题目：水声通信中的高效通信技术

1、高效水声发射机测试5OFDM的基本原理及其关键技术2基于预畸变的峰均功率比控制3高效水声发射机的研制4全文总结6绪论1论文结构安排pOFDM在水声通信中的应用p水声发射系统的组成绪论1OFDM的基本原理及其关键技术2OFDM系统的基本模型OFDM的保护间隔和循环前缀OFDM峰均功率比的特性分析基本原理基本原理l OFDM信号的数学模型：l OFDM信号的基本模型框图：10)2exp()2()(NiitTijTtrectdts信号的正交性信号的正交性l OFDM信号的频谱可以认为是一组位于各个子载波频率上的函数与周期为T的矩形脉冲的频谱的卷积。l OFDM信号的子信道频谱图：在频域上满足奈奎斯特

2、第一准则，即在频域中各子信道上不存在干扰。信号的调制与解调信号的调制与解调l OFDM采样后的离散信号：l 使用IFFT/FFT实现OFDM系统的原理框图：1010)12exp()*1*2exp()(NiiNisinNijdtnTijdns信号的保护间隔与循环前缀信号的保护间隔与循环前缀l 信道间干扰(ICI)：l 符号间干扰(ISI)：00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时 间 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51时 间 /秒幅度00.511.522.5x 1040100200300400频

3、率 /kHz幅度l 仿真产生的OFDM信号：QPSK调制，子载波数512个。信号的仿真实现信号的仿真实现l 仿真产生的OFDM信号通过加性白噪声信道的误码率：信号的保护间隔与循环前缀信号的保护间隔与循环前缀0123456710-410-310-210-1100SNR(dB)BER00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51时 间 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51时 间 /秒幅度l 电联调实验系统框图：l 电联调实验接收信号：信号的电联调实验信号的电联调实验l 电联调实验接收信号星座图：l 确定采集仪伸缩因子发射

4、信号频率（kHz）5101520接收信号频率(kHz)5.000810.001715.002420.0032信号的电联调实验信号的电联调实验123456789101100.20.40.60.811.21.41.61.82inputoutput 理 想 值P=2P=3P=10信号的峰均功率比特性信号的峰均功率比特性l 峰均功率比定义：l放大器输入输出示意图：2210maxlog10)(nnnxExdBPARl现有的实用放大器中，P的取值范围一般在2到3之间。当P值较大时，输入小于功放的最大输出值时信号被线性放大；一旦超过了门限值，则功放将对峰值信号进行限幅12345610-8010-6010-4

5、010-20100PAR(dB)ccdf N=64N=128N=256N=512N=1024N=2056信号的峰均功率比特性信号的峰均功率比特性l 累积分布函数（CDF）：l 理论曲线图：l 结论：随着子载波个数N的增加，CDF的值也会相应降低，即超过PAPR门限值的符号出现的概率会有所增加NzNpowerezFzPARP)1 ()(5678910111213141510-510-410-310-210-1100papr(dB)ccdf N=64N=128N=256N=512N=1024N=2056l 互补累积分布函数(CCDF)：l 仿真曲线图：l 结论：随着子载波数目的 增加，系统超过门限

6、的概 率上升。信号的峰均功率比特性信号的峰均功率比特性NzezPARPzPARP)1 (11678910111210-410-310-210-1100papr(dB)ccdf 未 过 采 样L=2L=4信号的峰均功率比特性信号的峰均功率比特性l 过采样后的CCDF：l 过采样对PAPR的影响：l 结论：过采样能够更加真实的 反映系统的峰均比特性。LNzezPARPzPARP)1 (11基于限幅技术的PAPR抑制方法基于压缩扩张技术的PAPR抑制方法基于预畸变的峰均功率比控制3限幅滤波方法原理限幅滤波方法原理l 限幅方法的原理：l 限幅法实现抑制PAPR的系统框图：)()(exp()()()(

7、maxmaxmaxAtstsAAtststsIFFT调制串/并信道串/并FFT并/串解调并/串限幅滤波限幅滤波方法原理限幅滤波方法原理l 对信号进行过采样：l 限幅加过采样系统框图：TNNLNNsssssS, 0, 0 , 0,12)1(210 映射添0IFFTLN限幅FFTLN带外滤波IFFTL限幅与滤波02468101210-410-310-210-1100papr(dB)ccdf A=3A=4A=5未 限 幅限幅滤波方法仿真性能分析限幅滤波方法仿真性能分析l限幅后PAPR的CCDF, 仿真条件：码元宽度1.024s，子载波数256，QPSK调制：2345678910-410-310-21

8、0-1SNR(dB)BER A=3A=4A=5未 限 幅l 为了改善带外辐射，将时域限幅过采样信号进行 点的FFT ，使其恢复为频域符号：l 将上述信号取出对应的N点，带外置零，实现带外滤波功能l 最后将此信号作N点IFFT，得到最终输出信号NL *限幅滤波方法仿真性能分析限幅滤波方法仿真性能分析1010),2exp(1)(LNmmLNLNnNnmjsNsFFTSLNNNLNSSSSSS,12)1(210限幅滤波方法仿真性能分析限幅滤波方法仿真性能分析l 重复滤波法降低系统PAPR：2468101210-310-210-1100papr(dB)ccdf 未 限 幅限 幅一 次 滤 波二 次 滤

9、 波三 次 滤 波l 结论：重复滤波可以明显的降低系统的PAPR。l 发射信号仿真条件：限幅门限5dB，子载波数256，QPSK调制限幅滤波方法电联调实验限幅滤波方法电联调实验00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时 间 /秒幅度00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51时 间 /秒幅度00.511.522.5x 10405001000频 率 /kHz幅度l 对比未限幅的信号，限幅后信号的频谱展宽限幅滤波方法电联调实验限幅滤波方法电联调实验l播放方式：将音频播放软件音量调至最大，控制笔记本输出音量，分别采集41

10、0格音量对应的信号。l最大输出功率为在功放不失真输出峰峰值一定的情况下功放所能输出的最大有效功率，表中用信号有效值与峰值的比值来表示l 结论：限幅门限的降低使得信号能够在功率放大器的线性工作区内尽可能地输出大的信号。并且峰值的降低对功率放大器起到一定的保护作用，可以避免出现高峰值导致的器件被击穿问题。预畸变方式音量接收信号（采集系统）最大输出功率有效值(V)峰峰值(V)峰均功率比无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输 入 幅 值输出幅值 u=1u=2u=4u=8u=100 u律压缩扩张原理律压缩扩张原理l u律压缩扩张原理：l 压扩系数同压扩性能分析l 结论：压扩系统的压扩性能与 压

14、扩系数的取值并不是成正比的，存在一定的极限值 1)1ln(exp)1ln()1ln(1mrrrmrCyxmxmxxCskkkkkkkkkk u律压缩扩张方法仿真性能分析律压缩扩张方法仿真性能分析l 压扩后PAPR的CCDF, 仿真条件：码元宽度1.024s，子载波数256，QPSK调制024681010-310-210-1100papr(dB)ccdf u=2u=4u=8u=16未 压 缩246810121410-410-310-210-1100SNR(dB)BER u=2u=4u=8u=16未 压 扩2345678910-310-210-1100SNR(dB)BER m1=mm1=1.5mm

15、1=2m未 压 扩23456789101110-410-310-210-1100SNR(dB)BER u1=uu1=0.75uu1=0.5u未 压 扩 u律压缩扩张方法仿真性能分析律压缩扩张方法仿真性能分析l 改善u律误码率的两种方法：l 方法一：在接收端逆变换时采用较小的曲率l 方法二：在接收端逆变换时采用较大的平均幅值 1)1ln(exp111mrrrmrCykkkkk 1)1ln(exp11111mrrrmrCykkkkk u律压缩扩张方法仿真性能分析律压缩扩张方法仿真性能分析l 综合上述方法，仿真条件：5 . 01mm5 . 11， 42345678910111210-510-410-

16、310-210-1100SNR(dB)BER u1=0.5u,m1=1.5m未 压 扩l 结论：使用融合方法后与未 使 用 压 缩 扩 张 技 术 的OFDM系统误码率相差在3dB以内，系统性能得到较好的改善。00.511.522.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时 间 /秒幅度 u律压缩扩张方法电联调实验律压缩扩张方法电联调实验l 发射信号仿真条件：压扩系数4，子载波数256，QPSK调制00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51时 间 /秒幅度0.61.4x 1040200400600800频 率 /kHz幅度l 对比未压

17、扩的信号，压扩后信号的频谱展宽l 播放方式：将音频播放软件音量调至最大，控制笔记本输出音量，分别采集410格音量对应的信号。l 结论：经过压扩变换，接收信号的最大输出功率从0.23上升到了0.44，但是不同于限幅法的是，压扩系数大于4以后，信号输出功率基本不再变化，这与仿真中的结论一致。 u律压缩扩张方法电联调实验律压缩扩张方法电联调实验预畸变方式音量(%)接收信号（采集系统）最大输出功率有效值(V)峰峰值(V)峰均功率比无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水声通信系统简介功率放大器水声换能器高效水声发射机的研制4l 水声通信系统框图：l 具体功能： 信号源：主要是产生信号，本论文使用信号源发生器或者笔记本电脑发声； 功率放大器：将信号进行放大，驱动发射换能器，辐射出有效声功率； 预处理器：将接收到的信号进行放大、滤波，便于提取信号； 数字处理器：主要是针对信号进行模数转换、解密、解码等数字处理； 数据记录仪：对经数字处理解码后的数据进行记录，并同时记录预处理后的原 始模拟信号，以便检测数字处理的差错。 功率放大器的分类功率放大器的分类导通角理论效率工作特点A类低

21、不适合作为功放B类78%推挽或全桥AB类78%推挽或全桥C类85%不适于低频放大，谐振负载D类开关状态100%推挽或全桥18018036090360水声换能器分类水声换能器分类其他频他频段换c)(Ultrosoni超声换声)FrequencyLow( 低频根据应据应用)ricPiezoelect压电换能器rictive)(Magnetost磁致伸缩致伸缩)ictiveElectrostr(电致伸缩换能器)Reluctance(Variable可变变磁阻换能atic(Electrost静电电换能CoilMoving动圈换能根据物理效应)Sensorydrophone/水听器)ActuatorPr

22、ojector/(发射器根据用途换能器换能器()器(H 实测水声换能器的阻抗特性实测水声换能器的阻抗特性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)水听器的校准发射换能器电压响应特性水声发射机使用说明水声发射机发射性能测试高效水声发射机测试5l 测试条件：发射换能器：弯张612功率放大器：中策L2B匹配阻抗档位：450输入信号电压：700 mVp/1.5Vpp输入信号波形：10T正弦脉冲换能器与水听器间距：d5.0 ml 测试结果: BK-8104-2486564 测量较为准确发射电压响应特性

23、概念发射电压响应特性概念l发射电压响应Sv：)/()1 (0VmPaUdmpSfV)()(lg20dBSSSvLrefVVl发射电压响应级SvL：l SvL与辐射声功率的关系：UDIWSvLa1lg208 .170lg10l 换能器的SvL的测量表达式：)()/( 1lg20)1lg(20)(lg(20dBPaVMmdUdeSvLehRMSochl 测量公式：LMmddeUSvLSLLMmdUdeSvLehochRMSehRMSoch1lg20)(lg20lg201lg20)(lg20发射电压响应特性测试发射电压响应特性测试l 实验测试布局：l 实验主要设备：序号序号名名 称称型号、规格型号、规格生产厂家生产厂家仪器编号仪器编号1信号源33220A美国Agilent200556682功率放大器L2B宁波中策200468783发射换能器PZT4型压电陶瓷自制4发射测量示波器54624A美国Agilent20057669564通道信号放大滤波器UBF40英国Kemo公司SD1476A6四通道接收测量示波器TPS2014美国TEK公司B0346027接收测量记录仪Hioki