基于ofdm编码的水声通信技术研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目基于OFDM编码的水声通信技术研究学科专业仪器科学与技术学号201521070449作者姓名闫冰程指导教师詹惠琴教授分类号密级注1UDC学位论文基于OFDM编码的水声通信技术研究（题名和副题名）闫冰程（作者姓名）指导教师詹惠琴教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业仪器科学与技术提交论文日期2018/4/10论文答辩日期2018/5/15学位授予单位和日期电子科技大学2018年6月答辩委员会主席评阅人注

2、1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。RESEARCHONUNDERWATERACOUSTICCOMMUNICATIONTECHNOLOGYBASEDONOFDMCODINGAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDiscipline:InstrumentScienceandTechnologyAuthor:BingchengYanSupervisor:Prof.HuiqinZhanSchool:SchoolofAutomationEngineering摘要摘要在海洋石油资源

3、的开发过程中，深水油气井溢流以及井喷的防治是石油钻井过程中的一项重要工作。水下溢流监测装置位于海平面下1～2km处，通过检测水下隔水管道内油基钻井液流速变化以及含气量变化等数据，实现水下早期溢流监测预警，给井控赢得更长的预警时间。为了将监测装置得到的数据高速可靠地传送给水上基站，本文研究了水声通信的信道特性，设计出一套低成本、低功耗的基于OFDM编码的水声通信方案。本文首先从通信声纳方程入手，详细分析了海洋信道的特征并提出了应对措施。其次，详细论证了基于OFDM编码的水声通信的实现方式与关键技术，包括采用频域补零取实部的方式进行OFDM调制，采用长度为信道时延均方根2~4倍的循环前

4、缀来对抗码间干扰，采用深削波法降低大峰值平均功率比，采用CAZAC序列解决时频同步问题。随后，利用BELLHOP模型对海洋信道进行建模分析，得到海洋本征声线和信道单位冲激响应以及相干传播损失图，为发射机中心频率、带宽以及接收机位置的选择提供了借鉴。利用MATLAB和ModelSim对基于OFDM的通信算法进行了仿真和实例化验证，论证了方案的可行性并提出信噪比、误码率以及功耗之间的平衡选择，接收端信噪比应不低于10dB，以16~20dB最佳。然后，利用MATLAB模拟了在收发端垂直距离1490m、5级清劲风的海洋信道条件下的OFDM通信。在发射声功率185dB，中心频率为20kHz，

5、带宽为8kHz的条件下，实现了误码率为0.648%，通信速率为12.698kbps的图像传输。最后，搭建了软硬件实验平台，完成了以MSP4305438A和FPGA为控制和数字信号处理的硬件设计，并在空间狭小、强多径干扰的水池信道下完成了OFDM通信实验。在有效数据通信速率15.87kbps的情况下，误码率为9.8%；在有效数据通信速率10.58kbps的情况下，误码率为6.7×10−4。关键词：水声通信，OFDM，BELLHOP，MATLABIABSTRACTABSTRACTIntheexploitofoffshoreoilresources,thepreventionandcon

6、troloftheoverflowandblowoutofdeepoil-gaswellsisanimportantworkintheprocessofoildrilling.Theunderwateroverflowmonitoringdeviceislocatedat1~2kmbelowsealevel,whichbydetectingthechangeoftheflowvelocityofoil-baseddrillingfluidandthechangeofgascontentintheunderwaterpipeline,theearlywateroverflowmoni

7、toringandwarningisrealized,andthelongerwarningtimeiswonforthewellcontrol.Inordertotransmitthedatafromthemonitoringdevicetothebasestationathighspeedandreliably,thispaperstudiesthechannelcharacteristicsoftheunderwateracousticchannelanddes