ofdm的水声通信技术研究
摘 要随着经济的发展与资源的紧缺，海洋资源的开发价值逐渐受到重视。OFDM通信技术以其高性能、多通道性成为当下水声通信技术的研究热点。本文基于IFFT/FFT算法，采用了循环前缀作为时间间隔，设计了一个OFDM水声通信系统。本文主要研究内容是综述了水声统计技术及OFDM技术的研究现状；介绍了水声通信技术及其OFDM通信技术原理及其实现过程；叙述了水声通信系统的设计流程及参数选择；基于IFFT/FFT算法，采用了循环前缀作为时间间隔，设计了一个OFDM水声通信系统；完成硬件系统的设计；搭建了完整的OFDM通信系统并进行了系统测试。测试结果显示传输距离为4.5m，通信速率为2.91kbps，误码率为5.93×103，传输方案比较合理，系统搭建较为成功。本文研究通过对OFDM通信技术进行系统的软件及硬件的设计及方案的验证，验证了水声通信的可行性，对以后水声通信技术的研究具有一定的参考意义。
目 录
引言 1
（一） 水声通信技术的发展现状 1
（二） 水声通信技术的难点 2
（三） 论文的主要研究内容 3
一、OFDM 编码的水声通信系统 3
（一）OFDM基础技术原理 3
1. 子载波的正交性 4
2. 子载波的调制 4
3. OFDM的DFT实现 5
4. 保护间隔和循环前缀 5
（二）OFDM 水声通信系统的设计 6
1.水声通信系统的系统框架 6
2.系统参数选择 7
3.水声通信系统的同步技术 8
二、 水声通信系统的硬件设计 9
（一） 发射机、接收机的硬件设计 9
（二） 功率放大器的设计 11
（三） ADC电路 11
三、 水声通信技术系统测试 12
（一） 功能性测试 12
（二） 系统的同步性能验证 14
（三） 测试结论 14
总结 15
参考文献 16
致 谢 17
附录一 原理图 18
引言
水声通信技术的发展现状
众所周知， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
海洋蕴含丰富的能源和资源，人类可以对其进行进一步的探索及开发。随着各国科技技术的不断发展，各国都加大了对海洋资源的重视，并且及时制定不同的海洋资源发展战略。水下通信技术可以为各国开拓海洋资源提供一个安全的保障，同时可以指引如何合理化的挖掘海洋资源。但是海水对电磁波和光波的衰减影响较大，依据目前了解的能量的辐射形式，常用于海水下无线通信使用的最优载体水声通信的声波，不仅用于国家的军事领域涉及的潜艇、舰船和舰船间通信，而且已经在人类海洋活动的各个层面。今天，在实现对海洋的生态环境的监督测量、可能会发生的自然灾害的预警等对海洋遥测数据信息的回传，在对海洋的矿产、石油、天然气资源的开拓中的可以实现远程的控制，水声通信技术的发展还可以帮助进行海洋搜救和捕捞活动，此外在军事方面还能用来通信和反潜。所以，我国要实现海洋资源的安全合理利用以促进国家经济的进一步发展，就务必要不断完善水声通信技术。水声通信系统见图1。
图1 水声通信系统图
水声通信技术分为：（1）非相干水声通信技术；（2）相干水声通信技术；（3）正交频分复用（OFDM）技术；（3）其他技术等。水声通信技术发展初期通信系统主要是采用非相干水声通信技术，是通过监测不同频率的信号所具有的的能量变化或其组合形式来传输信息的。最经典的非相干水声通信系统是美国研发的ATM850。基于多频移键控信号MFSK的非相干水声通信技术可有效克服时间扩展和频率扩展，数据较为可靠。相干水声通信技术，是利用信号在相位方面的变化来传递相关信息的。关于相位相干的调制方式，是存在差分相移调制（DPSK）以及绝对相移键控调制（PSK）的区分的。最早的相干通信技术是美国研发的，采用了多相移键空信号（MPSK）、自适应均衡器、多普勒补偿技术等。正交频分复用技术（OFDM）是一种多载波调制技术，分别通过IDFT变换和DFT变换，主要理念是将同时接受的多个高速信道分散成N个正交的低速信道，使得不同的信道并行传播，有效的消减了码间干扰。相比较国外，国内的水声通信技术研究起步较晚。在20世纪80年代中期才首次开展水声通信技术研究，但当时研究内容较少，未受到国家的重视。直至20世纪90年代初，“863”计划之后，汪德昭院士极力推荐我国进行水声通信技术研究。目前中科院声学所、西北工业大学、哈尔滨工程大学、厦门大学等对水声通信技术进行了研究，对OFDM技术、时延编码技术、多普勒移估计与补偿、水声信道估计、数据传输等方面做出了贡献，推动了我国水声通信技术的发展。开发水声通信网络最早的公司是美国的Seaweb网络公司，这个企业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、分簇网络等多种重要的功能。目前，在我国制定的863计划、国家军队和环境科学基金的支持下，可以发现我国的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、规范化的协议等等方面都获得了不容忽视的提升。
水声通信技术的难点
目前水声通信技术面临的主要难点，急待解决。主要是：声波的吸收衰减、多途传播、多普勒频移、时变性、环境噪声干扰等。
吸收衰减：由于海水介质的复杂性，声波在海里传播的过程中，会被不断吸收，导致逐渐衰减。海水中声波波速大约为1500 m/s，频率小于10KHz左右，传播距离很短，这是水声通信效率低的一大原因。
多途传播：水声声源处在传播的过程中，会遇到不同的介质，发生界面反射、声带弯曲及随机散射的现象，从而传输途径发生改变，导致传到接收器出处接收到同一声源多个信号。水声信道决定了多途传播路径的数目以及各到达信号的强度及时延，在深海信道时延可达几秒，在浅海信道一般是毫秒量级，长的可达百毫秒量级。
多普勒频移：导致这一现象的原因之一是大风、激流或者外界搅动引起的海水的波动，此时水声通信设备的位置会随之变动，此时接收的频率发生变化，频率的变化称为多普勒频移。除了设备变动外，海水的变动将影响声波的传播途径，导致声波发生界面反射、声带弯曲及随机散射的现象，使得每个波频彼此之间的多普勒频移产生一定的偏差。
时变性：由于水声信道的时变性特征，水声信道又被称作时变的时延多普勒频移双扩散信道。由于声波的传播速度低、通信的符号周期较长，使得信道的时变性对通信的影响更加明显，对时延扩散和多普勒频移扩散的处理变得更加困难。
目 录
引言 1
（一） 水声通信技术的发展现状 1
（二） 水声通信技术的难点 2
（三） 论文的主要研究内容 3
一、OFDM 编码的水声通信系统 3
（一）OFDM基础技术原理 3
1. 子载波的正交性 4
2. 子载波的调制 4
3. OFDM的DFT实现 5
4. 保护间隔和循环前缀 5
（二）OFDM 水声通信系统的设计 6
1.水声通信系统的系统框架 6
2.系统参数选择 7
3.水声通信系统的同步技术 8
二、 水声通信系统的硬件设计 9
（一） 发射机、接收机的硬件设计 9
（二） 功率放大器的设计 11
（三） ADC电路 11
三、 水声通信技术系统测试 12
（一） 功能性测试 12
（二） 系统的同步性能验证 14
（三） 测试结论 14
总结 15
参考文献 16
致 谢 17
附录一 原理图 18
引言
水声通信技术的发展现状
众所周知， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
海洋蕴含丰富的能源和资源，人类可以对其进行进一步的探索及开发。随着各国科技技术的不断发展，各国都加大了对海洋资源的重视，并且及时制定不同的海洋资源发展战略。水下通信技术可以为各国开拓海洋资源提供一个安全的保障，同时可以指引如何合理化的挖掘海洋资源。但是海水对电磁波和光波的衰减影响较大，依据目前了解的能量的辐射形式，常用于海水下无线通信使用的最优载体水声通信的声波，不仅用于国家的军事领域涉及的潜艇、舰船和舰船间通信，而且已经在人类海洋活动的各个层面。今天，在实现对海洋的生态环境的监督测量、可能会发生的自然灾害的预警等对海洋遥测数据信息的回传，在对海洋的矿产、石油、天然气资源的开拓中的可以实现远程的控制，水声通信技术的发展还可以帮助进行海洋搜救和捕捞活动，此外在军事方面还能用来通信和反潜。所以，我国要实现海洋资源的安全合理利用以促进国家经济的进一步发展，就务必要不断完善水声通信技术。水声通信系统见图1。
图1 水声通信系统图
水声通信技术分为：（1）非相干水声通信技术；（2）相干水声通信技术；（3）正交频分复用（OFDM）技术；（3）其他技术等。水声通信技术发展初期通信系统主要是采用非相干水声通信技术，是通过监测不同频率的信号所具有的的能量变化或其组合形式来传输信息的。最经典的非相干水声通信系统是美国研发的ATM850。基于多频移键控信号MFSK的非相干水声通信技术可有效克服时间扩展和频率扩展，数据较为可靠。相干水声通信技术，是利用信号在相位方面的变化来传递相关信息的。关于相位相干的调制方式，是存在差分相移调制（DPSK）以及绝对相移键控调制（PSK）的区分的。最早的相干通信技术是美国研发的，采用了多相移键空信号（MPSK）、自适应均衡器、多普勒补偿技术等。正交频分复用技术（OFDM）是一种多载波调制技术，分别通过IDFT变换和DFT变换，主要理念是将同时接受的多个高速信道分散成N个正交的低速信道，使得不同的信道并行传播，有效的消减了码间干扰。相比较国外，国内的水声通信技术研究起步较晚。在20世纪80年代中期才首次开展水声通信技术研究，但当时研究内容较少，未受到国家的重视。直至20世纪90年代初，“863”计划之后，汪德昭院士极力推荐我国进行水声通信技术研究。目前中科院声学所、西北工业大学、哈尔滨工程大学、厦门大学等对水声通信技术进行了研究，对OFDM技术、时延编码技术、多普勒移估计与补偿、水声信道估计、数据传输等方面做出了贡献，推动了我国水声通信技术的发展。开发水声通信网络最早的公司是美国的Seaweb网络公司，这个企业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、分簇网络等多种重要的功能。目前，在我国制定的863计划、国家军队和环境科学基金的支持下，可以发现我国的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、规范化的协议等等方面都获得了不容忽视的提升。
水声通信技术的难点
目前水声通信技术面临的主要难点，急待解决。主要是：声波的吸收衰减、多途传播、多普勒频移、时变性、环境噪声干扰等。
吸收衰减：由于海水介质的复杂性，声波在海里传播的过程中，会被不断吸收，导致逐渐衰减。海水中声波波速大约为1500 m/s，频率小于10KHz左右，传播距离很短，这是水声通信效率低的一大原因。
多途传播：水声声源处在传播的过程中，会遇到不同的介质，发生界面反射、声带弯曲及随机散射的现象，从而传输途径发生改变，导致传到接收器出处接收到同一声源多个信号。水声信道决定了多途传播路径的数目以及各到达信号的强度及时延，在深海信道时延可达几秒，在浅海信道一般是毫秒量级，长的可达百毫秒量级。
多普勒频移：导致这一现象的原因之一是大风、激流或者外界搅动引起的海水的波动，此时水声通信设备的位置会随之变动，此时接收的频率发生变化，频率的变化称为多普勒频移。除了设备变动外，海水的变动将影响声波的传播途径，导致声波发生界面反射、声带弯曲及随机散射的现象，使得每个波频彼此之间的多普勒频移产生一定的偏差。
时变性：由于水声信道的时变性特征，水声信道又被称作时变的时延多普勒频移双扩散信道。由于声波的传播速度低、通信的符号周期较长，使得信道的时变性对通信的影响更加明显，对时延扩散和多普勒频移扩散的处理变得更加困难。
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