現(xiàn)代水聲通信第三講

1、第三章第三章 常用的單載波調(diào)制方法常用的單載波調(diào)制方法 性能分析性能分析水聲水聲通信通信中常中常用的用的數(shù)字?jǐn)?shù)字調(diào)制調(diào)制信號信號頻移鍵控調(diào)制（頻移鍵控調(diào)制（FSK）相移鍵控調(diào)制（相移鍵控調(diào)制（PSK）正交幅度調(diào)制（正交幅度調(diào)制（QAM）在在MPSK調(diào)制中，調(diào)制中，M個(gè)信號波形可表示為個(gè)信號波形可表示為 22 (1)/( )Re ( )(1,2,0)cjf tjmMmstg t ee mM tT )(tg是信號脈沖形狀是信號脈沖形狀 2 (1)/(1,2,)mmM mM 是載波的是載波的M個(gè)可能的相位個(gè)可能的相位 信號波形具有相等的能量信號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調(diào)制調(diào)制 k個(gè)信息比特到個(gè)信息比特到M=2k個(gè)相位映射用格雷編碼。個(gè)相位映射用格雷編碼。 選擇選擇 和和 作為正交基信號作為正交基信號，構(gòu)成二，構(gòu)成二維空間，并且在該空間內(nèi)來解調(diào)信號，從而構(gòu)成維空間，并且在該空間內(nèi)來解調(diào)信號，從而構(gòu)成星座空間星座空間的的概念，星座空間內(nèi)每個(gè)調(diào)制信號所對應(yīng)的點(diǎn)被稱作概念，星座空間內(nèi)每個(gè)調(diào)制信號所對應(yīng)的點(diǎn)被稱作星座點(diǎn)星座點(diǎn)。 tfc2costfc2sina b c MPSK信號星座圖信號星座圖格雷編碼及星座圖格雷編碼及星座圖3.1 M元元PSK調(diào)制調(diào)制 Amc和和Ams是承載信息的

3、正交載波的信號幅度是承載信息的正交載波的信號幅度 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調(diào)制調(diào)制 3.2 M元元QAM調(diào)制調(diào)制 M4 QAM信號星座圖信號星座圖M8 MQAM信號星座圖信號星座圖星座圖星座圖222( )Re(1,2,0)cjf tjm ftmstee mM tTT Tf12cos(22)c f tm ftT 等價(jià)于等價(jià)于N維向量維向量 000000000000N21sss3.3 M元元FSK調(diào)制調(diào)制 -T/2T/21Tf13.

4、3 M元元FSK調(diào)制調(diào)制 MFSK信號空間圖信號空間圖 3.3 M元元FSK調(diào)制調(diào)制 空間圖空間圖加性高斯白噪聲干擾的接收信號數(shù)學(xué)模型加性高斯白噪聲干擾的接收信號數(shù)學(xué)模型 )0()()()(Tt tntstsmrn(t)表示具有功率譜密度表示具有功率譜密度 (W/Hz) 的加性的加性021)(Nfnn高斯白噪聲的樣本函數(shù)，高斯白噪聲的樣本函數(shù)，N0為加性噪聲的平均功率譜密度。為加性噪聲的平均功率譜密度。 3.4加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯白噪聲信道的性能比較 用最佳接收機(jī)接收后，不同調(diào)制方式的符號錯誤概率、用最佳接收機(jī)接收后，不同調(diào)制方式的符號錯誤概率、比特錯誤概率及帶寬利用率如表所示

5、比特錯誤概率及帶寬利用率如表所示符號錯誤概率符號錯誤概率比特錯誤比特錯誤概率概率帶寬利用率帶寬利用率PSKQAMFSK非相非相干檢干檢測測MNkQPbBsin2200) 1(34NMkQPbB)1(1110111) 1(nNnkMnnBben nMPMbPkP1MbPkP1MkkbPP1221MWR2log4log24log22M MM MWRMMWR2log3.4加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯白噪聲信道的性能比較 MPSK比特錯誤概率比特錯誤概率 3.4加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯白噪聲信道的性能比較 MQAM比特錯誤概率比特錯誤概率 3.4加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯

6、白噪聲信道的性能比較 MFSK比特錯誤概率比特錯誤概率 3.4加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯白噪聲信道的性能比較 不同調(diào)制方式發(fā)送不同調(diào)制方式發(fā)送1比特信息所需的信噪比比特信息所需的信噪比 單位：單位：dB誤比特率誤比特率調(diào)制方式調(diào)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加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯白噪聲信道的性能比較 Pb=10-6三種調(diào)制方式的頻帶利用率與比特SNR的關(guān)系曲線。3.4加性高斯白噪聲信道的性能比較加性高斯白噪聲信道的性能比較 頻率選擇性衰落信道頻率選擇性衰落信道若聲源發(fā)射信號為若聲源發(fā)射信號為s(t)，則在多途信道中的接收波形為，則在多途信道中的接收波形為 tnsAsAtrNiii1100第第i徑信徑信號幅度號幅度 第第i徑信徑信號時(shí)延號時(shí)延 通過一個(gè)兩徑傳播的例子來分析多徑信道中的頻率選擇性衰落。通過一個(gè)兩徑傳播的例子來分析多徑信道中的頻率選擇性衰落。 212221)(fjfjeaeafH假定假定 21aa 傳遞函數(shù)的幅頻特

8、性傳遞函數(shù)的幅頻特性 22cos21)(2112121faeafHfj21相對多徑時(shí)延相對多徑時(shí)延 3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 頻率選擇性衰落信道頻率選擇性衰落信道幅頻響應(yīng)特性幅頻響應(yīng)特性3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 頻率選擇性衰落信道頻率選擇性衰落信道0102030405060708090100110-3-2-101230102030405060708090100110-3-2-101233.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 頻率選擇性衰落信道頻率選擇性衰落信道01

9、02030405060708090100110-3-2-101230102030405060708090100110-3-2-101233.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 均衡器原理均衡器原理3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 均衡器結(jié)構(gòu)均衡器結(jié)構(gòu)1z1z1z1z)(nu0w1w2w3w10w)(ny)(ndn線性結(jié)構(gòu)線性結(jié)構(gòu)3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 均衡器結(jié)構(gòu)均衡器結(jié)構(gòu)非線性結(jié)構(gòu)（非線性結(jié)構(gòu)（DFE）3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 均衡器算法均衡器算法12kkkkwwxLMS算法算法信號功率) 1(

10、10L3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 均衡器算法均衡器算法RLS算法算法1(0)(0)QIw0，是一個(gè)小的正常數(shù)，是一個(gè)小的正常數(shù)，0.0050.01對于每一個(gè)時(shí)刻的對于每一個(gè)時(shí)刻的 k = 1，2，計(jì)算計(jì)算11*111(1)( )( )1( )(1)( )( )( )(1)( )( )(1)(1)( )( )(1)( )( )(1)( )( )HHHkkkkkkkd kkkkkkkkkkkkkkQxrxQxwxwwrQQrxQRQ均衡器頻域性能分析均衡器頻域性能分析具有具有ISI的水聲通信系統(tǒng)的方框圖的水聲通信系統(tǒng)的方框圖 發(fā)送濾波器 )( fGT 信道 )( fC

11、接收濾波器 )( fGR 均衡器 )( fGE 輸入數(shù)據(jù) 檢測器 噪聲 n(t) 零零ISI的條件的條件)()()()()(fXfGfGfCfGrcERT)()()(fXfGfGrcTRXrc(f)為接收信號的期望頻譜特性，可設(shè)計(jì)滿足為接收信號的期望頻譜特性，可設(shè)計(jì)滿足補(bǔ)償信道失真的均衡器頻率響應(yīng)補(bǔ)償信道失真的均衡器頻率響應(yīng)為為 )()(1)(1)(fjEcefCfCfG3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 均衡器時(shí)域性能分析均衡器時(shí)域性能分析10)()()()(MnnTrkTnkTwkTtskTs 如果在時(shí)刻如果在時(shí)刻t=kT,k=0,1,2,.被采樣，時(shí)間擴(kuò)展造成的被采樣

12、，時(shí)間擴(kuò)展造成的ISI的符號數(shù)為的符號數(shù)為L=Tm/T，接收濾波器的輸出信號可表示為接收濾波器的輸出信號可表示為 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頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 線性均衡器時(shí)域性能分析線性均衡器時(shí)域性能分析 其中其中xk表示表示k時(shí)刻采樣瞬間所期望的信號值，時(shí)刻采樣瞬間所期望的信號值， 表表示示k時(shí)刻采樣瞬間的時(shí)刻采樣瞬間的ISI，線性均衡器的作用就是選擇合適的濾波，線性均衡器的作用就是選擇合適的濾波器階數(shù)及系數(shù)，使器階數(shù)及系數(shù)，使

13、10Mknnnknxw010Mknnnknxw101()Mkkknk nknkn ky wxw xnw 3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 當(dāng)?shù)谝粭l達(dá)到多徑信號不是能量最強(qiáng)的多徑，或在通帶內(nèi)頻當(dāng)?shù)谝粭l達(dá)到多徑信號不是能量最強(qiáng)的多徑，或在通帶內(nèi)頻率衰落較大時(shí)，線性均衡器會在它的頻率響應(yīng)中引入一個(gè)大的率衰落較大時(shí)，線性均衡器會在它的頻率響應(yīng)中引入一個(gè)大的增益去補(bǔ)償，由此噪聲也大為增強(qiáng)，通信質(zhì)量劇烈下降。觀察增益去補(bǔ)償，由此噪聲也大為增強(qiáng)，通信質(zhì)量劇烈下降。觀察 101()Mkkknk nknkn kywxw xnw xk為當(dāng)前信號為當(dāng)前信號 ，xk-1 、 xk-2 、已被檢測

14、到，可認(rèn)為已知，已被檢測到，可認(rèn)為已知，而而xk1 、 xk2 、 未知。若從未知。若從ISI減去減去xk-1 、 xk-2 、相對相對于線性均衡器，由于反饋部分消除了由先前被檢測符號引起的于線性均衡器，由于反饋部分消除了由先前被檢測符號引起的ISI，因此，加入判決反饋部分可得到性能上相當(dāng)大的增益。因此，加入判決反饋部分可得到性能上相當(dāng)大的增益。 結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)判決差錯對性能影響可忽略時(shí)，當(dāng)判決差錯對性能影響可忽略時(shí)，DFE優(yōu)于線性均衡器優(yōu)于線性均衡器3.5頻率選擇性衰落信道與均衡頻率選擇性衰落信道與均衡 DFE均衡器時(shí)域性能分析均衡器時(shí)域性能分析BPSK調(diào)制調(diào)制相乘法相乘法相位選擇法相位選擇

15、法BPSK調(diào)制調(diào)制M=10;%發(fā)送符號數(shù)發(fā)送符號數(shù)scode=randint(1,M) ;%發(fā)送發(fā)送bitTb=1/5;%碼元寬度碼元寬度f0=1600;%載波頻率載波頻率fs=5*f0;%采樣頻率采樣頻率t=1/fs:1/fs:Tb;%碼元采樣時(shí)間碼元采樣時(shí)間N=length(t);%碼元采樣點(diǎn)數(shù)碼元采樣點(diǎn)數(shù)x=cos(2*pi*f0*t);%產(chǎn)生載波信號產(chǎn)生載波信號for i=1:M dd=(repmat(scode(i),1,N); source=dd(:); r=r,x*source; endBPSK調(diào)制調(diào)制M=1000;%發(fā)送符號數(shù)發(fā)送符號數(shù)scode=randint(1,M) ;%

16、發(fā)送發(fā)送bitTb=1/5;%碼元寬度碼元寬度f0=1600;%載波頻率載波頻率fs=5*f0;%采樣頻率采樣頻率phi1=0;%載波相位載波相位phi2=pi;%載波相位載波相位t=1/fs:1/fs:Tb;%碼元采樣時(shí)間碼元采樣時(shí)間N=length(t);%碼元采樣點(diǎn)數(shù)碼元采樣點(diǎn)數(shù)r=;%調(diào)制信號調(diào)制信號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解調(diào)解調(diào)BPSK解調(diào)解調(diào)u=cos(2*pi*f0*t);載波恢復(fù)載波恢復(fù)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串并串并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換電平電平產(chǎn)生產(chǎn)生電平電平產(chǎn)生產(chǎn)生90度度相移相移載波發(fā)載波發(fā)生器生器二進(jìn)制二進(jìn)制信信 息息Q(t)I(t)QPSK信信 號號QPSK調(diào)制調(diào)制)2cos(tfAc)2sin(tfAcQPSK調(diào)制調(diào)制M=1000;%發(fā)送符號

18、數(shù)發(fā)送符號數(shù)scode=randint(1,M) ;%發(fā)送發(fā)送bitTb=1/5;%碼元寬度碼元寬度f0=1600;%載波頻率載波頻率fs=5*f0;%采樣頻率采樣頻率t=1/fs:1/fs:Tb;%碼元采樣時(shí)間碼元采樣時(shí)間N=length(t);%碼元采樣點(diǎn)數(shù)碼元采樣點(diǎn)數(shù)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解調(diào)解調(diào)l=round(N/2);Wp=200/fs;Ws=450/fs;n,Wn=buttord(Wp,Ws,3,40);A,B=butte