題目：水聲通信中的高效通信技術

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

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

3、率 /kHz幅度l 仿真產生的OFDM信號：QPSK調制，子載波數(shù)512個。信號的仿真實現(xiàn)信號的仿真實現(xiàn)l 仿真產生的OFDM信號通過加性白噪聲信道的誤碼率：信號的保護間隔與循環(huán)前綴信號的保護間隔與循環(huán)前綴0123456710-410-310-210-1100SNR(dB)BER00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時 間 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時 間 /秒幅度l 電聯(lián)調實驗系統(tǒng)框圖：l 電聯(lián)調實驗接收信號：信號的電聯(lián)調實驗信號的電聯(lián)調實驗l 電聯(lián)調實驗接收信號星座圖：l 確定采集儀伸縮因子發(fā)射

4、信號頻率（kHz）5101520接收信號頻率(kHz)5.000810.001715.002420.0032信號的電聯(lián)調實驗信號的電聯(lián)調實驗123456789101100.20.40.60.811.21.41.61.82inputoutput 理 想 值P=2P=3P=10信號的峰均功率比特性信號的峰均功率比特性l 峰均功率比定義：l放大器輸入輸出示意圖：2210maxlog10)(nnnxExdBPARl現(xiàn)有的實用放大器中，P的取值范圍一般在2到3之間。當P值較大時，輸入小于功放的最大輸出值時信號被線性放大；一旦超過了門限值，則功放將對峰值信號進行限幅12345610-8010-6010-4

5、010-20100PAR(dB)ccdf N=64N=128N=256N=512N=1024N=2056信號的峰均功率比特性信號的峰均功率比特性l 累積分布函數(shù)（CDF）：l 理論曲線圖：l 結論：隨著子載波個數(shù)N的增加，CDF的值也會相應降低，即超過PAPR門限值的符號出現(xiàn)的概率會有所增加NzNpowerezFzPARP)1 ()(5678910111213141510-510-410-310-210-1100papr(dB)ccdf N=64N=128N=256N=512N=1024N=2056l 互補累積分布函數(shù)(CCDF)：l 仿真曲線圖：l 結論：隨著子載波數(shù)目的 增加，系統(tǒng)超過門限

6、的概 率上升。信號的峰均功率比特性信號的峰均功率比特性NzezPARPzPARP)1 (11678910111210-410-310-210-1100papr(dB)ccdf 未 過 采 樣L=2L=4信號的峰均功率比特性信號的峰均功率比特性l 過采樣后的CCDF：l 過采樣對PAPR的影響：l 結論：過采樣能夠更加真實的 反映系統(tǒng)的峰均比特性。LNzezPARPzPARP)1 (11基于限幅技術的PAPR抑制方法基于壓縮擴張技術的PAPR抑制方法基于預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 限幅法實現(xiàn)抑制PAPR的系統(tǒng)框圖：)()(exp()()()(

7、maxmaxmaxAtstsAAtststsIFFT調制串/并信道串/并FFT并/串解調并/串限幅濾波限幅濾波方法原理限幅濾波方法原理l 對信號進行過采樣：l 限幅加過采樣系統(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，將時域限幅過采樣信號進行 點的FFT ，使其恢復為頻域符號：l 將上述信號取出對應的N點，帶外置零，實現(xiàn)帶外濾波功能l 最后將此信號作N點IFFT，得到最終輸出信號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 結論：重復濾波可以明顯的降低系統(tǒng)的PAPR。l 發(fā)射信號仿真條件：限幅門限5dB，子載波數(shù)256，QPSK調制限幅濾波方法電聯(lián)調實驗限幅濾波方法電聯(lián)調實驗00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81時 間 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時 間 /秒幅度00.511.522.5x 10405001000頻 率 /kHz幅度l 對比未限幅的信號，限幅后信號的頻譜展寬限幅濾波方法電聯(lián)調實驗限幅濾波方法電聯(lián)調實驗l播放方式：將音頻播放軟件音量調至最大，控制筆記本輸出音量，分別采集41

10、0格音量對應的信號。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，表中用信號有效值與峰值的比值來表示l 結論：限幅門限的降低使得信號能夠在功率放大器的線性工作區(qū)內盡可能地輸出大的信號。并且峰值的降低對功率放大器起到一定的保護作用，可以避免出現(xiàn)高峰值導致的器件被擊穿問題。預畸變方式音量接收信號（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律壓縮擴張原理律壓縮擴張原理l u律壓縮擴張原理：l 壓擴系數(shù)同壓擴性能分析l 結論：壓擴系統(tǒng)的壓擴性能與 壓

14、擴系數(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律壓縮擴張方法仿真性能分析律壓縮擴張方法仿真性能分析l 壓擴后PAPR的CCDF, 仿真條件：碼元寬度1.024s，子載波數(shù)256，QPSK調制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2345678910-310-210-1100SNR(dB)BER m1=mm1=1.5mm

15、1=2m未 壓 擴23456789101110-410-310-210-1100SNR(dB)BER u1=uu1=0.75uu1=0.5u未 壓 擴 u律壓縮擴張方法仿真性能分析律壓縮擴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：在接收端逆變換時采用較小的曲率l 方法二：在接收端逆變換時采用較大的平均幅值 1)1ln(exp111mrrrmrCykkkkk 1)1ln(exp11111mrrrmrCykkkkk u律壓縮擴張方法仿真性能分析律壓縮擴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l 結論：使用融合方法后與未 使 用 壓 縮 擴 張 技 術 的OFDM系統(tǒng)誤碼率相差在3dB以內，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 間 /秒幅度 u律壓縮擴張方法電聯(lián)調實驗律壓縮擴張方法電聯(lián)調實驗l 發(fā)射信號仿真條件：壓擴系數(shù)4，子載波數(shù)256，QPSK調制00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51時 間 /秒幅度0.61.4x 1040200400600800頻 率 /kHz幅度l 對比未壓

17、擴的信號，壓擴后信號的頻譜展寬l 播放方式：將音頻播放軟件音量調至最大，控制筆記本輸出音量，分別采集410格音量對應的信號。l 結論：經過壓擴變換，接收信號的最大輸出功率從0.23上升到了0.44，但是不同于限幅法的是，壓擴系數(shù)大于4以后，信號輸出功率基本不再變化，這與仿真中的結論一致。 u律壓縮擴張方法電聯(lián)調實驗律壓縮擴張方法電聯(lián)調實驗預畸變方式音量(%)接收信號（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)簡介功率放大器水聲換能器高效水聲發(fā)射機的研制4l 水聲通信系統(tǒng)框圖：l 具體功能： 信號源：主要是產生信號，本論文使用信號源發(fā)生器或者筆記本電腦發(fā)聲； 功率放大器：將信號進行放大，驅動發(fā)射換能器，輻射出有效聲功率； 預處理器：將接收到的信號進行放大、濾波，便于提取信號； 數(shù)字處理器：主要是針對信號進行模數(shù)轉換、解密、解碼等數(shù)字處理； 數(shù)據(jù)記錄儀：對經數(shù)字處理解碼后的數(shù)據(jù)進行記錄，并同時記錄預處理后的原 始模擬信號，以便檢測數(shù)字處理的差錯。 功率放大器的分類功率放大器的分類導通角理論效率工作特點A類低

21、不適合作為功放B類78%推挽或全橋AB類78%推挽或全橋C類85%不適于低頻放大，諧振負載D類開關狀態(tài)100%推挽或全橋18018036090360水聲換能器分類水聲換能器分類其他頻他頻段換c)(Ultrosoni超聲換聲)FrequencyLow( 低頻根據(jù)應據(jù)應用)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動圈換能根據(jù)物理效應)Sensorydrophone/水聽器)ActuatorPr

22、ojector/(發(fā)射器根據(jù)用途換能器換能器()器(H 實測水聲換能器的阻抗特性實測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)水聽器的校準發(fā)射換能器電壓響應特性水聲發(fā)射機使用說明水聲發(fā)射機發(fā)射性能測試高效水聲發(fā)射機測試5l 測試條件：發(fā)射換能器：彎張612功率放大器：中策L2B匹配阻抗檔位：450輸入信號電壓：700 mVp/1.5Vpp輸入信號波形：10T正弦脈沖換能器與水聽器間距：d5.0 ml 測試結果: BK-8104-2486564 測量較為準確發(fā)射電壓響應特性

23、概念發(fā)射電壓響應特性概念l發(fā)射電壓響應Sv：)/()1 (0VmPaUdmpSfV)()(lg20dBSSSvLrefVVl發(fā)射電壓響應級SvL：l SvL與輻射聲功率的關系：UDIWSvLa1lg208 .170lg10l 換能器的SvL的測量表達式：)()/( 1lg20)1lg(20)(lg(20dBPaVMmdUdeSvLehRMSochl 測量公式：LMmddeUSvLSLLMmdUdeSvLehochRMSehRMSoch1lg20)(lg20lg201lg20)(lg20發(fā)射電壓響應特性測試發(fā)射電壓響應特性測試l 實驗測試布局：l 實驗主要設備：序號序號名名 稱稱型號、規(guī)格型號、規(guī)格生產廠家生產廠家儀器編號儀器編號1信號源33220A美國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)射測量示波器54624A美國Agilent20057669564通道信號放大濾波器UBF40英國Kemo公司SD1476A6四通道接收測量示波器TPS2014美國TEK公司B0346027接收測量記錄儀Hioki