摘 要

随着陆地通信的快速发展以及海洋资源的未高效开发，人类将目光放到水下通信中。但水下信道复杂多变，声通信成了最广泛的传播方式，水声信道多径衰落较为严重，且通信速率低，带宽窄，想要实现可靠通信较难。正交频分复用通过将高速信息流分离为多个子载波，可以显著降低码元的速度，进一步降低多径效应和码间干扰，提高频谱利用率。近年来，随着快速傅里叶变换、信道估计、峰均比控制等技术的发展，正交频分复用在许多领域的应用越来越广泛。

本文通过研究水声信道的多变性以及正交频分复用技术的基本原理来实现水声通信，利用MATLAB来设计发射和接收的各个环节，搭建正交频分复用水声通信系统，并检测接收机接收性能，接收机性能指标为QPSK解调星座图和误码率。在实验室条件下，采用外置声卡设备、功放、换能器、水听器等硬件设备来进行水下信道的实验，验证搭建系统是否能够运行。

关键词：OFDM；水声通信；系统设计；

Abstract

With the rapid development of land communication and the inefficient development of marine resources, people pay attention to underwater communication. However, the underwater channel is complex and changeable, and acoustic communication has become the most widely spread mode. The multipath fading of underwater acoustic channel is more serious, and the communication speed is low, and the band width is narrow, so it is difficult to achieve reliable communication. Orthogonal frequency division multiplexing can significantly reduce the speed of the symbol, further reduce the multipath effect and inter symbol interference, and improve the spectrum utilization by separating the high-speed information stream into multiple subcarriers. In recent years, with the development of fast Fourier transform, channel estimation, PAPR control and other technologies, orthogonal frequency division multiplexing has been widely used in many fields.

In this thesis, we study the variability of underwater acoustic channel and the basic principle of orthogonal frequency division multiplexing technology to realize underwater acoustic communication. We use MATLAB to design each link of transmitting and receiving, build orthogonal frequency division multiplexing underwater acoustic communication system, and test the receiving performance of receiver. The performance index of receiver is QPSK demodulation constellation chart and error code rate. Under the laboratory condition, the external sound card equipment, power amplifier, transducer, hydrophone and other hardware equipment are used to carry out the underwater channel experiment to verify whether the system can run.

Keywords: OFDM; underwater acoustic communication; system design;

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 水声通信发展与现状 2

1.3 本文研究内容及结构 3

第2章 水声信道的特点 4

2.1 声波传播损耗 4

2.2 多径效应 4

2.3 环境噪声 5

2.4 多普勒频移 5

2.5 本章小结 5

第3章 OFDM基本原理 6

3.1 OFDM发展历程 6

3.2 OFDM系统原理 6

3.3 OFDM信号模型 7

3.4 本章小结 8

第4章 整体通信系统设计 9

4.1 OFDM系统整体结构 9

4.2 系统参数介绍 9

4.3信道编码 10

4.4 数据加扰和交织 11

4.5 基带调制 12

4.6保护间隔 13

4.7 导频设计 13

4.8 信道估计 14

4.9 同步信号 15

4.10 本章小结 16

第5章 硬件测试与性能分析 17

5.1 硬件设备介绍 17

5.1.1 声卡设备 17

5.1.2水声换能器 18

5.1.3功率放大器 19

5.2 声卡直连实验 20

5.3 过水声信道实验 20

5.4 更改子载波个数 21

5.5 数据采集卡实验 23

5.5.1 数据采集卡设备介绍 23

5.5.2 LabVIEW仿真程序 23

5.5.3 数据采集卡直连实验 25

5.6 采集卡与声卡交替实验 26

5.7 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

在最近几十年间，高新技术产业蓬勃发展，伴随着电子产品的不断更新换代，无线通信技术的发展引人注目。我们的生活离不开无线通信，例如我们每天都在使用的移动电话、WLAN等。由于我们现在的生活很依赖于无线通信，与之伴随的是不断扩张的人类对于移动速度的需求，市场为响应用户需求，不断完善移动通信技术和模式的升级。目前5G技术正在普及，6G技术也正在研究中。除此之外，人们正在利用更多的海洋资源，人们试图对海洋资源进行更多的开发，这必然导致了对通信技术的稳定和速率需求不断增加。对比与各种其他的传播形式，声波是水下信息传播的最佳方式，由于陆地上的无线通信技术发展迅猛，许多陆地通信所用的技术手段都被借鉴到水声通信中，因此水声通信也得到了快速发展。

地球的大部分地区都是海洋，到目前为止，人类只探索了海洋资源的很小一部分，合理开发利用海洋资源将给人类带来巨大的经济效益。但人们探索海洋时很有可能会受到海洋灾害的影响，沿海地区经常受到风暴的影响。因此，正确掌握海洋信息，可以防止灾害的产生，对海洋经济发展和沿海居民生活安全产生深远影响。