基于dsp的高速水下通信技术概述和实现

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1、基于DSP的高速水下通信技术概述和实现第1章绪论1.1论文研究背景及意义地球上70%的面积都被海洋占据，大洋中拥有着丰富的资源和广阔的空间。在21世纪里，人类进入了一个大规模开发利用海洋资源、扩大海洋产业、发展海洋经济的新时期，人类迫切需要加强海洋观测、资源勘探和开发的能力。在对海洋的探索和开发中对水下环境中的通信提出了巨大的需求。到目前为止，在人们迄今所熟悉的各种能量形式中，声波是在水中传播性能最好的[1]。因此水下声通信是未来海洋开发、海洋环境检测以及海防的重要工具，不管在军事领域还是在民用领域都有着相当

2、重要的应用。在军事应用方面，如潜艇之间、水面船只和潜艇或者其他水下作战平台之间的信息传输；民用方面，如个人水下语音通信、水下机器人和海上平台的遥控指挥信息的传输、水文站的信息采集和传输等等[2]。水下通信将是未来人们探索海洋等其他水下环境的关键技术。现代通信技术和微电子技术的发展已经深入影响到了人们生活的方方面面，同样也为水声通信的发展提供了强大的技术支持。软件无线电是以现代通信理论为依据、以嵌入可编程式芯片技术为支撑的一种新的通信机制，为现代通信提供了全新的解决方案。软件无线电具有开放性、可编程、可快速更新

3、的特点。这些特点可以使通信系统很好的适应水声通信信道复杂多变的特性。技术的发展使得在军事和民用领域需要在水下传输的信息量都越来越大，目前基于水下无线通信的通信网络技术也已经初步成型[4]，传统的低速率通信方式已经不能满足应用需求，低成本、低功耗、高速率的水下通信技术成为研究热点[5]。国内外的高校和研究所在远程、高速率水下通信上做出了许多努力，也涌现出了一大批高速水下通信的方案，并进行了一些通信实验。1.2水声通信的发展和研究现状水下通信技术具有相当长的研究和应用历史。现在可查的水下通信最早应用的案例是191

4、4年英国海军部队为海军战舰研制的水声电报系统。然而真正有可靠性保证的水下通信系统是在二战之后出现的，例如美国海军水声实验室运用单边带调制技术在1945年研制成功的水下，该系统载波频率为8.33kHz，主要用于潜艇和潜艇之间的水下通信[5]。受到当时技术条件的限制，在从20世纪60年代算起的很长一段时间内，水下通信技术发展十分缓慢。直到20世纪70年代，随着电子技术和信息科学的飞速发展，为水声通信的研究提供了强大的技术支持，水声通信的研究手段和方法有根本性的变化，整个面貌焕然一新。新一代的水声通信开始使用数字通

5、信技术，信号处理技术的提高各种调制算法也随之发展起来。这一时期的数字调制技术主要为ASK(幅移键控)、FSK(频移键控)和PSK(相移键控)以及由此衍生出的各种变形方式。其中非相干MFSK(多进制频移键控)一度被认为是克服水声信道多途扩展的最佳调制方式，一直是人们研究的重点。尽管非相干MFSK(多进制频移键控)是一种相当稳健的调制解调方法，但是其频带利用率很低，使其不能适应在带宽受限的水声信道中进行高速数据传输。第2章基础理论和关键技术2.1基础理论和算法受水下通信条件限制，水声通信系统中可使用带宽十分有限。

6、由上文可以知道为了提高数据传输速率，在过去的十几年中许多基于相位相干技术的高速水声通信技术方案被提了出来。在近距离高速水声通信上应用较多的相干通信技术是多进制相位键移(MPSK)和正交幅度相位调制(QAM)。本文研究的方向是在近距离和甚近距离上实现高速水下通信，预计在水下信号幅度变化范围有限，所以信号幅度可以作为信息传输的载体。对比MPSK调制和QAM调制，在调制形式上MPSK仅仅利用了信号相位的变化，而QAM同时利用了相位和幅度变化，在信号频谱利用率上QAM有更大优势，也更适合本系统的设计。为了提高数据传输

7、效率，本文选定QAM为系统使用的调制方式。在QAM调制技术中QAM调制阶数越高对系统性能尤其是同步性能要求越高，在现有的高速水下通信系统方案中使用的最高阶数的QAM调制系统为16-QAM。为了保证系统具有工程上的可实现性，最终选定16-QAM为本系统使用的调制技术。QAM调制基本原理是利用两路相互正交的调幅信号完成在一个带宽频谱内两路信号的并行传输。它的具体做法是用两路独立的数字基带信号对两路同频相互正交的载波进行调制后相加输出。因为实现了同相和正交两路并行数据传输，因此具有较高的频带利用率[12]。2.2定

8、时同步在数字通信系统中同步技术是关系到系统成败的关键技术。同步系统的性能直接影响着整个数字通信的性能，同步系统性能的降低会导致整个通信系统性能降低，严重的甚至会导致系统不能正常工作[17]。在数字通信系统中，同步包括，载波同步、定时同步、群同步和网同步[18]。本系统中只涉及前两种同步。郑大春等人提出了一种最大平均功率定时同步算法[23]。这种算法只需要对下变频后的基带信号采样序列做平方运算后，再做