OFDM水声通信系统的时频同步技术研究

论文摘要

海洋水声信道是一个复杂的时、空、频变信道。信道带宽窄,多途干扰严重,高噪声和时延扩展大,使得在海洋中实现高速率、可靠的通信成为挑战性的研究课题。而由信道多径传播引起的码间干扰和频率选择性衰落是水声通信面临的主要困难。正交频分复用技术(OFDM)具有良好的抗频率选择性衰落性能和充分的带宽利用率,成为目前水声通信研究的热点。但它也存在不足,对同步误差敏感是影响系统性能的主要因素之一。OFDM技术的高频谱利用率和传输的可靠性均以子载波间的正交性为基础,载波频偏的存在破坏了子载波间的正交性,导致严重的子载波间干扰;符号定时误差又会引起符号间干扰。因此,研究OFDM的同步技术,对符号定时和频率偏移进行有效的估计和补偿具有非常重要的意义,本文主要研究无线中的OFDM时频联合同步算法,通过对算法的分析改进使之能够应用于OFDM水声通信系统中,主要工作概括如下:首先,在综合分析水声信道特性和OFDM技术原理的基础上,介绍了OFDM水声通信系统模型与系统参数的设计,指出OFDM系统的优点和存在的缺点。接着分析了同步误差对系统的影响。详细介绍了基于循环前缀、导频符号和训练序列的OFDM系统符号定时和载波频率联合同步算法,并提出了改进算法。通过仿真,比较分析算法在高斯白噪信道(AWGN)下和多径衰落信道下的同步性能。介绍了符号定时同步参数的选择,并针对水声信道中第一径不是最强径的问题,阐述了第一径检测方法,接着介绍了残余频偏补偿方法。最后进行水池和海洋试验,验证算法在实际水声信道中的性能。结果表明,本文采用的同步算法能够在试验中达到准确同步。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.2 OFDM同步技术的研究现状
• 1.3 论文的主要内容
• 第二章 OFDM水声通信系统的基本原理
• 2.1 水声信道的特性
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 声传播损失
• 2.1.3 多径传播
• 2.1.4 海洋环境噪声
• 2.1.5 多普勒效应
• 2.2 水声信道模型
• 2.3 OFDM通信系统的原理
• 2.3.1 基本模型
• 2.3.2 OFDM系统实现原理
• 2.3.3 OFDM系统的优缺点
• 2.4 OFDM水声通信系统参数选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 OFDM系统的同步问题
• 3.1 OFDM系统同步简介
• 3.2 同步误差对系统的影响
• 3.2.1 符号定时同步偏差对系统的影响
• 3.2.2 载波频率同步偏差对系统的影响
• 3.3 OFDM水声通信系统的同步
• 3.4 本章小结
• 第四章 时频联合同步算法
• 4.1 传统时频联合同步算法
• 4.1.1 基于循环前缀的最大似然算法
• 4.1.2 Sch-Cox同步算法
• 4.2 基于导频的自适应同步算法
• 4.2.1 算法描述
• 4.2.2 性能仿真分析
• 4.3 基于PN序列的频域相关算法
• 4.3.1 算法描述
• 4.3.2 性能仿真分析
• 4.4 基于CAZAC序列的时频联合同步算法
• 4.4.1 CAZAC序列
• 4.4.2 GR时频联合算法
• 4.4.3 性能仿真分析
• 4.5 基于共轭对称CAZAC序列的同步算法
• 4.5.1 SJ符号定时同步算法
• 4.5.2 改进的时频联合同步算法
• 4.5.3 性能仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 OFDM水声系统的时频联合同步算法性能分析
• 5.1 符号定时同步仿真
• 5.1.1 符号定时同步算法性能比较
• 5.1.2 门限和搜索窗设置
• 5.1.3 多径中第一径的搜索
• 5.2 载波频率同步仿真
• 5.2.1 载波频率同步算法性能比较
• 5.2.2 小数倍残余频偏的跟踪补偿
• 5.3 本章小结
• 第六章 水池及海洋试验
• 6.1 水池试验
• 6.1.1 水池试验环境
• 6.2.2 水池试验结果分析
• 6.2 海洋试验
• 6.2.1 海洋试验环境
• 6.3.2 海洋试验结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢