现代水声通信第三讲

1、第三章第三章 常用的单载波调制方法常用的单载波调制方法 性能分析性能分析水声水声通信通信中常中常用的用的数字数字调制调制信号信号频移键控调制（频移键控调制（FSK）相移键控调制（相移键控调制（PSK）正交幅度调制（正交幅度调制（QAM）在在MPSK调制中，调制中，M个信号波形可表示为个信号波形可表示为 22 (1)/( )Re ( )(1,2,0)cjf tjmMmstg t ee mM tT )(tg是信号脉冲形状是信号脉冲形状 2 (1)/(1,2,)mmM mM 是载波的是载波的M个可能的相位个可能的相位 信号波形具有相等的能量信号波形具有相等的能量 2g22( )cos(1)cos2(

2、 )sin(1)sin2cc g tmf tg tmf tMM 3.1 M元元PSK调制调制 k个信息比特到个信息比特到M=2k个相位映射用格雷编码。个相位映射用格雷编码。 选择选择 和和 作为正交基信号作为正交基信号，构成二，构成二维空间，并且在该空间内来解调信号，从而构成维空间，并且在该空间内来解调信号，从而构成星座空间星座空间的的概念，星座空间内每个调制信号所对应的点被称作概念，星座空间内每个调制信号所对应的点被称作星座点星座点。 tfc2costfc2sina b c MPSK信号星座图信号星座图格雷编码及星座图格雷编码及星座图3.1 M元元PSK调制调制 Amc和和Ams是承载信息的

3、正交载波的信号幅度是承载信息的正交载波的信号幅度 2( )Re() ( ) (1,2, 0)cjf tmmcmsstAjAg t e mM tT ( )cos2( )sin2mccmsc A g tf tA g tf t 3.2 M元元QAM调制调制 3.2 M元元QAM调制调制 M4 QAM信号星座图信号星座图M8 MQAM信号星座图信号星座图星座图星座图222( )Re(1,2,0)cjf tjm ftmstee mM tTT Tf12cos(22)c f tm ftT 等价于等价于N维向量维向量 000000000000N21sss3.3 M元元FSK调制调制 -T/2T/21Tf13.

4、3 M元元FSK调制调制 MFSK信号空间图信号空间图 3.3 M元元FSK调制调制 空间图空间图加性高斯白噪声干扰的接收信号数学模型加性高斯白噪声干扰的接收信号数学模型 )0()()()(Tt tntstsmrn(t)表示具有功率谱密度表示具有功率谱密度 (W/Hz) 的加性的加性021)(Nfnn高斯白噪声的样本函数，高斯白噪声的样本函数，N0为加性噪声的平均功率谱密度。为加性噪声的平均功率谱密度。 3.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯白噪声信道的性能比较 用最佳接收机接收后，不同调制方式的符号错误概率、用最佳接收机接收后，不同调制方式的符号错误概率、比特错误概率及带宽利用率如表所示

5、比特错误概率及带宽利用率如表所示符号错误概率符号错误概率比特错误比特错误概率概率带宽利用率带宽利用率PSKQAMFSK非相非相干检干检测测MNkQPbBsin2200) 1(34NMkQPbB)1(1110111) 1(nNnkMnnBben nMPMbPkP1MbPkP1MkkbPP1221MWR2log4log24log22M MM MWRMMWR2log3.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯白噪声信道的性能比较 MPSK比特错误概率比特错误概率 3.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯白噪声信道的性能比较 MQAM比特错误概率比特错误概率 3.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯

6、白噪声信道的性能比较 MFSK比特错误概率比特错误概率 3.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯白噪声信道的性能比较 不同调制方式发送不同调制方式发送1比特信息所需的信噪比比特信息所需的信噪比 单位：单位：dB误比特率误比特率调制方式调制方式M=2M=4M=8M=16M=32Pb=10-6PSK10.5110.5113.9518.4223.34QAM10.5113.2514.3916.59FSK13.5110.759.238.217.44Pb=10-4PSK8.398.3911.7116.1421.01QAM8.3911.2812.1914.41FSK11.398.777.356.435.7

7、63.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯白噪声信道的性能比较 Pb=10-6三种调制方式的频带利用率与比特SNR的关系曲线。3.4加性高斯白噪声信道的性能比较加性高斯白噪声信道的性能比较 频率选择性衰落信道频率选择性衰落信道若声源发射信号为若声源发射信号为s(t)，则在多途信道中的接收波形为，则在多途信道中的接收波形为 tnsAsAtrNiii1100第第i径信径信号幅度号幅度 第第i径信径信号时延号时延 通过一个两径传播的例子来分析多径信道中的频率选择性衰落。通过一个两径传播的例子来分析多径信道中的频率选择性衰落。 212221)(fjfjeaeafH假定假定 21aa 传递函数的幅频特

8、性传递函数的幅频特性 22cos21)(2112121faeafHfj21相对多径时延相对多径时延 3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 频率选择性衰落信道频率选择性衰落信道幅频响应特性幅频响应特性3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 频率选择性衰落信道频率选择性衰落信道0102030405060708090100110-3-2-101230102030405060708090100110-3-2-101233.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 频率选择性衰落信道频率选择性衰落信道01

9、02030405060708090100110-3-2-101230102030405060708090100110-3-2-101233.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 均衡器原理均衡器原理3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 均衡器结构均衡器结构1z1z1z1z)(nu0w1w2w3w10w)(ny)(ndn线性结构线性结构3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 均衡器结构均衡器结构非线性结构（非线性结构（DFE）3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 均衡器算法均衡器算法12kkkkwwxLMS算法算法信号功率) 1(

10、10L3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 均衡器算法均衡器算法RLS算法算法1(0)(0)QIw0，是一个小的正常数，是一个小的正常数，0.0050.01对于每一个时刻的对于每一个时刻的 k = 1，2，计算计算11*111(1)( )( )1( )(1)( )( )( )(1)( )( )(1)(1)( )( )(1)( )( )(1)( )( )HHHkkkkkkkd kkkkkkkkkkkkkkQxrxQxwxwwrQQrxQRQ均衡器频域性能分析均衡器频域性能分析具有具有ISI的水声通信系统的方框图的水声通信系统的方框图 发送滤波器 )( fGT 信道 )( fC

11、接收滤波器 )( fGR 均衡器 )( fGE 输入数据 检测器 噪声 n(t) 零零ISI的条件的条件)()()()()(fXfGfGfCfGrcERT)()()(fXfGfGrcTRXrc(f)为接收信号的期望频谱特性，可设计满足为接收信号的期望频谱特性，可设计满足补偿信道失真的均衡器频率响应补偿信道失真的均衡器频率响应为为 )()(1)(1)(fjEcefCfCfG3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 均衡器时域性能分析均衡器时域性能分析10)()()()(MnnTrkTnkTwkTtskTs 如果在时刻如果在时刻t=kT,k=0,1,2,.被采样，时间扩展造成的被采样

12、，时间扩展造成的ISI的符号数为的符号数为L=Tm/T，接收滤波器的输出信号可表示为接收滤波器的输出信号可表示为 10Mknk nknyw xn k=0,1,2,.kx)(kTsT表示表示，ky)(kTsr表示表示101()Mkknk nknkn k wxw xnw 3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 线性均衡器时域性能分析线性均衡器时域性能分析 其中其中xk表示表示k时刻采样瞬间所期望的信号值，时刻采样瞬间所期望的信号值， 表表示示k时刻采样瞬间的时刻采样瞬间的ISI，线性均衡器的作用就是选择合适的滤波，线性均衡器的作用就是选择合适的滤波器阶数及系数，使器阶数及系数，使

13、10Mknnnknxw010Mknnnknxw101()Mkkknk nknkn ky wxw xnw 3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 当第一条达到多径信号不是能量最强的多径，或在通带内频当第一条达到多径信号不是能量最强的多径，或在通带内频率衰落较大时，线性均衡器会在它的频率响应中引入一个大的率衰落较大时，线性均衡器会在它的频率响应中引入一个大的增益去补偿，由此噪声也大为增强，通信质量剧烈下降。观察增益去补偿，由此噪声也大为增强，通信质量剧烈下降。观察 101()Mkkknk nknkn kywxw xnw xk为当前信号为当前信号 ，xk-1 、 xk-2 、已被检测

14、到，可认为已知，已被检测到，可认为已知，而而xk1 、 xk2 、 未知。若从未知。若从ISI减去减去xk-1 、 xk-2 、相对相对于线性均衡器，由于反馈部分消除了由先前被检测符号引起的于线性均衡器，由于反馈部分消除了由先前被检测符号引起的ISI，因此，加入判决反馈部分可得到性能上相当大的增益。因此，加入判决反馈部分可得到性能上相当大的增益。 结论：结论：当判决差错对性能影响可忽略时，当判决差错对性能影响可忽略时，DFE优于线性均衡器优于线性均衡器3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道与均衡 DFE均衡器时域性能分析均衡器时域性能分析BPSK调制调制相乘法相乘法相位选择法相位选择

15、法BPSK调制调制M=10;%发送符号数发送符号数scode=randint(1,M) ;%发送发送bitTb=1/5;%码元宽度码元宽度f0=1600;%载波频率载波频率fs=5*f0;%采样频率采样频率t=1/fs:1/fs:Tb;%码元采样时间码元采样时间N=length(t);%码元采样点数码元采样点数x=cos(2*pi*f0*t);%产生载波信号产生载波信号for i=1:M dd=(repmat(scode(i),1,N); source=dd(:); r=r,x*source; endBPSK调制调制M=1000;%发送符号数发送符号数scode=randint(1,M) ;%

16、发送发送bitTb=1/5;%码元宽度码元宽度f0=1600;%载波频率载波频率fs=5*f0;%采样频率采样频率phi1=0;%载波相位载波相位phi2=pi;%载波相位载波相位t=1/fs:1/fs:Tb;%码元采样时间码元采样时间N=length(t);%码元采样点数码元采样点数r=;%调制信号调制信号for i=1:M if scode(i)=1 r=r,cos(2*pi*f0*t+phi1); else r=r,cos(2*pi*f0*t+phi2); endendBPSK解调解调BPSK解调解调u=cos(2*pi*f0*t);载波恢复载波恢复Wp=200/fs;Ws=450/fs

17、;n,Wn=buttord(Wp,Ws,3,40);A,B=butter(n,Wn);%A=1;%B=1,-0.9;l=round(N/2);for i=1:M rr=r(i-1)*N+1:i*N); rc=filter(A,B,rr.*u); out(i)=rc(l); if out(i)0 out1(i)=1; else out1(i)=0; endend串并串并转转 换换电平电平产生产生电平电平产生产生90度度相移相移载波发载波发生器生器二进制二进制信信 息息Q(t)I(t)QPSK信信 号号QPSK调制调制)2cos(tfAc)2sin(tfAcQPSK调制调制M=1000;%发送符号

18、数发送符号数scode=randint(1,M) ;%发送发送bitTb=1/5;%码元宽度码元宽度f0=1600;%载波频率载波频率fs=5*f0;%采样频率采样频率t=1/fs:1/fs:Tb;%码元采样时间码元采样时间N=length(t);%码元采样点数码元采样点数rs=;for i=1:2:M rs=rs，scode(i)*cos(2*pi*f0*t)+scode(i+1)*sin(2*pi*f0*t); % get the group_number segments of frequency coding endQPSK解调解调l=round(N/2);Wp=200/fs;Ws=450/fs;n,Wn=buttord(Wp,Ws,3,40);A,B=butte