论文研究-基于UW帧结构水声通信系统及其性能分析 .pdf

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基于UW帧结构水声通信系统及其性能分析,张涛,黄建国,设计了一种基于UW(Unique Word)帧结构的单载波频域均衡(SC-FDE)水声通信系统框架,论述了系统的基本原理。为解决帧同步过程中出现��
国武技论文在线 据中的前个序列是该帧中 和后个序列所组成的数据的循坏前缀。这样 就获得循环卷积的作用,有利于消除数据组间干扰()的影响。 数据经变换后成为发射信号 其中为插入序列后的数据, 为方波脉冲 设水声信道的模型为 在接收端,接收信号为, 接收信号的频域衣达式为, 其中 分别为 ,经过样后的 离散傅立叶变换。 然后对接收信号进行同步,频移估计和校正,信道估计和频域均衡,最后经判决和符号 的反变换就得到所发送的数据。 基于序列的相关同步算法 由于系统在接收端进行信道估计是在频堿进行旳,这就要求知道每帧准确的起始位萓, 否则起始位置错误,将给信道估计带来较大的淏差,从血影响系统的误码率。基」 帧结构的单载波频或均衡系统的帧同步的算法,文献中也有论述,作者利用文献 中所介绍的方法仿真过程中发现:文献中每帧中只有个序列,水声信道中严重的 多径,会引起发送的信息数据和数据的码间干扰,在寻找相关峰的过程会出现峰值分 裂的现象,导致帧的起始位置判定不够准确 本文对文猷中的算法做了改进,提出了基于序字列的相关同步算法,改变每帧的 结构,使得每帧中含有两个相邻的序列,这样前一个序列会对后一个序列保 护,使得多径引起的发送的信息数据和数据的码间干扰减小,可以避免相关峰峰值分 裂的现象,达到较好的同步效果。基于序列的相关同步算法如下: 为了能够准确的找到每帧的起始位置,插入后,在整个数据的最前端插入长度 序列,然后进行调制、发送。这样加上后来插入的长度序列,将连续长 度的序列和个 看作一帧,那么估计出来的每帧的起始位置将会前移时 间,将估计所得的值向后移时间就能得到原始的每帧的起始位置。 将 序列调制后得到复本信号 其中, 为码 元宽度,为采样率。令 p=∑ 国武技论文在线 其中为接收信号的采样值。然后搜索φ的最大值就可以找到帧的起始位置。然 后根椐所确定的值向后推移的采样佶,就可以准确地找到原始帧的起始位置。 基于序列的多普勒频移估计与校正算法 多普勒频移对基于帧结构的 系统得影响表现在两个方面。一方面是载波 的频率偏移。由于采用的是单载波传输数据,系统对载波的频率偏移不是特别敏感,少量的 载波偏移也可以通过频域均衡校正过来。本文主要讨论的是多普勒频移对系统另一方面的影 响,造成宽带信号时间上的扩展或压缩。 定义频移因子为, △ △ 其中∧为多普勒频移,为载波的率。由于多普勒频移的影响,接收信号相对于发 射信号而言被扩张或者压缩了。 +△ 水声通信中多普勒频移因子一般在 之间。如果不能对多普勒频移精确的估计 和校正,就会导致在解调时对码元宽度的选取错误,从而对系统的误码率造成影响。 本文利用帧同步的方法来对多普勒频移进行估计。利用式可以得到,在具有多普 勒频移情况下的帧定时同步图,利用帧定时同步图可以计算出相邻两帧之间的时间长度为 (以帧为例)。贝 △ ∑ 利用式()可以有效地估计岀Δ。得到Δ后,对接收信号重釆样进行多普勒频移进 行校正,能使系统达到较低的误码率。 基于序列的信道估计与频域均衡算法 信道估计是基于帧结构的 系统的关键技术,对信道的准确估计,才能使 频域均衡有效的进行,从而使系统具有良好的误码率。与 相似, 米用分组 传输数据,我们可以认为在帧结构中每个码元占用一个子信道。借餮 技术, 在保证序列的长度大于多径的最大时延,即>的情况下,利用位于每帧中前段的 序列进行信道估计 由上述的论述,用表示序列经离散傅立叶后组成的矩阵,为时域的离散信道 矩阵,为所加的噪声,列向量为接受到的频域符号。由式得, 式中: 国武技论文在线 米用最小平方算法令 最小,由可以得到: 其中为信道的频域估计值,对做傅立叶反变换得到。可以看到的长度为 因为<,上要多径集中在以內。由于需要对长度为的 进行频域均衡,我 们对后面补 个,可以得到: 烑是长度为的信道的时域估计值,对其做傅立叶变換就得到了信道的频域佔计 利用每帧前段的序列进行信道估计,系统在每经过+个码元后都会对信道 进行次估计,然后根据新的估计值进行频域均衡。按照本文所述的仿貞条件即信道估计 的间隔为。在信道吋变水声环境中,该方法能够有效地跟踪信道的变化。 由于 信号在频域服从瑞利分布,在频域进行信道估计时会过分放大噪声,影 响信道估计的精度,因此普通的数据帧不适合作为 系统信道估计的训练序列。 系统信道估计的训练序列应该同时在时域和频域上有较小的幅度起伏,最好在时域 和频域有恒定的幅值ε文献中已证明了下列的序列满足上述条件。 为奇数 为偶数 其中,为根据系统需要调整的参数。 信道估计完成后,可采用最小均方差均衡 算法对传输数据进行频域均衡如式 )所示 系统性能分析 在系统性能仿真分析过程中,取每帧数据长度 ,序列长度 元宽度为 ,调制方式以为例,发送帧数据。所加多径信道为修正的 国武技论文在线 湖试信道,如表所示。 表多径的时延和度衰减 多径条数 时延 幅度衰减 图为在信噪比为情况下,利用上述的信道估计方法,估计出的信道的时域响应 从图中可以看出,利用序列,采用的信道估计方法,能够对水声多径信道进行准桷 的估计。 门, 图信道的时域响应 图文献中的帧定时同步 00心加E8101141‘8 图改进的帧定时同步 国武技论文在线 在仿真过程中,选取其中帧数据,利用基于序列的相关帧同步算法得到的帧的 定时同步图,如图、所示。由图可以看岀未改进的同步算法的相关峰不够尖锐,并且 存在峰值分裂现象,导致同步误差达到/个甚至几个码元。而图中,改进后同步算法中 相关峰尖锐,且无峰值分裂,能有精确找到同步的位置 算法 图两种恢同步算法误码率由线 : 图不同△的系统误码率曲线 图给出了在不同信噪比的情况下,分别采用中的帧同步算法和本文提出的帧同步 算法后,利用本文给出的信道佔计与均衡算法,系统在未加纠错编码的情况下的误码线 可以看到,采用中的帧同步算法,由于帧的起始位置有偏差,导致系统的误码率很高, 无法正常工作。采用改进后的相关同步算法,对每帧的起始位置精确定位,使得系统随着信 噪比的増高,能够达到较低的误码率( 图给出了Δ分别为, -时,未进行多普勒估计和校正和利用本文 讨论的方法对多普勒进行估计和校正后,采用信道估计与均衡,系统在未加纠错编码的情况 下的误码曲线。 从图中可以看出,Δ为 的情况下,未对多普勒颎移估计和校正,系统的误码 率在 之间,系统无法正常工作。而基于序列多普勒频移估计和校正算法在Δ为 情况下能够有效地对多普勘频移进行估计和校正,髙信噪比下使系统达到较低的 淏码率,适用」水声通信系统。 国武技论文在线 结论 本文给出了一种基于帧结构的单载波频域水声通信系统。对文献中的帧定时 同步的算法进行了改进,提出了一种基于序列的相关同步算法,能够克服由多径引起 峰值分袈问题,使水声通信系统能够准确的帧冋步。利用帧定时冋步,在不需加入另外的导 频信息的情氿卜,能够对多普勒频栘进行有效的估计和校正,达到很好的效果。最后给出了 基于序列的信道估计和频域均衡的算法,能够准确的估计水声多径,并能够有效地对 抗和跟踪时变多径,得到较低的误码率。通过上述的讨论和仿真可以看到,基于帧结 构的 技术能够很好的应用于水声通信,有广泛的应用前景 参考文献 张雪芬徐峰采用帧结构的 同步问题分析山东大学学报理学版 张永生 和 的信道估计技术山东大学硕士学位论文

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