基于喷泉码的水声通信系统研究与设计

摘要

水声信道因极其复杂多变，使得水声通信具有可利用带宽小、传输延迟大、严重的噪声干扰、在时域和频域同时呈现严重的选择性等特点。在水声信道中实现高速率的可靠通信是极为困难的，在水声信道中传输信息引起的传输差错是不可避免的，因此需要性能优良的差错控制方案来提高水声通信的质量。由于水声通信中传播延迟较长使得ARQ（自动反馈重传）是不可行的，FEC（前向纠错）则是一种较为可行的信道纠错方案。 喷泉码是一种新型低密度低误码率的信道编码方案，其特点是发送端无需知道信道状态条件，就可以自动进行链路速率匹配。这种码的编译码算法具有线性的复杂度，纠错效果卓越，特别是其自适应链路速率匹配（即无码率）的特点得到了国内外的学者的广泛关注。考虑到OFDM可以克服频率选择性衰落，是目前水声通信的研究热点，因此本论文将喷泉码应用于水声OFDM通信系统。 本论文首先分析了水声信道的物理特性及其常用的调制技术，为后面的水声仿真提供理论基础，接着针对现有的三种喷泉码的编译码理论进行详细介绍，然后在MATLAB中建立了水声仿真模型，并分析OFDM-LDPC码、OFDM-LT码和OFDM-Raptor码的性能。仿真结果表明:喷泉码作为水声通信中的信道编码是可行的，虽然它的误码率性能稍逊色于LDPC码，但喷泉码能够利用其无码率的特性自动调整码率来保证在水声低信噪比的信道条件下数据可以可靠地传输，因此它对水声信道具有自适应的特性。在论文的最后构建了可用于水声通信的硬件系统并进行测试，实验结果表明喷泉码技术可以很好地保证水声系统的可靠性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究背景

1．2水声通信系统概述

1．2．1水声通信系统组成

1．2．2水声通信系统特征

1．2．3水声通信系统应用

1．3国内外发展现状

1．4论文主要的研究内容

2水声信道特性分析

2．1水声信道物理特性分析

2．1．1声信号衰减

2．1．2噪声干扰

2．1．3多普勒频移效应

2．1．4多途效应

2．2水声通信系统常用的调制解调技术

2．2．1信号调制技术

2．2．2信号解调技术

2．3本章小结

3数字喷泉码的基本理论

3．1 LDPC码

3．1．1 LDPC码简介

3．1．2 LDPc码的编码

3．1．3 LDPC码的译码

3．2典型的数字喷泉码

3．2．1随机线性码

3．2．2 LT码

3．2．3 Raptor码

3．3度分布函数

3．3．1理想孤波分布

3．3．2鲁棒孤波分布

3．4喷泉码的译码算法

3．4．1 BP译码算法

3．4．2 GE译码算法

3．5本章小结

4三种编码技术在水声OFDM系统的实现与仿真分析

4．1．1 OFDM技术介绍

4．1．2参数设计

4．2 LDPC码在水声OFDM系统的仿真

4．3喷泉码在水声OFDM系统的仿真

4．3．1基于LT码的水声OFDM系统仿真

4．3．2基于Raptor码的水声OFDM系统仿真

4．4本章小节

5水声通信系统硬件电路设计与实现

5．1系统总体方案

5．1．1系统模型图

5．1．2系统框图

5．2处理器选型

5．2．1处理器选型

5．2．2最小系统板设计

5．3水声发射机设计

5．3．1水声信号源

5．3．2功率放大电路

5．3．3水声宽带匹配技术

5．4水声接收机设计

5．4．1前置放大器

5．4．2滤波器设计

5．4．3后置放大电路设计

5．5系统性能测试

5．5．1在空气中测试

5．5．2在水中测试

5．6本章小结

6总结与展望

6．1总结

6．2展望

致谢

参考文献

附录