題目：水聲通信中的高效通信技術(shù)

1、高效水聲發(fā)射機(jī)測(cè)試5OFDM的基本原理及其關(guān)鍵技術(shù)2基于預(yù)畸變的峰均功率比控制3高效水聲發(fā)射機(jī)的研制4全文總結(jié)6緒論1論文結(jié)構(gòu)安排pOFDM在水聲通信中的應(yīng)用p水聲發(fā)射系統(tǒng)的組成緒論1OFDM的基本原理及其關(guān)鍵技術(shù)2OFDM系統(tǒng)的基本模型OFDM的保護(hù)間隔和循環(huán)前綴OFDM峰均功率比的特性分析基本原理基本原理l OFDM信號(hào)的數(shù)學(xué)模型：l OFDM信號(hào)的基本模型框圖：10)2exp()2()(NiitTijTtrectdts信號(hào)的正交性信號(hào)的正交性l OFDM信號(hào)的頻譜可以認(rèn)為是一組位于各個(gè)子載波頻率上的函數(shù)與周期為T(mén)的矩形脈沖的頻譜的卷積。l OFDM信號(hào)的子信道頻譜圖：在頻域上滿足奈奎斯特

2、第一準(zhǔn)則，即在頻域中各子信道上不存在干擾。信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)l OFDM采樣后的離散信號(hào)：l 使用IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的原理框圖：1010)12exp()*1*2exp()(NiiNisinNijdtnTijdns信號(hào)的保護(hù)間隔與循環(huán)前綴信號(hào)的保護(hù)間隔與循環(huán)前綴l 信道間干擾(ICI)：l 符號(hào)間干擾(ISI)：00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81時(shí) 間 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時(shí) 間 /秒幅度00.511.522.5x 1040100200300400頻

3、率 /kHz幅度l 仿真產(chǎn)生的OFDM信號(hào)：QPSK調(diào)制，子載波數(shù)512個(gè)。信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)l 仿真產(chǎn)生的OFDM信號(hào)通過(guò)加性白噪聲信道的誤碼率：信號(hào)的保護(hù)間隔與循環(huán)前綴信號(hào)的保護(hù)間隔與循環(huán)前綴0123456710-410-310-210-1100SNR(dB)BER00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時(shí) 間 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時(shí) 間 /秒幅度l 電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖：l 電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)接收信號(hào)：信號(hào)的電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)信號(hào)的電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)l 電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)接收信號(hào)星座圖：l 確定采集儀伸縮因子發(fā)射

4、信號(hào)頻率（kHz）5101520接收信號(hào)頻率(kHz)5.000810.001715.002420.0032信號(hào)的電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)信號(hào)的電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)123456789101100.20.40.60.811.21.41.61.82inputoutput 理 想 值P=2P=3P=10信號(hào)的峰均功率比特性信號(hào)的峰均功率比特性l 峰均功率比定義：l放大器輸入輸出示意圖：2210maxlog10)(nnnxExdBPARl現(xiàn)有的實(shí)用放大器中，P的取值范圍一般在2到3之間。當(dāng)P值較大時(shí)，輸入小于功放的最大輸出值時(shí)信號(hào)被線性放大；一旦超過(guò)了門(mén)限值，則功放將對(duì)峰值信號(hào)進(jìn)行限幅12345610-8010-6010-4

5、010-20100PAR(dB)ccdf N=64N=128N=256N=512N=1024N=2056信號(hào)的峰均功率比特性信號(hào)的峰均功率比特性l 累積分布函數(shù)（CDF）：l 理論曲線圖：l 結(jié)論：隨著子載波個(gè)數(shù)N的增加，CDF的值也會(huì)相應(yīng)降低，即超過(guò)PAPR門(mén)限值的符號(hào)出現(xiàn)的概率會(huì)有所增加NzNpowerezFzPARP)1 ()(5678910111213141510-510-410-310-210-1100papr(dB)ccdf N=64N=128N=256N=512N=1024N=2056l 互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)：l 仿真曲線圖：l 結(jié)論：隨著子載波數(shù)目的 增加，系統(tǒng)超過(guò)門(mén)限

6、的概 率上升。信號(hào)的峰均功率比特性信號(hào)的峰均功率比特性NzezPARPzPARP)1 (11678910111210-410-310-210-1100papr(dB)ccdf 未 過(guò) 采 樣L=2L=4信號(hào)的峰均功率比特性信號(hào)的峰均功率比特性l 過(guò)采樣后的CCDF：l 過(guò)采樣對(duì)PAPR的影響：l 結(jié)論：過(guò)采樣能夠更加真實(shí)的 反映系統(tǒng)的峰均比特性。LNzezPARPzPARP)1 (11基于限幅技術(shù)的PAPR抑制方法基于壓縮擴(kuò)張技術(shù)的PAPR抑制方法基于預(yù)畸變的峰均功率比控制3限幅濾波方法原理限幅濾波方法原理l 限幅方法的原理：l 限幅法實(shí)現(xiàn)抑制PAPR的系統(tǒng)框圖：)()(exp()()()(

7、maxmaxmaxAtstsAAtststsIFFT調(diào)制串/并信道串/并FFT并/串解調(diào)并/串限幅濾波限幅濾波方法原理限幅濾波方法原理l 對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣：l 限幅加過(guò)采樣系統(tǒng)框圖：TNNLNNsssssS, 0, 0 , 0,12)1(210 映射添0IFFTLN限幅FFTLN帶外濾波IFFTL限幅與濾波02468101210-410-310-210-1100papr(dB)ccdf A=3A=4A=5未 限 幅限幅濾波方法仿真性能分析限幅濾波方法仿真性能分析l限幅后PAPR的CCDF, 仿真條件：碼元寬度1.024s，子載波數(shù)256，QPSK調(diào)制：2345678910-410-310-21

8、0-1SNR(dB)BER A=3A=4A=5未 限 幅l 為了改善帶外輻射，將時(shí)域限幅過(guò)采樣信號(hào)進(jìn)行 點(diǎn)的FFT ，使其恢復(fù)為頻域符號(hào)：l 將上述信號(hào)取出對(duì)應(yīng)的N點(diǎn)，帶外置零，實(shí)現(xiàn)帶外濾波功能l 最后將此信號(hào)作N點(diǎn)IFFT，得到最終輸出信號(hào)NL *限幅濾波方法仿真性能分析限幅濾波方法仿真性能分析1010),2exp(1)(LNmmLNLNnNnmjsNsFFTSLNNNLNSSSSSS,12)1(210限幅濾波方法仿真性能分析限幅濾波方法仿真性能分析l 重復(fù)濾波法降低系統(tǒng)PAPR：2468101210-310-210-1100papr(dB)ccdf 未 限 幅限 幅一 次 濾 波二 次 濾

9、 波三 次 濾 波l 結(jié)論：重復(fù)濾波可以明顯的降低系統(tǒng)的PAPR。l 發(fā)射信號(hào)仿真條件：限幅門(mén)限5dB，子載波數(shù)256，QPSK調(diào)制限幅濾波方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)限幅濾波方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81時(shí) 間 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時(shí) 間 /秒幅度00.511.522.5x 10405001000頻 率 /kHz幅度l 對(duì)比未限幅的信號(hào)，限幅后信號(hào)的頻譜展寬限幅濾波方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)限幅濾波方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)l播放方式：將音頻播放軟件音量調(diào)至最大，控制筆記本輸出音量，分別采集41

10、0格音量對(duì)應(yīng)的信號(hào)。l最大輸出功率為在功放不失真輸出峰峰值一定的情況下功放所能輸出的最大有效功率，表中用信號(hào)有效值與峰值的比值來(lái)表示l 結(jié)論：限幅門(mén)限的降低使得信號(hào)能夠在功率放大器的線性工作區(qū)內(nèi)盡可能地輸出大的信號(hào)。并且峰值的降低對(duì)功率放大器起到一定的保護(hù)作用，可以避免出現(xiàn)高峰值導(dǎo)致的器件被擊穿問(wèn)題。預(yù)畸變方式音量接收信號(hào)（采集系統(tǒng)）最大輸出功率有效值(V)峰峰值(V)峰均功率比無(wú)40.0790 0.6913 18.0 0.23 50.1218 1.0225 17.4 0.24 60.1580 1.2925 16.7 0.24 70.2045 1.6750 16.7 0.24 80.2646

11、2.2975 20.4 0.23 90.3151 2.6350 18.3 0.24 100.3744 3.2275 20.4 0.23 A=1140.0805 0.6388 16.3 0.25 50.1241 0.9775 16.0 0.25 60.1611 1.2700 15.9 0.25 70.2093 1.6425 15.9 0.25 80.2707 2.0488 15.2 0.26 90.3229 2.5413 15.7 0.25 100.38282.991315.5 0.26 A=840.0785 0.4863 10.2 0.32 50.1211 0.7513 10.2 0.32 6

12、0.1570 0.9738 10.3 0.32 70.2040 1.2950 10.5 0.32 80.2638 1.6363 9.8 0.32 90.3136 1.9725 10.2 0.32 100.3732.31389.7 0.32 A=540.0804 0.5913 14.9 0.27 50.1220 0.7688 11.0 0.32 60.1483 0.7913 7.8 0.37 70.1928 1.0238 7.8 0.38 80.2488 1.3288 7.6 0.37 90.2962 1.5725 7.4 0.38 100.35131.87757.6 0.37 A=240.06

13、48 0.2913 6.1 0.44 50.0998 0.4500 5.9 0.44 60.1295 0.5838 5.8 0.44 70.1683 0.7588 5.7 0.44 80.2181 0.9875 5.5 0.44 90.2592 1.1738 5.5 0.44 100.3078 1.3887 5.4 0.44 00.20.40.60.811.21.41.61.8200.20.40.60.811.21.41.6輸 入 幅 值輸出幅值 u=1u=2u=4u=8u=100 u律壓縮擴(kuò)張?jiān)砺蓧嚎s擴(kuò)張?jiān)韑 u律壓縮擴(kuò)張?jiān)恚簂 壓擴(kuò)系數(shù)同壓擴(kuò)性能分析l 結(jié)論：壓擴(kuò)系統(tǒng)的壓擴(kuò)性能與 壓

14、擴(kuò)系數(shù)的取值并不是成正比的，存在一定的極限值 1)1ln(exp)1ln()1ln(1mrrrmrCyxmxmxxCskkkkkkkkkk u律壓縮擴(kuò)張方法仿真性能分析律壓縮擴(kuò)張方法仿真性能分析l 壓擴(kuò)后PAPR的CCDF, 仿真條件：碼元寬度1.024s，子載波數(shù)256，QPSK調(diào)制024681010-310-210-1100papr(dB)ccdf u=2u=4u=8u=16未 壓 縮246810121410-410-310-210-1100SNR(dB)BER u=2u=4u=8u=16未 壓 擴(kuò)2345678910-310-210-1100SNR(dB)BER m1=mm1=1.5mm

15、1=2m未 壓 擴(kuò)23456789101110-410-310-210-1100SNR(dB)BER u1=uu1=0.75uu1=0.5u未 壓 擴(kuò) u律壓縮擴(kuò)張方法仿真性能分析律壓縮擴(kuò)張方法仿真性能分析l 改善u律誤碼率的兩種方法：l 方法一：在接收端逆變換時(shí)采用較小的曲率l 方法二：在接收端逆變換時(shí)采用較大的平均幅值 1)1ln(exp111mrrrmrCykkkkk 1)1ln(exp11111mrrrmrCykkkkk u律壓縮擴(kuò)張方法仿真性能分析律壓縮擴(kuò)張方法仿真性能分析l 綜合上述方法，仿真條件：5 . 01mm5 . 11， 42345678910111210-510-410-

16、310-210-1100SNR(dB)BER u1=0.5u,m1=1.5m未 壓 擴(kuò)l 結(jié)論：使用融合方法后與未 使 用 壓 縮 擴(kuò) 張 技 術(shù) 的OFDM系統(tǒng)誤碼率相差在3dB以內(nèi)，系統(tǒng)性能得到較好的改善。00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81時(shí) 間 /秒幅度 u律壓縮擴(kuò)張方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)律壓縮擴(kuò)張方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)l 發(fā)射信號(hào)仿真條件：壓擴(kuò)系數(shù)4，子載波數(shù)256，QPSK調(diào)制00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時(shí) 間 /秒幅度0.61.4x 1040200400600800頻 率 /kHz幅度l 對(duì)比未壓

17、擴(kuò)的信號(hào)，壓擴(kuò)后信號(hào)的頻譜展寬l 播放方式：將音頻播放軟件音量調(diào)至最大，控制筆記本輸出音量，分別采集410格音量對(duì)應(yīng)的信號(hào)。l 結(jié)論：經(jīng)過(guò)壓擴(kuò)變換，接收信號(hào)的最大輸出功率從0.23上升到了0.44，但是不同于限幅法的是，壓擴(kuò)系數(shù)大于4以后，信號(hào)輸出功率基本不再變化，這與仿真中的結(jié)論一致。 u律壓縮擴(kuò)張方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)律壓縮擴(kuò)張方法電聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)預(yù)畸變方式音量(%)接收信號(hào)（采集系統(tǒng)）最大輸出功率有效值(V)峰峰值(V)峰均功率比無(wú)40.07900.691318.00.2350.12181.022517.40.2460.15801.292516.70.2470.20451.675016.70.2480

18、.26462.297520.40.2390.31512.635018.30.24100.37443.227520.40.23u=240.06250.32386.70.3950.09650.52387.40.3760.12520.65136.80.3870.16270.84386.70.3980.21031.13887.30.3790.25051.30506.80.38100.2974 1.5500 6.8 0.38 u=440.06190.29135.50.4350.09540.44885.50.4360.12380.57135.30.4370.16110.74005.30.4480.2080

19、0.96635.40.4390.24771.16255.50.43100.29431.37875.50.43u=640.05900.27135.30.4350.09080.41755.30.4460.11800.54385.30.4370.15330.71005.40.4380.19850.91255.30.4490.23641.08755.30.43100.28021.28505.30.44u=840.05990.28755.80.4250.09220.43255.50.4360.11970.56005.50.4370.15590.73255.50.4380.20120.94135.50.4

20、390.23951.12005.50.43100.28441.33885.50.42水聲通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介功率放大器水聲換能器高效水聲發(fā)射機(jī)的研制4l 水聲通信系統(tǒng)框圖：l 具體功能： 信號(hào)源：主要是產(chǎn)生信號(hào)，本論文使用信號(hào)源發(fā)生器或者筆記本電腦發(fā)聲； 功率放大器：將信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，輻射出有效聲功率； 預(yù)處理器：將接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，便于提取信號(hào)； 數(shù)字處理器：主要是針對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、解密、解碼等數(shù)字處理； 數(shù)據(jù)記錄儀：對(duì)經(jīng)數(shù)字處理解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并同時(shí)記錄預(yù)處理后的原 始模擬信號(hào)，以便檢測(cè)數(shù)字處理的差錯(cuò)。 功率放大器的分類(lèi)功率放大器的分類(lèi)導(dǎo)通角理論效率工作特點(diǎn)A類(lèi)低

21、不適合作為功放B類(lèi)78%推挽或全橋AB類(lèi)78%推挽或全橋C類(lèi)85%不適于低頻放大，諧振負(fù)載D類(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)100%推挽或全橋18018036090360水聲換能器分類(lèi)水聲換能器分類(lèi)其他頻他頻段換c)(Ultrosoni超聲換聲)FrequencyLow( 低頻根據(jù)應(yīng)據(jù)應(yīng)用)ricPiezoelect壓電換能器rictive)(Magnetost磁致伸縮致伸縮)ictiveElectrostr(電致伸縮換能器)Reluctance(Variable可變變磁阻換能atic(Electrost靜電電換能CoilMoving動(dòng)圈換能根據(jù)物理效應(yīng))Sensorydrophone/水聽(tīng)器)ActuatorPr

22、ojector/(發(fā)射器根據(jù)用途換能器換能器()器(H 實(shí)測(cè)水聲換能器的阻抗特性實(shí)測(cè)水聲換能器的阻抗特性00.10.20.30.40.50.60.71.52.22.83.54.24.95.66.3 7 7.78.49.19.8f(kHz)G0(ms)水聽(tīng)器的校準(zhǔn)發(fā)射換能器電壓響應(yīng)特性水聲發(fā)射機(jī)使用說(shuō)明水聲發(fā)射機(jī)發(fā)射性能測(cè)試高效水聲發(fā)射機(jī)測(cè)試5l 測(cè)試條件：發(fā)射換能器：彎張612功率放大器：中策L2B匹配阻抗檔位：450輸入信號(hào)電壓：700 mVp/1.5Vpp輸入信號(hào)波形：10T正弦脈沖換能器與水聽(tīng)器間距：d5.0 ml 測(cè)試結(jié)果: BK-8104-2486564 測(cè)量較為準(zhǔn)確發(fā)射電壓響應(yīng)特性

23、概念發(fā)射電壓響應(yīng)特性概念l發(fā)射電壓響應(yīng)Sv：)/()1 (0VmPaUdmpSfV)()(lg20dBSSSvLrefVVl發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)SvL：l SvL與輻射聲功率的關(guān)系：UDIWSvLa1lg208 .170lg10l 換能器的SvL的測(cè)量表達(dá)式：)()/( 1lg20)1lg(20)(lg(20dBPaVMmdUdeSvLehRMSochl 測(cè)量公式：LMmddeUSvLSLLMmdUdeSvLehochRMSehRMSoch1lg20)(lg20lg201lg20)(lg20發(fā)射電壓響應(yīng)特性測(cè)試發(fā)射電壓響應(yīng)特性測(cè)試l 實(shí)驗(yàn)測(cè)試布局：l 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備：序號(hào)序號(hào)名名 稱(chēng)稱(chēng)型號(hào)、規(guī)格型號(hào)、規(guī)格生產(chǎn)廠家生產(chǎn)廠家儀器編號(hào)儀器編號(hào)1信號(hào)源33220A美國(guó)Agilent200556682功率放大器L2B寧波中策200468783發(fā)射換能器PZT4型壓電陶瓷自制4發(fā)射測(cè)量示波器54624A美國(guó)Agilent20057669564通道信號(hào)放大濾波器UBF40英國(guó)Kemo公司SD1476A6四通道接收測(cè)量示波器TPS2014美國(guó)TEK公司B0346027接收測(cè)量記錄儀Hioki