水聲數(shù)字系統(tǒng)

1、 水聲語音數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計姓名班級 學(xué)號 ：摘要隨著人類開發(fā)利用海洋步伐的加快，水聲語音通信技術(shù)的研究越來越受到人們的重視。但應(yīng)用于陸地上的通信帶寬及其時變、空變等特性，因此需要采用一種適用于水聲信道的通信方式進行語音通信。論文概述了水聲語音數(shù)字系統(tǒng)的整個過程，詳細論證并確定了系統(tǒng)技術(shù)方案。本文在假設(shè)信源頻率為3003400hz的基礎(chǔ)上，采用PCM信源編碼將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，再通過卷積碼對水聲信道進行編碼。由于水聲信道的復(fù)雜性，我們在處理時進行了簡化，采用高斯加性白噪聲信道。再經(jīng)過QPSK調(diào)制和解調(diào)后送入最佳接收機，在信道和信源譯碼后輸出。關(guān)鍵字:水聲信道、PCM編碼、QPSK調(diào)制ABS

2、TRACTAs 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 voi

3、ce 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, th

4、en 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.

5、Keywords: underwater acoustic channel, PCM coding, QPSK modulation 目錄第1章 緒論.5 1.1研究背景和意義5 1.2水聲信道的特點5 1.3水聲語音通信系統(tǒng)的發(fā)展.6第2章 水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)實現(xiàn).8 2.1 系統(tǒng)指標(biāo).8 2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).8 2.3系統(tǒng)各部分具體結(jié)構(gòu).9信息源和收信者.9信源編碼9信道編碼.14基帶處理19 調(diào)制.20 2.3.6 信道.22解調(diào).24數(shù)字信號的最佳接收.25 信道譯碼.26 2.3.10 信源譯碼.26第3章 全文總結(jié)和技術(shù)展望.27參考文獻.28 第一章 緒論1.1 研究背景和意

6、義在被稱為海洋世紀(jì)的今天，伴隨著人類科技的不斷進步，水下通信越來越受到人們的重視。民用方面，如水下語音通、工業(yè)用海岸遙測、水下機器人和海上平臺的遙控指令傳送、海底勘探數(shù)據(jù)與圖像傳輸、環(huán)境系統(tǒng)中的污染監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文站的采集數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，無不是水下通信的需求大為增加，水下通信的商業(yè)價值凸現(xiàn)。軍事應(yīng)用方面，建立水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在解決水雷遙控、潛艇之間、母艦與潛艇或其他水下無人作戰(zhàn)平臺之間戰(zhàn)場信息的傳輸?shù)葐栴}，水下通信的重要性更是不言自明。然而與應(yīng)用于陸地空間的通信技術(shù)相比，水下通信的發(fā)展遠遠滯后。通常我們往往都是通過連接電纜來實現(xiàn)水下通信。但有纜通信在應(yīng)用中存在著很多弊端。比如，在深海、極地海域或惡

7、劣海況下就很難開展工作，而電纜的“糾纏”問題更限制了潛器的機動靈活性，這些決定了水下通信要想擺脫這種類似“臍帶”的束縛，必須向無纜的方向發(fā)展。在陸地上，我們通常都利用無線電方式進行無纜通信，但在水下，無線電的吸收和衰減都很大，只能以極低的發(fā)射頻率、大型天線和很高的發(fā)射功率進行工作，傳輸距離很短，無法完成水下通信任務(wù)。這使得以聲波為載體的水聲通信成為水下通信的主流。實踐證明，在我們所熟知的各種能量形式中，只有聲波在水中衰減最小、傳播性能最好。在各種通信形式中，水下語音通信無疑是水聲通信中一種非常重要的方式。因為語音通信是人與人之間交流最直接的手段，尤其在水下能見度有限的環(huán)境下，人與人的交流更加依

8、賴于語音通信。目前，語音技術(shù)已廣泛應(yīng)用于無線通信、有線通信、衛(wèi)星通信、移動通信等領(lǐng)域，但是在國內(nèi)利用聲波進行水下數(shù)字語音通信卻是尚未成熟的新技術(shù)。同時，語音通訊對數(shù)據(jù)誤碼率要求較低，降低了傳輸中的錯誤風(fēng)險。因此，水聲語音通訊是我們構(gòu)建水下通訊系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究水聲數(shù)字語音通訊有著重要的意義。掌握水聲通信系統(tǒng)的基本組成，熟悉各部分具體工作的原理及實現(xiàn)框圖有很大的研究價值。1.2 水聲信道的特點水聲通信的目的是通過水下聲信道，將數(shù)據(jù)源發(fā)出的信息以最大可能的數(shù)據(jù)傳輸速率和盡可能高的可靠性發(fā)送到數(shù)據(jù)用戶。水聲信道是水聲通信的前提條件，通信質(zhì)量的好壞取決于信道的物理特性。水聲信道的復(fù)雜特性是限制水

9、聲通信技術(shù)發(fā)展的主要因素。從通信的觀點出發(fā)，水聲信道對數(shù)據(jù)傳輸性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1有限通信帶寬由于聲波在傳播過程中的幾何擴展及介質(zhì)的粘滯、散射、反射、熱傳導(dǎo)等物理吸收，引起聲波能量的損失。這種傳播過程中的能量損失隨著通信系統(tǒng)作用距離和工作頻率的增加而增加，其中聲吸收損失系數(shù)與聲波頻率的平方成正比。這些限制了水聲通信系統(tǒng)的最大作用距離和最高頻率，進而限制了系統(tǒng)的通信帶寬。2多途效應(yīng)水聲信道是緩慢時變的相干多途信道，在相干時間長度內(nèi)，可簡化為相干多途信道，僅存在多途效應(yīng)。多途的形成與海洋環(huán)境和碼元頻率有關(guān)，其產(chǎn)生的機理有兩種情況：在淺海信道，由于界面(海底、海面及目標(biāo))反射造成；而

10、在深海，則主要由不同發(fā)射角的聲線在傳播過程中產(chǎn)生的彎曲造成，在某個區(qū)域，多條聲線的相位達到一致，可形成會聚區(qū)。多途傳播引起信號時問擴展。在淺海，多途擴展時間可達幾百毫秒，而在深海擴展時間可至幾秒。在所傳送的碼元間隔小于多途時間擴展的情況下，水聲信道的多途效應(yīng)將導(dǎo)致水聲通信系統(tǒng)接收端信號中出現(xiàn)碼間干擾ISI(Intersymbol Interference)，從而引起誤碼，降低系統(tǒng)的可靠性。多途效應(yīng)是水聲通信系統(tǒng)設(shè)計中最難克服的障礙，也是限制水聲通信系統(tǒng)性能的主要因素。3海洋環(huán)境噪聲和本地噪聲海洋環(huán)境噪聲和本地噪聲是水聲通信的主要干擾背景，影響系統(tǒng)的接收信噪比，從而影響通信距離和可靠性。噪聲和多

11、途效應(yīng)在遠程和近程通信中對可靠性的影響不同：遠程通信中噪聲和多途效應(yīng)共同影響通信可靠性，而在近程通信中，多途效應(yīng)的影響是主要的。5通信的方向性通信方向性對水聲通信的影響較大，所謂方向性，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較理想的信道，故可獲得較為理想的速率和可靠性，但只應(yīng)用于特殊場合。目前關(guān)于通信收發(fā)的自適應(yīng)陣處理技術(shù)得到重視，從而沿水平方向的通信也可獲得較理想的信道，水平方向通信具有普遍意義。6多普勒效應(yīng)信道的時變、空變性，以及接收機與發(fā)射機之間的相對運動均可導(dǎo)致多普勒頻移效應(yīng)，它與收發(fā)點相對運動的速度及工作的頻率成正比例關(guān)系。由于信號的多普勒頻移，導(dǎo)致解碼時系統(tǒng)檢測能

12、力降低，在某些情況下，為考慮多普勒容限，甚至還要降低系統(tǒng)的通信速率。概括地說，水聲信道是一個帶寬嚴(yán)重受限的緩慢時變、空變相干多途信道，傳輸條件十分惡劣，這些給水聲通信的研究帶來很大的難度。1.3 水聲語音通信系統(tǒng)的發(fā)展水下語音通信技術(shù)的研究開始于第二次世界大戰(zhàn)期間，和其他信號處理技術(shù)的發(fā)展趨勢相同，也經(jīng)歷了從最初的模擬通信階段到現(xiàn)如今的數(shù)字通信階段的過程。1945年美國海軍水聲實驗室研制的水下電話是世界上最早的水聲語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于潛艇之間的通信，其中使用單邊帶調(diào)制技術(shù)，載波頻段為81lkHz，工作距離可達幾公里,目前各國海軍使用的水下電話系統(tǒng)多采用模擬單邊帶調(diào)制方式，如美國通用公司

13、研制的AN/wOC-2A水聲通信機，具有單邊帶通信方式，可進行語音和低速電報工作，已大量裝備于美國海軍的水面艦艇、潛艇和岸站。英國研制的用于潛艇和水面艦艇的G732MKII型艦艇水聲通信機，具有語音通信和摩爾斯電報等功能，以及用于完成潛艇之間或水面艦艇之間通信的高質(zhì)量語音通信的3200型水聲電話，都是采用單邊帶傳輸方式。早期的水聲語音通信系統(tǒng)基本上都是采用模擬的單邊帶調(diào)制方式，由于模擬系統(tǒng)的功率利用率不高，一般情況下為了在幾公里的距離上進行通信，需要達到上百瓦的發(fā)射功率。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信在近20年來得到了迅速發(fā)展,其主要原因是由于數(shù)字通信的抗干擾能力強、便于進行各種數(shù)字信號處理(如

14、進行加密、壓縮等)、易于實現(xiàn)集成化，其經(jīng)濟效益正在超過模擬通信，而且傳輸與交換可結(jié)合起來，傳輸語音與傳輸數(shù)據(jù)也可結(jié)合起來，成為一個統(tǒng)一體，有利于實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)。與此同時,水聲通信也采用了各種數(shù)字調(diào)制方法來進行水下數(shù)字通信技術(shù)的研究，最近十年來其發(fā)展相當(dāng)迅速，得到了人們的高度重視和廣泛研究。表11列出了一些近年來世界各國研制的水聲通信系統(tǒng)情況。與水聲數(shù)字通信的快速發(fā)展相適應(yīng)的是數(shù)字語音信號處理技術(shù)的發(fā)展，各種語音編碼算法的出現(xiàn)，為水下數(shù)字語音通信提供了基礎(chǔ)。目前水下數(shù)字語音傳輸系統(tǒng)中有代表性的是法國研制的CELP實驗系統(tǒng)，水池試驗傳輸率為6kbits，采用的調(diào)制方法為4-DPSK，利用LMS

15、判決反饋均衡器。另外具有代表性的水下數(shù)字語音系統(tǒng)是英國拉夫堡大學(xué)研制的“話音通信系統(tǒng)”，采用DPPM(Digital Pulse Position Modulation)實現(xiàn)語音通信，其通信速率為24kbits。水下數(shù)字語音通信根據(jù)傳輸距離的不同可采用不同的工作方式。由于聲波在水介質(zhì)中的傳播速度較慢，聲速大概為1500米秒，例如作用距離為1500米，語音傳輸延遲就將達到1秒，所以在近距離(一般在300米以內(nèi))可使用全雙工通信方式；在中等距離(300米2000米)上可采用半雙工的工作方式，在通信過程中將通話與收話的時間段嚴(yán)格分開，在發(fā)話結(jié)束時加上“完畢”的標(biāo)志。第二章 水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)實現(xiàn)方

16、案無論是在陸地上還是在水下，在人與人的通信方式上，語音通信是最直接的通信手段。早期的水下語音通信系統(tǒng)大都采用模擬單邊帶調(diào)制技術(shù)，由于模擬系統(tǒng)的功率利用率不高。另外，雖然單邊帶調(diào)制是節(jié)省傳輸頻帶的調(diào)制方式，但實現(xiàn)起來比較困難，要獲得單邊帶信號，必須有陡峭頻率特性的發(fā)送邊帶濾波器，技術(shù)難度較大。近年來，隨著數(shù)字通信技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了相移鍵控(PsK)、多相鍵控(MPSK)、差分相移鍵控(DPSK)等新技術(shù)，使得可實現(xiàn)的水聲通信速率不斷得到提高，而且由于自適應(yīng)均衡等技術(shù)的發(fā)展，可以在一定程度上降低信道傳輸?shù)恼`碼率。與數(shù)字通信的快速發(fā)展相適應(yīng)的是語音數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，各種低碼率語音壓縮編碼技

17、術(shù)得到廣泛研究，這些都為實現(xiàn)水下數(shù)字語音通信奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，本章將著重闡述水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)的設(shè)計過程，在對各部分功能模塊分析的基礎(chǔ)上，從整體上給出系統(tǒng)的基本組成及實現(xiàn)框圖。2.1系統(tǒng)指標(biāo)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，通常用傳輸速率和誤碼率這兩個指標(biāo)來衡量通信質(zhì)量的好壞。由香農(nóng)(Shannon)定理可知，傳輸速率與誤碼率本身就是一對矛盾，二者在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。我們通常所說的保證水聲通信的質(zhì)量，就是在保持高數(shù)據(jù)率的前提下，盡量降低傳輸?shù)恼`碼率。在這里，我們提出系統(tǒng)的指標(biāo)如下：信源頻率：300-3400hz信道中心頻率：300khz信道帶寬：50khz信息傳輸率： Rf誤碼率：p10-5

18、2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)正如一般的數(shù)字通信系統(tǒng)，這里給出的水聲語音通信系統(tǒng)也包括發(fā)射系統(tǒng)、信道和接收系統(tǒng)三部分，如圖21所示。發(fā)射系統(tǒng)的主要任務(wù)是：用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，如話筒，把原始語音信息轉(zhuǎn)變成電信號送入信源編碼器，信源編碼器對輸入信號進行AfD變換，并完成語音壓縮功能，形成低碼率的數(shù)字信號。一般把經(jīng)過信道編碼的信號稱為符號，調(diào)制部分是根據(jù)水聲信道的特點和要求把信道編碼后的符號以適當(dāng)?shù)姆绞?如相移鍵控)調(diào)制到一定頻率的載波上，最后送往發(fā)射機，經(jīng)由發(fā)射陣轉(zhuǎn)化為聲信號。接收系統(tǒng)對信號的處理過程與發(fā)射系統(tǒng)一一對應(yīng)，是一個相反的過程。主要包括：接收信號的預(yù)處理(放大、濾波、增益控制、AD采樣)，信號的解調(diào)，信

19、道解碼和語音壓縮解碼，最后重建原始語音信號。2.3系統(tǒng)各部分具體結(jié)構(gòu)2.3.1 信息源和收信者1信源是消息的產(chǎn)生地， 其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號?？煞譃椋耗M信號：凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號數(shù)字信號：凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報信號、計算機輸入/輸出信號、PCM信號等。 2 收信者是是傳輸信息的歸宿點， 其作用是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的消息。在不同的領(lǐng)域中收信者可以和信息源相同，也可以不同。例如在通信中，話筒即作為信息源，也作為收信者。 由于這次做

20、的是語音通信系統(tǒng)，所以我選取了模擬信號作為本實驗的信號源，生活中大多數(shù)的信息也是模擬信號的方式。2.3.2 信源編碼因數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點而成為當(dāng)今通信的發(fā)展方向。然而自然界的許多信息經(jīng)各種傳感器感知后都是模擬量，若要利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，一般需三個步驟：（1） 把模擬信號數(shù)字化， 即模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）；（2） 進行數(shù)字方式傳輸；（3） 把數(shù)字信號還原為模擬信號， 即數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）。模擬信號數(shù)字化的方法大致可劃分為波形編碼和參量編碼兩類。波形編碼是直接把時域波形變換為數(shù)字代碼序列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范圍內(nèi)，接收端重建信號的質(zhì)量好。 參量編碼是利用信號處理技

21、術(shù)，提取語音信號的特征參量， 再變換成數(shù)字代碼，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢復(fù))信號的質(zhì)量不夠好。所以我們采用波形編碼。目前用的最普遍的波形編碼方法有脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制（M）以及PCM的改進型：差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)、和自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)。下面主要比較一下脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制（M）。2.3.2.1 脈沖編碼調(diào)制(PCM)脈沖編碼調(diào)制(PCM)簡稱脈碼調(diào)制，它是一種用一組二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，從而實現(xiàn)通信的方式。PCM是一種最典型的語音信號數(shù)字化的波形編碼方式， 其系統(tǒng)原理框圖如圖 6 -14 所示。首先，在發(fā)送

22、端進行波形編碼(主要包括抽樣、量化和編碼三個過程)，把模擬信號變換為二進制碼組。編碼后的PCM碼組的數(shù)字傳輸方式可以是直接的基帶傳輸，也可以是對微波、光波等載波調(diào)制后的調(diào)制傳輸。在接收端，二進制碼組經(jīng)譯碼后還原為量化后的樣值脈沖序列，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，便可得到重建信號。 圖 6 14 PCM系統(tǒng)原理框圖抽樣是按抽樣定理把時間上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成時間上離散的抽樣信號；量化是把幅度上仍連續(xù)（無窮多個取值）的抽樣信號進行幅度離散，即指定M個規(guī)定的電平，把抽樣值用最接近的電平表示；編碼是用二進制碼組表示量化后的M個樣值脈沖。圖 6 - 15給出了PCM信號形成的示意圖。綜上所述，PCM信

23、號的形成是模擬信號經(jīng)過“抽樣、量化、編碼”三個步驟實現(xiàn)的。圖 6 15 PCM信號形成示意圖抽樣：抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的抽樣值的過程。能否由此樣值序列重建原信號，是抽樣定理要回答的問題。 抽樣定理的大意是，如果對一個頻帶有限的時間連續(xù)的模擬信號抽樣，當(dāng)抽樣速率達到一定數(shù)值時，那么根據(jù)它的抽樣值就能重建原信號。也就是說，若要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬信號本身，只需傳輸按抽樣定理得到的抽樣值即可。因此，抽樣定理是模擬信號數(shù)字化的理論依據(jù)。低通抽樣定理：一個頻帶限制在(0, fH)赫內(nèi)的時間連續(xù)信號m(t)，如果以Ts1/(2fH)秒的間隔對它進行等間隔（均勻）抽樣，

24、則m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。 此定理告訴我們：若m(t)的頻譜在某一角頻率H以上為零，則m(t)中的全部信息完全包含在其間隔不大于1/(2fH)秒的均勻抽樣序列里。換句話說，在信號最高頻率分量的每一個周期內(nèi)起碼應(yīng)抽樣兩次。 或者說，抽樣速率fs（每秒內(nèi)的抽樣點數(shù)）應(yīng)不小于2fH，若抽樣速率fs2fH，則會產(chǎn)生失真，這種失真叫混疊失真。帶通抽樣定理 ： 一個帶通信號m(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fH-fL，如果最小抽樣速率fs=2fH/m， m是一個不超過fH/B的最大整數(shù)，那么m(t)可完全由其抽樣值確定。我們假設(shè)信源的頻率為300hz3400hz，則采用帶通抽樣定

25、理。量化：利用預(yù)先規(guī)定的有限個電平來表示模擬信號抽樣值的過程稱為量化。時間連續(xù)的模擬信號經(jīng)抽樣后的樣值序列， 雖然在時間上離散，但在幅度上仍然是連續(xù)的，即抽樣值m(kT)可以取無窮多個可能值，因此仍屬模擬信號。如果用N位二進制碼組來表示該樣值的大小，以便利用數(shù)字傳輸系統(tǒng)來傳輸?shù)脑?，那? N位二進制碼組只能同M=2N個電平樣值相對應(yīng)，而不能同無窮多個可能取值相對應(yīng)。這就需要把取值無限的抽樣值劃分成有限的M個離散電平，此電平被稱為量化電平。量化間隔是均勻的， 這種量化稱為均勻量化。還有一種是量化間隔不均勻的非均勻量化。均勻量化：把輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。在均勻量化中，每個

26、量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點。 其量化間隔i取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。量化后的樣本值Y和原始值X的差E=Y-X稱為量化誤差或量化噪聲。均勻量化特性及量化誤差曲線非均勻量化：非均勻量化是一種在整個動態(tài)范圍內(nèi)量化間隔不相等的量化。換言之，非均勻量化是根據(jù)輸入信號的概率密度函數(shù)來分布量化電平，以改善量化性能。實現(xiàn)非均勻量化的方法之一是把輸入量化器的信號x先進行壓縮處理，再把壓縮的信號y進行均勻量化，最后對y進行擴張，恢復(fù)原始信號。通常使用的壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮，即y=lnx。廣泛采用的兩種對數(shù)壓擴特性是律壓擴和A律壓擴。美國采用律壓擴，我國和歐洲各國均采用A律壓擴。下面分

27、別討論這兩種壓擴的原理。A律壓擴特性： A為壓擴參數(shù)， A=1時無壓縮， A值越大壓縮效果越明顯。A律壓縮特性如圖 6 - 19（b）所示。圖 6 - 19對數(shù)壓縮特性 (a) 律； (b)A律 律壓縮特性： 其中為壓縮系數(shù)。與A律類似，愈大則壓縮效果與明顯，=0相當(dāng)于無壓縮。律壓縮特性如圖 6 - 19（a）所示。用均勻量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，我們選擇了非均勻量化的方法，其中我們

28、采用A律壓擴。編碼：在PCM中，把量化后信號電平值轉(zhuǎn)換成二進制碼組的過程稱為編碼。理論上說任何一種可逆的二進制碼組都可以用于PCM編碼。常見的二進制碼組有三種，即自然二進制碼組，折疊二進制碼組和格雷二進制碼組。PCM通信中采用折疊碼。這是因為信道傳輸中必然存在誤碼，而采用折疊碼時可以使由誤碼產(chǎn)生的失真誤差功率最小。尤其因為語音信號中小信號出現(xiàn)的概率大，所以從統(tǒng)計的觀點看，折疊碼產(chǎn)生的均方誤差功率小。所以對量化后的信號采用PCM折疊碼來編碼。電話語音信號的頻帶為3003400Hz，抽樣速率為8000Hz，對每個抽樣值進行律或者律非均勻量化，在編碼時每個抽樣值用8位二進制碼表示。這樣，每路標(biāo)準(zhǔn)話路

29、的比特率為64kbps。編碼時是按照CCITT標(biāo)準(zhǔn)的PCM編碼規(guī)則進行的。在律13折線編碼中，正負方向共16個段落，在每一個段落內(nèi)有16個均勻分布的量化電平，因此總的量化電平數(shù)。編碼位數(shù)，每個抽樣值用8比特代碼來表示，分為三部分。第一位為極性碼，用1和0分別表示信號的正、負極性。第二到第四位碼為段落碼，表示信號絕對值處于那個段落，3位碼可表示8個段落，代表了8個段落的起始電平值。上述編碼方法是把非線性壓縮、均勻量化、編碼結(jié)合為一體的方法。在上述方法中，雖然各段內(nèi)的16個量化級是均勻的，但因段落長度不等，故不同段落間的量化間隔是不同的。當(dāng)輸入信號小時，段落小，量化級間隔??；當(dāng)輸入信號大時，段落大

30、，量化級間隔大。第一、二段最短，歸一化長度為，再將它等分16段，每一小段長度為，這就是最小的量化級間隔。根據(jù)13折線的定義，以最小的量化級間隔為最小計量單位，可以計算出13折線律每個量化段的電平范圍、起始電平、段內(nèi)碼對應(yīng)電平、各段落內(nèi)量化間隔。具體計算結(jié)果如表3-2所示。13折線A律有關(guān)參數(shù)表段落號i=18電平范圍段落碼段落起始電平量化間隔段內(nèi)碼對應(yīng)權(quán)值（）8102420481 1 110246451225612864751210241 1 051232256128643262565121 0 12561612864321651282561 0 0128864321684641280 1 16

31、44321684332640 1 032216842216320 0 1161842110160 0 0018421假設(shè)以非均勻量化時的最小量化間隔=1/2048作為均勻量化的量化間隔，那么從13折線的第一段到第八段所包含的均勻量化級數(shù)共有2048個均勻量化級，而非均勻量化只有128個量化級。均勻量化需要編11位碼，而非均勻量化只要編7位碼?？梢?，在保證小信號時的量化間隔相同的條件下，7位非線性編碼與11位線性編碼等效。在本設(shè)計中正式采用這種方法進行PCM編碼的。所以PCM的輸出為8位的二進制碼。2.3.2.2 增量調(diào)制（M）一個語音信號，如果抽樣速率很高（遠大于奈奎斯特速率），抽樣間隔很小，

32、那么相鄰樣點之間的幅度變化不會很大，相鄰抽樣值的相對大?。ú钪担┩瑯幽芊从衬M信號的變化規(guī)律。 若將這些差值編碼傳輸， 同樣可傳輸模擬信號所含的信息。此差值又稱“增量”，其值可正可負。 這種用差值編碼進行通信的方式，就稱為“增量調(diào)制”（Delta Modulation），縮寫為DM或M。M與PCM編碼方式相比具有編譯碼設(shè)備簡單， 低比特率時的量化信噪比高，抗誤碼特性好等優(yōu)點。在軍事和工業(yè)部門的專用通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用，近年來在高速超大規(guī)模集成電路中用作A/D轉(zhuǎn)換器。由于該系統(tǒng)要求誤碼率p10-5，PCM已經(jīng)可以滿足需求，所以選擇PCM編碼方式，故M在此不多作介紹。群同步：將接收碼元

33、正確分組。通常需要在發(fā)送信號中周期性地插入一個同步碼元，標(biāo)示出分組位置。群同步碼包括集中插入和分散插入。插入原理如下圖所 同步插入 分散插入其中同步插入適用于要求快速建立同步的地方，或間斷傳輸信息并且每次傳輸時間很短的場合。分散插入適用于連續(xù)傳輸信息之處。這里由于傳輸?shù)臄?shù)字的語音信號，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碼都很短。例如，在數(shù)字電話系統(tǒng)中常采用“10”交替碼，即在上圖所示的同步碼元位置上輪流發(fā)送二進制數(shù)字“1”和“0”。這種有規(guī)律的周期性地出現(xiàn)的“10”交替碼，在信息碼元序列中極少可能出現(xiàn)。因此在接收端有可能將同步碼的位置檢測出來。本系統(tǒng)采用在PCM輸

34、出的8位的信息碼組中插入3位的同步碼組“101”。2.3.3 信道編碼信道編碼又稱糾錯編碼，是提高數(shù)字傳輸可靠性的一種技術(shù)。前面已經(jīng)提到，在水聲通信中由于信道受干擾影響較嚴(yán)重，易產(chǎn)生誤碼，所以，為增加信道傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，常常采用糾錯編碼技術(shù)。本系統(tǒng)中采用糾錯編碼技術(shù)的目的有兩個：一是解決由信道白噪聲所產(chǎn)生的隨機性差錯，二是解決由脈沖干擾所引起的突發(fā)性差錯。信道編碼的基本思想是按照某種編碼規(guī)則在待發(fā)送的信息碼元序列中加入一些多余的碼元（監(jiān)督碼元或校驗碼元）。增加碼元之間的相互關(guān)聯(lián)，再在接收端利用該規(guī)則進行解碼，以便發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)的可靠性。不同的信道環(huán)境對于所傳輸?shù)男畔a(chǎn)生不

35、同的加性干擾，根據(jù)這種干擾造成錯碼的統(tǒng)計特性不同，可以將信道分為三類：（1） 隨機信道：在這種信道中錯碼是隨機出現(xiàn)的，并且各個錯碼的出現(xiàn)是統(tǒng)計獨立的。例如，由白噪聲引起的錯碼。（2） 突發(fā)信道：這種信道中的錯碼是相對集中出現(xiàn)的，即在短時間內(nèi)有很多錯碼出現(xiàn)，而在這些短時間段之間有較長的無錯碼時間段。如脈沖干擾引起的錯碼。（3） 混合信道：這種信道中的錯碼既有隨機的又有突發(fā)的。正是由于不同信道中的錯碼特性不同，所以需要采用不同的差錯控制技術(shù)來減少或消除錯碼。首先常用的差錯控制方式主要有三種：檢錯重發(fā)（簡稱ARQ）、前向差錯（簡稱FEC）和混合糾錯（簡稱HEC）,他們的系統(tǒng)構(gòu)成如下：檢錯重發(fā)：又稱自

36、動請求重傳方式，記作ARQ(Automatic Repeat Request)。發(fā)信端將信息碼編成能夠檢錯的碼組發(fā)送到信道，收信端收到一個碼組后進行檢驗，將檢驗結(jié)果（有誤碼或者無誤碼）通過反向信道反饋給發(fā)信端作為對發(fā)信端的一個應(yīng)答信號。發(fā)信端根據(jù)收到的應(yīng)答信號做出是繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)還是把出錯的數(shù)據(jù)重發(fā)的判斷。優(yōu)點是譯碼設(shè)備簡單，對突發(fā)錯誤和信道干擾較嚴(yán)重時有效， 缺點需要反饋信道，實時性差，主要在計算機數(shù)據(jù)通信中得到應(yīng)用。前向糾錯：發(fā)信端將信息碼經(jīng)信道編碼后變成能夠糾正錯誤的碼，然后通過信道發(fā)送出去；收信端收到這些碼組后，根據(jù)與發(fā)信端約定好的編碼規(guī)則，通過譯碼能自動發(fā)現(xiàn)并糾正因傳輸帶來的數(shù)據(jù)錯

37、誤。前向糾錯方式只要求單向信道，因此特別適合于只能提供單向信道的場合，同時也適合一點發(fā)送多點接收的廣播方式。因為不需要對發(fā)信端反饋信息，所以接收信號的延時小、實時性好。這種糾錯系統(tǒng)的缺點是設(shè)備復(fù)雜、成本高，且糾錯能力愈強，編譯碼設(shè)備就愈復(fù)雜。 主要用于語音，廣播，TV等通信。 混合糾錯：記作HEC(Hybrid Error Correction)是FEC和ARQ方式的結(jié)合。發(fā)端發(fā)送具有自動糾錯同時又具有檢錯能力的碼。接收端收到碼后，檢查差錯情況，如果錯誤在碼的糾錯能力范圍以內(nèi)，則自動糾錯，如果超過了碼的糾錯能力， 但能檢測出來，則經(jīng)過反饋信道請求發(fā)端重發(fā)?；旌霞m錯方式在實時性和譯碼復(fù)雜性方面是

38、前向糾錯和檢錯重發(fā)方式的折衷，可達到較低的誤碼率較適合于環(huán)路延遲大的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 分組碼與卷積碼 差錯控制編碼按照各碼組信息元和監(jiān)督元的函數(shù)關(guān)系，可分為分組碼和卷積碼兩種。 分組碼一般可用（n,k）表示，其中n是編碼碼組的碼元總位數(shù)，k是每組二進制信息碼元的數(shù)目。分組碼是把k個信息比特的序列編成n個比特的碼組，每個碼組的n-k個校驗位僅與本碼組的k個信息位有關(guān)，而與其他碼組無關(guān)。常見的分組碼有奇偶校驗碼、漢明碼、循環(huán)碼等，其中循環(huán)碼又分為CRC碼、BCH碼、RS碼等。 卷積碼，或稱連環(huán)碼，它與分組碼不同的是，卷積編碼器把k比特信息段編成n比特的碼組，但所編的n長碼組不僅同當(dāng)前的k比特信息

39、段有關(guān)聯(lián)，而且還同前面的N-1個（N1，整數(shù)）信息段有關(guān)聯(lián)。一般稱N為碼的約束長度，卷積碼通常被記為（n,k,N）, 其中n為編碼器輸出的碼元個數(shù)，k是輸入的碼元個數(shù)，它的編碼效率為R=k/n。 卷積碼的糾錯性能隨N的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數(shù)下降。在編碼器復(fù)雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。但卷積碼沒有分組碼那樣嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析手段，目前大多是通過計算機進行好碼的搜索。卷積碼因為其良好的性能已被廣泛應(yīng)用在通信系統(tǒng)中。本系統(tǒng)采用了卷積碼。以二進制(2，1，3)卷積碼為例，介紹用編碼器、離散卷積法和生成矩陣法來進行編碼。(2，1，3)卷積碼中的“3”表示N=3的3級移位寄存器，“

40、2”(n0=2)表示2個模2加法器，“1”(k0=1)表示1個交錯串行輸出用的混合器。其編碼器如下圖所示。(1) 離散卷積法：信息序列為：u=( )=(10111)生成序列為：輸出序列為：碼字為：式中等都是離散卷積。（2）生成矩陣法如果把生成序列和交錯排列，就可寫成生成矩陣G:由此得到編碼方程 v=uG如u的長度為L，則G應(yīng)有L行和2(N+L)列。本例L=5，N=3，故G應(yīng)有5行和6列，且v的長度應(yīng)為16位。將具體數(shù)據(jù)帶入得：2.3.3.2 交織技術(shù)實際信道中產(chǎn)生的錯誤往往是較長的突發(fā)錯誤或較長的突發(fā)錯誤與隨機錯誤并存，如果首先把突發(fā)錯誤離散成隨機錯誤，然后再去糾隨機錯誤，那么系統(tǒng)的抗干擾性能

41、就會進一步得到提高。交織器的作用就是將比較長的突發(fā)錯誤或多個突發(fā)錯誤離散成隨機錯誤，即把錯誤離散化。交織器按交織方式可分為交織深度固定的交織器(如分組交織器和卷積交織器)和交織深度不斷變化的隨機交織器；按交織對象可分為碼元交織器和碼段交織器。交織和解交織是一種很實用也很常用的構(gòu)造碼方法，不僅可以糾隨機錯誤，還可用來糾突發(fā)錯誤，所以常用于組建信道糾錯系統(tǒng)。交織深度是交織和解交織的重要參數(shù)。交織深度越大，突發(fā)錯誤的離散度也越大，錯誤的相關(guān)性越小。當(dāng)足夠大時，就可把突發(fā)錯誤離散為隨機錯誤。2.3.4基帶處理在信道編碼后得到的數(shù)字基帶信號都是矩形波形，這些基帶信號在頻域內(nèi)是無窮延伸的。如果直接采用矩形

42、脈沖的基帶信號作為傳輸碼型，由于實際信道的頻帶都是有限的，則傳輸系統(tǒng)接收所得的信號頻譜必定與發(fā)送端不同，這就會使接收端數(shù)字基帶信號的波形失真。較小的波形失真對于二元或三元基帶信號影響不大，只是使其抗噪聲性能下降，但對于多元信號，則可能造成嚴(yán)重的傳輸錯誤。當(dāng)信道頻帶嚴(yán)格受限時（如數(shù)字基帶信號經(jīng)調(diào)制通過通信信道傳輸），波形失真問題就變得比較嚴(yán)重，尤其在傳輸多元信號時更為突出。為了滿足抽樣無失真，在實際中應(yīng)用的是稱之為升余弦滾降信號。下圖為幾種滾降特性和沖激響應(yīng)曲線結(jié)論：1、滾降系數(shù)a越大，h(t)的拖尾衰減越快2、滾降使帶寬增大為 3、余弦滾降系統(tǒng)的最高頻帶利用率為 這里不妨采用a=0.5的滾降特

43、性對信道編碼后的信號進行數(shù)字基帶處理。 調(diào)制水聲信道的復(fù)雜特性是水聲通信系統(tǒng)區(qū)別于其它通信系統(tǒng)，如無線電通信系統(tǒng)的最主要原因，它決定了水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計和性能。因而設(shè)計一個高效可靠的水聲通信系統(tǒng)必須要考慮水聲信道的特性。由于水聲傳播中信號的相位起伏較大，以往的水聲通信系統(tǒng)都是采用非相干的調(diào)制方式，通過降低傳輸速率以獲得較小的ISI，從而降低誤碼率，使用最多的是頻移鍵控(FsK)調(diào)制方式。然而要在帶寬嚴(yán)重受限的水聲信道獲得高傳輸速率，從理論上看這種非相干方式，無論系統(tǒng)的其他部分做得多么完善，在誤碼率容許的范圍內(nèi)，傳輸速率和帶寬永遠是一對無法調(diào)和的矛盾，從而大大制約了水聲通信的質(zhì)量。在這種情況下，

44、人們不得不尋求能更有效利用帶寬的調(diào)制方式。近年來的最新研究向人們展示了一個可喜的成果：相位相干調(diào)制法不僅能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)率的要求，至少可獲得十倍以上的增益，而且隨著數(shù)據(jù)率的提高，信道的相干性變好，自適應(yīng)接收器對信道的跟蹤誤差下降，從而有效地改善了接收性能。表22列出了一些利用相位相于調(diào)制技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)的最新研究成果。在各種相移鍵控方式中，用得較多且各方面性能都較好的是四相相移鍵控(QPSK)，其原理介紹如下：圖中的QPSK采用了格雷碼編碼方式，使得相鄰相位所對應(yīng)的碼元只有一個比特不同，這樣，發(fā)生誤碼時，一般情況下只會有一個比特發(fā)生差錯。采用格雷碼時，誤比特率與誤符號率之間有如下關(guān)系： 本系

45、統(tǒng)采用圖25(b)右圖 方式，載波相位共有四個可能的取值，即4、34、54、74。載波的4個可能相位中的任一個代表著兩個bit的數(shù)據(jù)。這 樣每個符號代表兩個bit，所以QPSK的符號速率是數(shù)據(jù)速率的一半，與BPSK相比，同樣的信道帶寬下，QPSK能傳輸兩倍的信息量。換句話說，在保證一定的數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，QPSK將占用更小的帶寬。這對于水下高速通信具有極其重要的意義。QPSK信號可以看成是載波相位相互正交的二相PSK信號之和，其系統(tǒng)調(diào)制器方框圖如圖26所示 QPSK調(diào)制的仿真波形 信道信道是通信傳輸信號的通道，是通信系統(tǒng)的重要組成部分。其基本特點是發(fā)送信號隨機地受到各種可能機理的惡化。在通

46、信系統(tǒng)的設(shè)計中，人們往往根據(jù)信道的數(shù)學(xué)模型來設(shè)計信道編碼，以獲得更好的通信性能。常用的信道數(shù)學(xué)模型有：加性噪聲信道，線性濾波信道，線性時變?yōu)V波信道。(1)加性噪聲信道：加性噪聲信道是最簡單的一種信道數(shù)學(xué)模型，噪聲對信號的影響是加性的。如圖4所示，輸入信號為s(t) ，噪聲為n(t) ，輸出為r(t) = s(t)+ n(t)圖4加性噪聲數(shù)學(xué)模型若加上衰減函數(shù)，則r(t) = s(t)+ n(t) 。(2)線性濾波信道：實際信道中，帶寬均有所限制，所以為了確保信號不超出帶寬一般會加上線性濾波器。這樣的信道便稱為線性濾波信道，圖5所示。輸入信號為s(t) ，噪聲為n(t) ，輸出為r(t) ：圖5

47、r(t) = s(t)*c(t) + n(t) = -cs(t-)d + n(t)(3)線性時變?yōu)V波信道：很多物理信道如電離層無線電信道等，其信道特點是時變的，于是線性濾波器也加上時變特性，則時變信道脈沖響應(yīng)為c(;t) ，表示可變的過去時間。圖6r(t) = s(t)* c(;t) + n(t) = -c(;t)s(t-)d + n(t)此種模型很好地反映了物理信道中的多路徑信號傳播，如手機蜂窩信道。這是其中的一種特殊例子，若時變脈沖響應(yīng)為：c(;t) = k=1Lakt-k其中ak(t)表現(xiàn)出時變信道的可能衰減，k代表時間延時，L則表示傳播路徑的數(shù)目。將這一特例帶到線性時變?yōu)V波信道中則可得

48、輸出信號為：r(t) = k=1Laktst-k + n(t) 以上三個信道模型描述了我們在實際中利用的物理信道的大多數(shù)重要特點，便于我們對實際通信系統(tǒng)進行設(shè)計與分析。由于假設(shè)的是恒參信道，所以我們簡化水聲信道，取信道為加性高斯白噪聲。2.3.7解調(diào)：解調(diào)是調(diào)制的逆過程，對QPSK信號的解調(diào)，也可以用兩個相互正交的參考載波分別對兩個二相信號進行相干解調(diào)，QPSK相干解調(diào)器的方框圖如圖27所示。 QPSK解調(diào)的仿真波形 數(shù)字信號的最佳接收通信系統(tǒng)中信道特性不理想及信道噪聲的存在，直接影響接收系統(tǒng)的性能，而一個通信系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)劣在很大程度上取決于接收系統(tǒng)的性能。因此把接收問題作為研究對象，研究從噪聲中如何最好地提取有用信號，且在某個準(zhǔn)則下構(gòu)成最佳接收機，使接收性能達到最佳，這就是最佳接收理論。帶噪聲的數(shù)字信號的接收，實質(zhì)上是一個統(tǒng)計接收問題，也可以說數(shù)字信號接收過程是一個統(tǒng)計判決過程。從統(tǒng)計學(xué)的觀點來看，數(shù)字信號接收可以用一個統(tǒng)計模型來表述 數(shù)字通信中最直觀和最合理的準(zhǔn)則就是“最小差錯概率”。因為在通信中，由于噪聲和畸變的作用，使接收發(fā)生錯誤，我們總期望錯誤接收的概率越小越好。 匹配濾波器是指輸出信噪比最大的最佳線性濾波器。如果濾波器的輸出端能夠獲得最大信噪比，則就能最佳地判決信號的出現(xiàn)，從而提高系統(tǒng)的檢測性能