The effect of Doppler compensation and system bit error rate is simulated，and the simulation result shows the effectivenessof the designed system.Key words：underwater acoustic communication；OFDM；preamble sequence；Doppler estimation；null subcarrier1 概述由于水声信道的复杂时变性，高速、高可靠的水声通信成为巨大挑战。
文章编号:1007-1385(2008)05-0081-04基于O F D M技术的水下通信研究詹艳艳(沈阳理工大学信息学院,辽宁沈阳 110168)摘 要:正交频分复用技术(O F D M)具有良好的抗多途特性和带宽利用率高的特点。
由于使用并行传输使数据传输速率大大提高,并且通过加循环前缀提高了抗多径干扰的能力,经多径时延信道传输后,接收端通过简单的信道编解码技术即可实现无符号间干扰接收。
O F D M技术受到高速率数据传输系统的青睐,在水下通信中具有很好的应用前景。
关键词:O F D M;R S码;卷积码;水下通信;F F T;Q D P S K中图分类号:X321文献标识码:A 随着海洋开发和信息产业的发展,利用海洋信道传递信息的需求大为增加。
各种数据信息,如遥测数据,水下机器人遥控指令,水下无缆电话,水下电视图象,环境系统中的污染检测数据等,都需要通过水声通信系统进行传送,水声通信系统的商用价值凸现。
与之相应的是水声通信的研究迅速增加。
在近10年间,水声通信技术迅速发展,各种通信技术,如扩频技术、相位相干检测、自适应均衡等都在水声通信系统中得到了广泛的应用。
然而与无线电通信相比,水声通信仍然处于起步阶段,传统的通信技术已难以满足实际需求[1],所以我们必须针对水下环境的特殊性来开发性能更优良的水下通信技术。
水声通信技术与无线电通信技术有很多相似之处,但在信道带宽、数据速率、系统的可靠性等性能指标以及系统结构和组成等诸多方面,水声通信与无线电通信都有很大不同,其关键在于水声信道可能是自然界最复杂的无线通信介质:在中距离的水平信道中,多途时延可能超过60m s,造成长时间的码间干扰,从而限制了系统的传输速率[2];按传播方向和水文条件的不同,信道会出现或快或慢、平坦性或选择性衰落过程;高频吸收损失和低频舰船噪声使得在浅海中等传播距离的信道中传输带宽不足40k H z[3];由于信道时变,在水声信道进行相位跟踪比较困难,很难采用有较高带宽利用率的相位相干检测技术等,这些因收稿日期:2008-03-21作者简介:詹艳艳(1981-),女,辽宁沈阳人,助教,主要研究方向:信号与信息系统。
海洋面积占据着地球总面积的70.8%，因此如何在海上通信是人们很自然就会提出的问题。
原始的海上通信方式包括烽火、信号弹、旗语等，到了电气信息时代，产生了现代化的通信手段。
现在的海上通信包括水上通信和水下通信两种形式。
由于海上通信主要是船舰、潜艇等移动物体之间的通信，因此主要是无线通信，不考虑有线通信。
而水上无线通信环境完全相似与陆地的无线通信环境，因此完全可以使用无线电通信系统。
但水下无线通信却不能再使用无线电通信系统，这是因为电磁波在水这种介质中衰落特别严重，导致无线电通信系统根本无法在水下应用。
后来人们发现声波这种信号在水中的传播距离可以达到通信的要求，因此就催生出了水下声波通信技术。
作为一个通信系统，水下声波通信技术具有通信系统的一般结构，因此跟无线电通信系统相比，它们的唯一区别就是通信所使用的波的种类不同，无线电通信系统使用电磁波实现通信，而水声通信系统使用声波实现通信。
无线电通信系统使用天线发送和接收电磁波，水声通信系统使用换能器在发送端将电信号转换成声波信号，在接收端将声波信号转换成电信号。
水声通信系统如图1所示。
图1 水声通信系统一、水声通信技术的发展概述1914年英国海军部队将研制成功的水声电报系统安装在巡洋舰上，这可以看做是水声通信技术的开端。
第二次世界大战后的1945年，美国海军将研制的水下电话应用在潜艇之间的通信上。
到了20世纪70年代，随着军事和民用对水声通信技术需求的提高，并且电子信息技术也迅速发展，数字调制技术开始应用在水声通信系统中，而在此之前水声通信系统主要使用模拟调制技术。
数字通信技术的优点提高了水声通信系统的传输速率和可靠性。
20世纪90年代至今，数字信号处理技术不断发展，一些新技术也应用在水声通信系统中，包括空间分集、码分多址、扩频技术、水下多载波调制技术、多输入多输出技术、水下通信网络技术等。
因此水下通信技术已经开始从点对点的物理层通信，往多个节点之间数据交换的网络通信方向发展。
发送能耗优化的自适应水声通信技术研究摘 要21世纪是海洋世纪。
近年来，人类对海洋世界的探索不断深入。
出于军事、商业、科考、环保等各个方面的目的，越来越多的高科技设备和平台被布放到水下，例如：无人潜航器(AUV)、深海潜水器、海洋观测网等等。
由于水下设备通常是依靠电池组供电，能耗问题对其至关重要。
针对水下设备在采用水声通信进行信息发送时的能耗问题，本文利用自适应调制编码技术（AMC）开展优化研究。
本文研究在一定误码率要求下，利用自适应调制编码技术实现基于正交频分复用（OFDM）技术的水声通信系统的发送能耗优化，主要研究工作如下：1、测量典型水声通信调制解调器在采用不同发射功率发送不同长度信息字节时的发送能耗。
将水声调制解调器的发送功耗按照不同发射功率级别进行分类，分别为不随发射功率大小改变的固定功耗部分和随发射功率大小改变的可变功耗部分。
针对可变功耗部分，在多个发射功率点进行测量，并利用测量结果进行发送能耗的数学建模。
2、针对水声信道条件的复杂性带来的输入信噪比(ISNR)无法准确指导解码性能的问题，利用已知典型水声通信系统和信道设定简化问题。
推导在特定条件下（典型信道估计模块、典型多径分布情况、典型多普勒频偏、以及特定输入信噪比）的等效信噪比（ESNR）、导频信噪比（PSNR）的取值分布情况，并用其来准确指导解码性能。
针对解出的ESNR与PSNR闭式解，通过仿真实验与实场数据解码验证建模与求解的正确性。
3、综合以上研究工作，在给定任意发送信息字节数、任意噪声级别的条件下、在具体实验距离和水声信道条件下，建模采用各个调制编码工作组合所需要的发送能耗。
利用建模结果进行优化求解，得到满足系统可靠性要求的条件下，不同噪声级别下任意发送信息字节数所需要的最优能耗以及对应的最优调制编码工作组合。
4、基于优化规则，分别针对固定多径信道与随机时变信道的能耗优化问题进行建模与解决，并利用实际测量信道数据展开了仿真实验。
基于OFDM的水声通信算法韩文斌;刘建明【摘要】在水声通信领域,基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的通信技术是最直接和最有效的手段之一.但是水声通信信道是多变的和复杂的,在传输的过程中可能会受到多途扩展严重、可用带宽有限和高噪声等不理想因素的影响,导致无法恢复出原始数据,所以保证数据的可靠性传输是极其重要的.本文在原有的OFDM通信基础上加入了交织技术、chirp扩频技术、加窗以及chirp同步技术,并通过对MATLAB的仿真和实验分析,验证了该系统的可行性,最后通过对比加入噪声、多径和多普勒效应的误码率曲线图,说明了该系统的性能和抗干扰能力.%In the field of underwater acoustic communication, communication technology based on OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is one of the most direct and effective means. But the underwater acoustic communication channel is changeable and complicated. In the process of transmission, it may be affected by the multipath propagation, the limited available bandwidth and the high noise, which cause the original data not been recovered. So it is very important to ensure the reliability of data transmission. On the basis of the original OFDM communication, this paper adds the weaving technology, chirp spread spectrum technology, the window and the chirp synchronization technology. And through the simulation and analysis of MATLAB, the feasibility of the system is verified. At last, the performance of the system and the ability of anti-jamming are illustrated by comparing the error rate curves of adding noise, multipath and Doppler effects.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2017(026)004【总页数】6页(P135-140)【关键词】OFDM;水声通信;交织;chirp扩频;加窗【作者】韩文斌;刘建明【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,桂林 541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,桂林 541004【正文语种】中文海洋环境中多径效应、多普勒效应以及海洋环境噪声的存在注定了水声信道是一个复杂的和时变的信道. 因此, 如何保证数据的可靠性传输成为了水声通信中最难以突破的瓶颈. 传统的单载波通信技术可以解决数据的可靠性问题, 但是单载波通信技术却造成了有限带宽的严重浪费, 限制了发送速率, 只适合于低速率的数据传输, 难以满足人们的需求. 21世纪以来, OFDM通信系统开始越来越收到了科研人员的注意, 这正是由于正交频分复用技术把高速的数据流转化为并行低速的数据流, 解决了高速数据流的传输问题, 还可以根据需求对通信系统的带宽进行灵活的调整, 设定频带的分配问题. 但是, 因为OFDM的发送信号是由许多相互正交子载波上的发送信号的叠加而成的, 所以OFDM系统容易受到多普勒频偏的干扰[1].本文针对这一问题提出了基于频域Chirp扩频的OFDM水声通信系统. 该通信系统加入了交织技术,以及结合OFDM和Chirp扩频技术来克服它们的不足,在复杂水声通信信道中, 具有防止突发性错误、强抗多径干扰、抗多普勒效应和抗噪声的特性, 从而一并解决可靠性和高数据流的传输问题.正交频分复用技术(OFDM)是把高速的数据流通过串并转换, 使得每个子载波上的数据符号持续时间相对增加, 可以减轻水声信道的时间弥漫, 信号的带宽小于信道的相干带宽, 从而消除符号间干扰(ISI). OFDM系统在满足子载波正交的情况下, 允许子载波的频谱部分重叠, 并且可以从重叠的子载波中获得数据信息, 频谱的利用率可以得到显著提高. 从发射端发送数据的时候, 经过子载波上的调制, 将数据转换为一组复数序列, 将映射后的数据经过IFFT变换得到一组新的数据. 因此, OFDM 是一种高效的传输方式[2],它的优点有很多, 将其关键技术引入水声通信系统中是很有必要的, 但是需要特别注意的是, 水声环境的复杂性和多变性对整个系统的影响.假设｝是第n帧的OFDM的传输符号中的第k个子载波上的数据, 那么经过OFDM调制以后的数据可以表示为:其中k=0,1…, N-1, Ts是符号的周期, fΔ是子载波的带宽, N是子载波的个数. 为了保证各个子载波之间的正交性, 符号周期必须满足足够的长度. 在数据的接收端可以通过下面公式获得:然后经过数据逆映射, 就可以得到原始的发射数据了. 可以看出子载波的调制其实就傅里叶的正逆变换,对于变换采用的是IFFT/FFT算法是实现的, 这是因为快速傅里叶变换可以减少计算量, 提高运算效率[3].3.1 系统的整体框图基于OFDM的水声通信系统框图如图1所示. 在整个水声通信系统的发射端, 首先将需要发送的数据通过信道编码器进行卷积编码和交织[4], 其目的是为防止突发性错误和随机性错误, 然后通过串并转换将数据转换到每个子载波上进行载波调制, 调制以后的信号就是OFDM的调制信号了, 为了克服多径效应带来的码间干扰(ISI), 可以在OFDM信号的后面加入保护间隔, 保护间隔可以从信号本身的截取(保护间隔的长度理论上应该大于最大时延的长度), 即循环前缀(CP), 加循环前缀的目的是为了克服接收端接受到的信号之间的干扰[5]. 将加入CP以后的OFDM信号进行加窗处理以后, 可以使的频谱能量更加集中, 为了区分噪声和有用信号, 可以在信号的前端加入同步信号.最后, 将处理以后的信号经过上变频后与换能器相匹配, 接收端是发送端的逆过程.3.2 交织技术交织是指通信系统在通信的过程中对数据进行处理的一种技术[5]. 交织的主要目的是防止信号在信道传输时发生连续性错误, 通过解交织把突发性的错误随机化, 再通过解码达到纠错的效果. 交织有规则交织、不规则交织和随机交织三种方式. 本文采用的是5×6规则交织, 这种交织的基本原理是把送入交织器的数据按行存入到5×6的矩阵中, 解交织时按列从5×6矩阵中取出再送出交织器, 即交织时对5×6矩阵进行转置处理, 解交织时进行逆转置处理. 图2为交织的顺序图.根据图2所示, 按行存入到5×6交织器中的比特数据顺序为1、2、3、4、5、6……29、30, 按列从5×6交织器中取出的比特数据顺序为1、7、13、19、25、2……24、30.图3 为解交织的顺序图. 根据图3所示, 解交织与交织器的顺序相反, 按列存入到5×6解交织器中的比特数据顺序为1、7、13、19、25、2……24、30, 而按行从5×6解交织器中取出的比特数据顺序为1、2、3、4、5、6……29、30.3.3 Chirp扩频技术所谓的扩频技术就是用高速的扩频序列在发射端扩展信号的频谱, 而接收端用同一种序列进行解扩,把原始信号恢复出来. 本文引入了chirp信号扩频技术, chirp信号不但具有抗干扰[6]、抗频率选择性衰落及低功耗的特性, 而且还具有很好的抗多普勒频偏的能力[7].由于在水声通信系统中, 信道的多普勒频偏是不可忽略的, 因此,在通信系统中引入扩频技术是必不可少的. 目前的通信系统中引用较多的是直接扩频技术,虽然直接扩频技术可以满足需求, 但是却存在这一定的缺陷, 如频道数减少、带宽增大和信息量增大的不足. 而本文引入的chirp扩频技术不但可以克服以上缺点, 而且可以极大地提高通信系统的可靠性, 所以,在通信系统中引入chirp扩频技术是很有必要的[8].数据经过交织以后, 将处理的数据进行chirp映射.首先, 初始化频域的上调频信号和频域下调频信号,本文选用的chirp信号的长度是16, 可以达到16倍扩频的效果. 当接收到的比特数为1时, 那么输出保存的是输出的16个上调频数据, 如果接收到的数据是0,那么输出保存的是输出的16个下调频数据, 将所有的比特数据按照上面的方式输出.3.4 加窗技术通常情况下, 在OFDM系统中, 在加入CP以后,并没有再对OFDM信号进行处理. 对于矩形OFDM符号来说, 其功率密度的带外功率密度衰减很慢, 带外的辐射功率会很大. 本文提出了一种可以使功率谱密度衰减很快的方法, 即加窗技术. 对于OFDM信号来说, 加窗就会使得周期边缘的幅度慢慢过渡成0. 在本文中加窗函数选用的是余弦窗函数:其中(t)w表示余弦窗函数,ST表示加入循环前缀以后的数据周期长度, (1)STα+表示加窗以后的符号周期长度. 如果只是加循环前缀, 没有加窗的话, 那么带外功率得不到抑制. 经过处理以后的信号乘以窗函数, 相当于频域就是离散信号的频谱和窗函数频谱的卷积. 加窗以后的的数据:其中是S代表的是加窗以后的数据, win代表的是窗函数, L表示加了CP以后的数据. 从图中我们可以明显看出加窗以后, 带外功率得到抑制.3.5 chirp同步信号在OFDM系统中, 由于该系统发送的是有多个严格相互正交的子载波叠加而成的信号, 所以具有较高的峰均比, 对同步的要求也比较高[9]. 其中传统的串性捕获、并行捕获虽然各自都有优点, 但是相关程度的明显和总的运算复杂度并没有发生变化.本文提出了基于chirp的同步信号, 在非线性信号中, chirp信号的相关性最好, 所以在接收端做相关时, 会有很明显的峰值, 从而检测出峰值定位数据的起始位置. 加入同步信号是因为当接收端开始接受数据时, 由于水声信道存在噪声的影响, 所以接收端开始接收到的数据是包含噪声数据的, 加入同步信号的目的就是为了把噪声信号和有用数据区分开来[1], 程序中所用的chirp信号是由MATLAB生成的, 在非线性信号中, chirp信号的相关性最好, 所以选用chirp信号做同步信号, 加入同步信号后的频谱图如下所示, 右图为峰值检测图,接收端从峰值以后开始接收并处理数据.本文选用的OFDM参数如表1所示.为了验证该OFDM系统的性能, 在程序加入了高斯噪声, 多径以及多普勒的干扰[10], 并通过MATLAB仿真与OFDM系统相比较. 图9为高斯噪声和多径效应下的误码率曲线图. 其中黑色曲线为在高斯环境下不加入多径干扰的误码率曲线图, 其余3条曲线分别表示在不同信噪比时2、3和4径对应的误码率, 其延时分别为0.2ms、0.6ms和1ms. 绿线为2径是对应的误码率曲线图, 红线为3径时对应的误码率曲线图,蓝线为4径时对应的误码率曲线图. 从此图中可以看出, 系统受干扰的程度较小, 这是由于OFDM系统自身具有抗多径干扰的特性. 但是, 该系统在信噪比等于-17dB时, 误码率接近10-6. 而传统的OFDM系统,在信噪比为-8dB时, 误码率才接近为0. 所以该系统具有非常强的抗多径干扰的能力.图10 为高斯和多普勒环境下该通信系统的误码率曲线图. 其中黑色曲线为高斯环境下不加入多普勒频偏的误码率曲线图, 绿线为频偏0.5个子载波时的误码率曲线图, 红线为频偏0.75个子载波带宽的误码率曲线图, 蓝线为频偏1个子载波的误码率曲线图.传统的OFDM系统, 在通信过程中发生频偏后, 接收端几乎是不可能解调出来原始数据的, 因为OFDM系统对频偏很敏感. 从图中可以看出当信噪比大于-12dB时, 不同频偏下的误码率都为0. 所以通过该误码率曲线图可以表明该通信系统具有比较好的抗多普勒频移的特性.图11 水槽实验, 测试的环境选择的是长150cm、宽70cm、高70cm的透明玻璃水槽中. 将装有调试软件的PC与采集卡用专用USB连线相连; 其次将采集卡的输出与功率放大器的输入相连; 最后将功率放大器的输出与水声换能器相连. 接收端的步骤为: 首先将水声换能器与采集的输入相连; 其次将采集卡与装有调试软件的PC用专用USB连线相连. 为了便于观察随机生成100比特的数据作为比较, 通过比较可以看出发送和接收的比特数据完全相同, 从结果可以看出解调出的数据准确无误. 因此, 从仿真结果和实验结果分析可以得出, 在高斯噪声、多径效应和多普勒效应的影响下, 该系统仍然有较好的抗干扰特性.本文设计的OFDM系统与传统的OFDM通信系统相比, 具有很好的抗干扰能力. 其关键技术已经广泛地应用在无线电中, 但是由于水声信道比较复杂,因此, OFDM 的通信技术很少应用在水声领域中. 本文设计的通信系统中, 在原有的OFDM系统中加入了交织技术、chirp扩频和加循环前缀以及加窗等关键技术, 使得通信变得更加稳定. 并通过MATLAB仿真和分析, 验证了该系统的性能以及抗干扰能力.1 程恩,袁飞,苏为,等.水声通信研究进展.厦门大学学报(自然科学版),2011,50(2):271–275.2 Stojanovic M. Underwater acoustic communication. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronice Engineering, John Wiley & Sons, Inc., 2015: 98–101.3 卜文强,程恩.基于TMS320C67X的水声语音通信系统的设计与实现[硕士学位论文].厦门:厦门大学,2014.4 Giacoumidis E, Le ST, Phillips ID, et al. Duai_polarization multi-band OFDM signals for next generation core networks. Magnetic Resonance in Medicine, 2014, 52(4): 699–703.5 Guwenkaya E, Arslan H. Orthogonal frequency divisionmultiplexing(OFDM) transmitter and receiver windowing for adjacent channel (ACI) suppression and rejection. N+g+2mN, 2014.6 林晓阳.线性调频信号水声调制技术的研究[硕士学位论文].厦门:厦门大学,2015.7 孙嘉.Chirp超带宽通信的调制和时间同步技术研究[硕士学位论文].成都:电子科技大学,2009.8 Wang J, Chen LY, et al. Implementation of the OFDM chirp waveform on MIMO SAP system. IEEE Trans. on Geoscience & Remote Sensing, 2015, 53(9): 1–11.9 鲁亚丽.OFDM水声系统同步技术的研究[硕士学位论文].武汉:华中科技大学,2012.10 魏莉,许芳,孙海信.水声信道的研究与仿真.声学技术,2008, (1):25–29.。
一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究蔡 慧1,2,蔡惠智1,刘云涛1,邓红超1(1.中国科学院声学研究所,北京 100080;2.中国科学院研究生院,北京 100039)摘 要:OFDM(正交频分复用)是一种适合于在多径衰落和受限带宽信道中进行高速传输的技术。论文把OFDM
技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OFDM的高速水声通信系统,阐述了OFDM水声通信系统中同步和信道估计的方法。海上试验证明了系统的有效性。关键词:OFDM;同步;导频;信道估计中图分类号:P733.2 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2007)03-0044-04
1 引言水声是迄今为止,唯一可以进行水下远程信息传输的载体。因而水声通信排他地占据着水下信息传输领域的主导地位。研究高数据率信息传输技术,主要解决向母舰或其他水下作战平台传输获取的战场信息问题,如图像、战场态势、情报信息等。因此,强调高的传输数据率,在此前题下尽可能将信息传输距离增大。在存在随机时变的多途传播的水下声信道中,如何达到可靠通信一直是对通信和信号处理技术的挑战。由于水下声信道的复杂性,在水下进行高速可靠的声通信一直是近年来研究的热点[1]。在制约水下高速声通信的诸多因素中,受限的信道带宽和多径是两个主要的因素[2]。正交频分复用技术(OFDM,Orthogonalfrequency-divisionmultiplexing)是适合多径衰落信道环境的一种高速传输技术。由于其具有对抗窄带干扰和多径衰落、传输速率高、频谱利用率高等优点,近年来引起了人们的极大关注,在高速无线通信中得到越来越多的应用。该文研究的是把OFDM技术应用到水下高速通信中,设计一套适于水下声信道环境的通信试验系统,从而探索出一种高速、可靠、易实现的,具有广泛应用前景的水声通信方法。2 OFDM基本原理OFDM是一种高速传输技术,该技术的主要思想是:将收稿日期:2007-03-21作者简介:蔡慧(1980-),中国科学院声学研究所研究生,研究方向:阵列信号处理。信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,再加循环前缀,从而克服多途的影响[3]。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度,提高了抗多径衰落的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的,需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器,这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时,为了减小各个子载波间的相互串扰,各子载波间必须保持足够的频率间隔,这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术,各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成,特别是Weinstein和Ebert在1971年提出了OFDM各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶逆变换(IDFT)和离散傅里叶变换(DFT)的方法来完成,在子载波数很大的系统中,可以采用快速算法(IFFT、FFT)来实现[4],极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率,OFDM中各子载波上的频谱相互重叠(如图1所示),但这些频谱在整个符号周期内满足正交性,从而保证接收端能够不失真地复原信号。
图1 正交频分复用信号的频谱示意图
第26卷 第3期2007年9月 海 洋 技 术OCEANTECHNOLOGY Vol.26,No.3Sept,20073 高速水声通信系统设计方案3.1 OFDM高速水声通信系统总体方案框图(图2)3.2 OFDM传输信号的帧结构在发射端将待传输的数字信号经信道编码和交织保护后,先进行串/并变换、QPSK调制并加入导频信息,而后经IFFT调制到各发射子载波上成为OFDM的数据帧。加入长、短训练序列主要用于系统同步。OFDM传输信号帧结构如图3所示。传输信号起始位置是一组短训练序列(Shortpreamble),用于实现粗定时同步的功能。该组短训练序列为一组自相关性良好的伪随机序列在时间上的周期性重复(设定周期为N),在某一相关
图2 系统总体方案框图图3 OFDM传输信号帧结构窗长范围内,将接收信号与位移重复周期(N)的接收信号求相关,以实现系统的粗定时同步。OFDM传输信号帧中短训练序列后面跟随的长训练序列(Longpreamble),本系统选用的是线性调频,用于实现细定时同步的功能。
图4 数据帧的循环前缀3.3 实时的频率补偿在OFDM中,通过在时域内把OFDM符号的后部若干数据复制后添加在数据码元前面构成(阴影部分图4),用以克服多途的影响,从而有效地对抗由多径时延带来的符号间干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)。循环前缀的长度决定了克服多径的能力[5]。由于循环前缀的存在,每个OFDM符号的前Tg秒是最后Tg秒的复制,本系统把这一特性应用于时间和频率的同步中。由于频率的偏移会引起接收到的信号相位的偏移,而相位的偏移我们可以利用循环前缀进行估计。(假设最后Tg秒中有M个采样值)如下式所示:=1MArg(∑Mi=1d(i)d′(i)*)式中:Arg表示取相角,*表示取共扼。利用循环前缀对相位偏移进行估计,间接的获得对频率偏移的估计。每个子载波的频率偏移量实际上是不一样的,所以这种方法实际上是估计出数据帧中每个子载波的平均频率偏移量。这里假设所有子载波平均频率偏移量为-f,则间隔一个码元周期子载波的平均相位偏移和平均频率偏移的关系为:-f=2 N!t因此,可以利用求出的平均频率偏移量-f对码元周期内所有的采样值进行频率补偿。例如,对码元中第q个采样值dq进行频率补偿d′q=dq*e-2 q-f/!fN=dq*eqN 由于利用循环前缀对频率偏移的估计和补偿是针对每一帧数据分别进行的,所以它是一种针对时变的信道的实时的频率补偿的方法。但此时,每一帧的数据不能过长,否则每帧数据的传播时间就会较长,对时变性比较强的信道,这种估计就会不准确。
45 第3期 蔡 慧等:一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究 3.4 梳状导频进行信道估计系统中利用数据帧中插入的梳妆导频信号进行信道估计。导频设计既要满足系统的相关时间约束又要满足相关带宽的约束。相关时间与信道的最大多普勒扩展fd互为倒数关系,而相关带宽则与信道的最大多径时延∀max互为倒数关系。相邻的导频要放置得足够近,从而能够准确反映信道传递函数的变化,保证信道估计的可靠性;又要放置得尽可能的远,以节省不必要的系统带宽和时间开销,提高传输速率,保证通信的有效性。实际系统中的导频方案就是根据信道具体信道情况对有效性和可靠性的折衷。梳状导频在时域是连续分布的,首先从接收到的信号Y(k)中提取出导频信息Yp(k),由于发送的导频符号Xp(k)是已知的,可以据此估计得到导频子信道上的信道响应Hp(k),然后再做信道内插得到所有子信道的信道响应H(k)[6]。梳状导频适用于信道变化较快而多径时延相对较小的系统。在导频间隔相同的情况下,其对信道估计的性能由信道的最大多径时延即相干带宽决定。图5 利用梳妆导频进行信道估计 本实验系统的梳状导频方案中,导频符号与数据符号占用的子信道的比例分别为1∶1,1∶3和1∶4。4 试验结果高速水下声通信系统的最终应用环境是海洋,本OFDM高速水声通信系统与2005年12月在南中国海进行了海洋水下试验,试验海区为典型的浅海大陆架结构,水深大于100m,利用水面舰声纳作为发射设备,潜艇声纳作为接收设备,3级海况条件下收、发端在2～3nmele距离上利用表面声道进行通信。水面舰抛锚悬停,潜艇以3～5kn的航速向不同方向巡航,并不断改变航行方向,使其航行方向与信号传输方向的夹角在0°～180°之间变化,发射声源级190dB。系统采用QPSK调制方式,传送信号为黑白图像。中心频率7.5kHz,带宽5kHz。传送数据速率为R=10Kbit,图6和图7是黑白图像接收后的处理效果,误码率为0。
图6 信号解析后的星座图图7 接收后解析的图像5 结论OFDM(正交频分复用)是一种适合于在多径衰落和受限带宽信道中进行高速传输的技术。本文把OFDM技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OFDM的高速水声通信系统,阐述了OFDM水声通信系统中同步和信道估计的方法。通过海上试验证明了系统的有效性。
46 海 洋 技 术 第26卷参考文献:[1] KILFOYLEDB,BAGGEROERAB.Thestateoftheartinunderwateracoustictelemetry[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2000,25,4-27.[2] ZIELINSKIA,YOONYHWUL.Performanceanalysisofdigitalacousticcommunicationinashallowwaterchannel[J].IEEEJournal
ofOceanicEngineering,1995,20,293-299.[3] 王文博,郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:人民邮电出版社,2003.[4] SBWeinstein,PMEbert.DataTransmissionbyFrequency-DivisionMultiplexingUsingtheDiscreteFourierTransform.IEEEtransCommunTechnol.5(COM-19):628～634.[5] Apeled,ARuiz.FrequencyDomainDataTransmissionUsingReducedComputationalComplexityAlgorithms.inIEEEIntConf
Acoustic,Speech,SignalProcessing,1980:964～967.[6] OEdfors,MagusSandell,J-JvandeBeeket.AnalysisofDFT-basedchannelestimatorsforOFDM.ResearchReportTULEA1996:17,Div.ofSignalProcessing,LuleaUniversityofTechnology,1996.
ResearchonHighSpeedUnderwaterAcousticCommunicationBasedonOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing
CAIHui1,2,CAIHui-zhi1,LIUYun-tao1,DENGHongchao1(1.InstituteofAcoustic,ChineseAcademyofScience,Beijing100080;China;2.GraduateSchoolofChineseAcademyofScience,Beijing100039,China)
