基于超声波通信道的信道估计和自适应调制技术研究

摘要

由于超声波信号在金属厚壁中传输时不受电磁屏蔽的影响，且传输损耗较小，因此超声波非常适合用于金属管壁等特殊环境下的通信。本文以超声波穿金属厚壁(Ultrasonic Through-Metal，UTM)通信信道为主要研究对象，采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术，克服超声波在金属信道中传输时产生的严重频率选择性衰落和多径效应，对UTM通信系统中的信道估计和自适应调制等技术进行了研究。
　　对基于超声波透壁通信系统的信道估计和插值算法进行了研究。提出了一种基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)的判决反馈估计算法。所提算法从两方面消除了噪声对信道响应估计值的影响。首先在信道估计时加入DFT，将只含有噪声的信道冲激响应置零，消除循环前缀以外的噪声干扰。其次在通过插值算法获得数据符号对应的信道响应参数时，加入判决反馈算法，根据前一个符号计算下一OFDM符号的信道响应参数。判决时首先比较调制后的数据与星座映射点的差异，以最小欧式距离为准则选择最接近的星座点作为调制后的数据，从而校正误差，然后根据校正值计算下一数据符号对应的信道响应参数。仿真结果表明，在相同的Eb/N0下，改进算法具有更好的误比特率和均方误差性能，在一定程度上提高了系统的接收数据速率。
　　对基于超声波透壁通信系统的自适应比特和功率分配算法进行了研究。本文在基于OFDM的UTM通信系统上加入自适应调制算法，通过仿真证明基于自适应调制的UTM通信系统好于固定调制下的UTM通信系统。并且针对Hughes-Hartogs自适应调制算法运算复杂度高的缺点，结合现有的优化手段，提出了一种改进算法。改进算法从降低比特分配时的迭代次数和减少每次迭代的计算量两方面考虑，通过更改比特分配的迭代步长，使每次迭代时分配的比特数目大于1，从而降低迭代次数。然后设置信道增益门限，令信道增益小于该门限值的子信道不参与比特分配，从而减少比特分配时的比较搜索，降低运算复杂度。仿真结果表明，改进算法能够以很少的性能损失为代价，降低原始Hughes-Hartogs算法54.3％的运算复杂度。
　　本文对UTM通信信道下的信道估计和自适应调制算法进行了理论研究和仿真验证，上述工作对进一步实现基于OFDM的超声波透壁通信系统具有重要价值。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 超声波穿金属厚壁通信研究现状

1．2．2 信道估计研究现状

1．2．3 自适应调制研究现状

1．3 主要研究内容和章节安排

1．3．1 研究内容

1．3．2 章节安排

2 超声波通信信道与OFDM原理

2．1 超声波换能器

2．2 超声波通信信道

2．2．1 超声波通信传输信道

2．2．2 超声波通信信道回波特性

2．3 超声波通信信道建模

2．3．1 超声波换能器模型

2．3．2 金属介质信道模型

2．3．3 超声波通信信道模型

2．3．4 信道模型仿真及分析

2．4 OFDM技术基础

2．4．1 OFDM基本模型

2．4．2 OFDM系统中的DFT实现

2．4．3 OFDM系统的保护间隔和循环前缀

2．5 本章小结

3 超声波通信信道的信道估计算法研究

3．1 OFDM信道估计概述

3．1．1 信道估计算法描述

3．1．2 基于OFDM的超声波通信系统

3．2 信道估计

3．2．1 导频图案选取

3．2．2 基于LS的信道估计算法

3．2．3 基于DFT的信道估计算法

3．2．4 改进的基于判决反馈的插值算法

3．3 算法仿真结果和分析

3．3．1 误比特率性能

3．3．2 均方误差性能

3．3．3 接收数据速率

3．4 本章小结

4 超声波通信信道的自适应调制算法研究

4．1 自适应调制算法理论基础

4．1．1 注水算法

4．1．2 OFDM自适应调制系统模型

4．2 自适应比特和功率分配准则

4．2．1 传输速率最优准则

4．2．2 裕量最优准则

4．3．1 Hughes-Hartogs算法

4．3．2 基于Hughes-Hartogs算法的超声波通信系统

4．3．3 自适应分配结果和分析

4．3．4 自适应调制优化性能分析

4．4 一种基于Hughes-Hartogs算法的改进算法

4．4．1 改进的Hughes-Hartogs算法

4．4．2 仿真结果和分析

4．5 本章小结

5 结论

5．1 论文工作总结

5．2 今后研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集