OFDM水声通信系统FPGA实现初探及多普勒频移补偿研究

摘要

浅海水声信道是一个极其复杂多变的时-空-频变信道。信道带宽有限、多径干扰强、频率扩散严重是实现高速和可靠的水声通信的主要障碍。因此，如何克服这些不利因素带来的影响，已经成为目前热门的水声通信研究课题。 正交频分复用技术(OFDM)是近年来数字通信中的一种多载波并行传输技术，它既具有较高的频带利用率，又能够在不使用复杂的信道均衡技术的条件下仍然可以较好地克服接收时由于多径效应带来的码间干扰(ISI)。因此，OFDM技术被引入到水声通信领域。然而，OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。水声信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移会使信号频率和相位发生变化，这就不可避免地会破坏OFDM系统中各子载波之间怔交性，引起子载波间干扰(ICI)，同时相位噪声对系统也会造成很大的损害，从而使整个系统的性能下降。 本论文的重点在于研究水声信道中适用于宽带OFDM水声通信系统的多普勒频移估计和补偿算法。 论文首先对水声通信的发展进行了综述，分析了海洋水声信道的特性，研究了水声信道模型的仿真方法，建立了基于射线理论的浅海水声信道仿真模型，分析了该仿真信道对信号特性的影响，说明此信道模型的合理性。在建立的浅海水声信道模型下，对基于OFDM技术的水声通信系统的性能进行了仿真分析。为了提高OFDM水声通信系统抵抗多普勒频移的性能，针对水声信号的宽带特性，研究了多普勒频移对水声宽带信号的影响，提出了适用于宽带OFDM水声通信系统的多普勒频移估计和补偿算法，通过仿真验证了该算法的性能。仿真结果表明，该算法能够有效地克服由于收发机相对运动引起的多普勒频移，从而减小OFDM系统子载波间的干扰(ICI)，有助于实现水下运动平台间的通信。论文最后完成了基于FPGA的OFDM水声基带系统仿真。

目录

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第一章绪论

1.1水声通信的发展与研究现状

1.2多载波水声通信技术的研究概述

1.3本论文的主要内容

第二章水声信道的建模与仿真

2.1水声信道的特性

2.1.1声传播损失

2.1.2多径效应

2.1.3频散效应

2.1.4海洋环境噪声

2.2基于射线理论的水声信道模型

2.2.1声传播的射线理论

2.2.2浅海信道的射线简化模型

2.2.3基于射线理论的水声信道仿真模型

2.3基于射线理论的水声信道仿真

2.4.1仿真参数分析

2.4.2仿真参数计算

2.4.3仿真结果分析

2.4本章小结

第三章OFDM基本原理及OFDM水声通信系统仿真

3.1 OFDM基本模型

3.2 OFDM水声通信系统及其仿真

3.2.1水声信道与无线电信道的比较

3.2.2 OFDM水下通信参数选取

3.2.3 OFDM水声通信系统仿真

3.3本章小结

第四章多普勒频移估计与补偿算法及其仿真

4.1多普勒效应

4.1.1多普勒效应的频域分析

4.1.2多普勒效应的时域分析

4.2 OFDM水声通信系统中多普勒问题的分析

4.3多普勒频移估计与补偿算法

4.3.1多普勒频移估计算法

4.3.2多普勒频移补偿算法

4.4多普勒频移估计与补偿算法仿真分析

4.4.1仿真参数的选择

4.4.2仿真分析

4.5本章小结

第五章OFDM基带系统的FPGA仿真

5.1硬件平台及设计简介

5.2 Altera FFT MegaCorelP核

5.3 OFDM基带系统模块的FPGA设计与仿真

5.3.1各模块间统一接口

5.3.2数据流的连续性

5.3.3编码映射与解映射

5.3.4 IFFT和FFT变换

5.3.5插入和去除循环前缀

5.4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢