现代水声通信第三讲.

第三章常用的单载波调制方法性能分析水声通信中常用的数字调制信号频移键控调制（FSK）相移键控调制（PSK）正交幅度调制（QAM）在MPSK调制中，M个信号波形可表示为22(1)/()Re[()](1,2,,,0)cjftjmMmstgteemMtT)(tg是信号脉冲形状2(1)/(1,2,,)mmMmM是载波的M个可能的相位信号波形具有相等的能量2g22()cos(1)cos2()sin(1)sin2ccgtmftgtmftMM3.1M元PSK调制k个信息比特到M=2k个相位映射用格雷编码。选择和作为正交基信号，构成二维空间，并且在该空间内来解调信号，从而构成星座空间的概念，星座空间内每个调制信号所对应的点被称作星座点。tfc2costfc2sin0100110110000001011010110111100101M=2M=4M=8abcMPSK信号星座图格雷编码及星座图3.1M元PSK调制Amc和Ams是承载信息的正交载波的信号幅度2()Re[()()](1,2,,,0)cjftmmcmsstAjAgtemMtT()cos2()sin2mccmscAgtftAgtft3.2M元QAM调制3.2M元QAM调制ababcdM＝4QAM信号星座图M＝8MQAM信号星座图星座图222()Re(1,2,,,0)cjftjmftmsteemMtTTTf12cos(22)cftmftT等价于N维向量000000000000N21sss3.3M元FSK调制-T/2T/21Tf13.3M元FSK调制1s2s3s)(1tf)(2tf)(3tf2221s2s)(1tf)(2tf2M=N=3M=N=2MFSK信号空间图3.3M元FSK调制空间图加性高斯白噪声干扰的接收信号数学模型)0()()()(Tttntstsmrn(t)表示具有功率谱密度(W/Hz)的加性021)(Nfnn高斯白噪声的样本函数，N0为加性噪声的平均功率谱密度。3.4加性高斯白噪声信道的性能比较用最佳接收机接收后，不同调制方式的符号错误概率、比特错误概率及带宽利用率如表所示符号错误概率比特错误概率带宽利用率PSKQAMFSK非相干检测MNkQPbBsin2200)1(34NMkQPbB)1(1110111)1(nNnkMnnBbennMPMbPkP1MbPkP1MkkbPP1221MWR2log4log24log22MMMMWRMMWR2log3.4加性高斯白噪声信道的性能比较MPSK比特错误概率3.4加性高斯白噪声信道的性能比较MQAM比特错误概率3.4加性高斯白噪声信道的性能比较MFSK比特错误概率3.4加性高斯白噪声信道的性能比较不同调制方式发送1比特信息所需的信噪比单位：dB误比特率调制方式M=2M=4M=8M=16M=32Pb=10-6PSK10.5110.5113.9518.4223.34QAM10.5113.2514.3916.59FSK13.5110.759.238.217.44Pb=10-4PSK8.398.3911.7116.1421.01QAM8.3911.2812.1914.41FSK11.398.777.356.435.763.4加性高斯白噪声信道的性能比较Pb=10-6三种调制方式的频带利用率与比特SNR的关系曲线。3.4加性高斯白噪声信道的性能比较频率选择性衰落信道若声源发射信号为s(t)，则在多途信道中的接收波形为tnsAsAtrNiii1100第i径信号幅度第i径信号时延通过一个两径传播的例子来分析多径信道中的频率选择性衰落。212221)(fjfjeaeafH假定21aa传递函数的幅频特性22cos21)(2112121faeafHfj21相对多径时延3.5频率选择性衰落信道与均衡3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道幅频响应特性3.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道0102030405060708090100110-3-2-101230102030405060708090100110-3-2-101233.5频率选择性衰落信道与均衡频率选择性衰落信道0102030405060708090100110-3-2-101230102030405060708090100110-3-2-101233.5频率选择性衰落信道与均衡均衡器原理3.5频率选择性衰落信道与均衡均衡器结构1z1z1z1z)(nu0w1w2w3w10w)(ny)(ndn线性结构3.5频率选择性衰落信道与均衡均衡器结构非线性结构（DFE）3.5频率选择性衰落信道与均衡均衡器算法12kkkkwwxLMS算法信号功率)1(10L3.5频率选择性衰落信道与均衡均衡器算法RLS算法1(0)(0)QIw0，是一个小的正常数，0.005~0.01对于每一个时刻的k=1，2，…，计算11*111(1)()()1()(1)()()()(1)()()(1)(1)()()(1)()()(1)()()HHHkkkkkkkdkkkkkkkkkkkkkkQxrxQxwxwwrQQrxQRQ均衡器频域性能分析具有ISI的水声通信系统的方框图发送滤波器)(fGT信道)(fC接收滤波器)(fGR均衡器)(fGE输入数据检测器噪声n(t)零ISI的条件)()()()()(fXfGfGfCfGrcERT)()()(fXfGfGrcTRXrc(f)为接收信号的期望频谱特性，可设计满足补偿信道失真的均衡器频率响应为)()(1)(1)(fjEcefCfCfG3.5频率选择性衰落信道与均衡均衡器时域性能分析10)()()()(MnnTrkTnkTwkTtskTs如果在时刻t=kT,k=0,1,2,…..被采样，时间扩展造成的ISI的符号数为L=[Tm/T]，接收滤波器的输出信号可表示为10Mknknknywxnk=0,1,2,….kx)(kTsT表示，ky)(kTsr表示101()Mkknknknknkwxwxnw3.5频率选择性衰落信道与均衡线性均衡器时域性能分析其中xk表示k时刻采样瞬间所期望的信号值，表示k时刻采样瞬间的ISI，线性均衡器的作用就是选择合适的滤波器阶数及系数，使10Mknnnknxw010Mknnnknxw101()Mkkknknknknkywxwxnw3.5频率选择性衰落信道与均衡当第一条达到多径信号不是能量最强的多径，或在通带内频率衰落较大时，线性均衡器会在它的频率响应中引入一个大的增益去补偿，由此噪声也大为增强，通信质量剧烈下降。观察101()Mkkknknknknkywxwxnwxk为当前信号，xk-1、xk-2、……已被检测到，可认为已知，而xk＋1、xk＋2、……未知。若从ISI减去xk-1、xk-2、……相对于线性均衡器，由于反馈部分消除了由先前被检测符号引起的ISI，因此，加入判决反馈部分可得到性能上相当大的增益。结论：当判决差错对性能影响可忽略时，DFE优于线性均衡器3.5频率选择性衰落信道与均衡DFE均衡器时域性能分析BPSK调制二进信息电平转换双极已调信号X载波发生器cos2cAft二元基带信号选项开关已调信号载波发生器0相乘法相位选择法BPSK调制M=10;%发送符号数scode=randint(1,M);%发送bitTb=1/5;%码元宽度f0=1600;%载波频率fs=5*f0;%采样频率t=1/fs:1/fs:Tb;%码元采样时间N=length(t);%码元采样点数x=cos(2*pi*f0*t);%产生载波信号fori=1:Mdd=(repmat(scode(i)‘,1,N))’;source=dd(:)';r=[r,x*source];endBPSK调制M=1000;%发送符号数scode=randint(1,M);%发送bitTb=1/5;%码元宽度f0=1600;%载波频率fs=5*f0;%采样频率phi1=0;%载波相位phi2=pi;%载波相位t=1/fs:1/fs:Tb;%码元采样时间N=length(t);%码元采样点数r=[];%调制信号fori=1:Mifscode(i)==1r=[r,cos(2*pi*f0*t+phi1)];elser=[r,cos(2*pi*f0*t+phi2)];endendBPSK解调接收信号X载波恢复低通滤波基带信号抽样判决二元基带信号BPSK解调u=cos(2*pi*f0*t);％载波恢复Wp=200/fs;Ws=450/fs;[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,3,40);[A,B]=butter(n,Wn);%A=1;%B=[1,-0.9];l=round(N/2);fori=1:Mrr=r((i-1)*N+1:i*N);rc=filter(A,B,rr.*u);out(i)=rc(l);ifout(i)0out1(i)=1;elseout1(i)=0;endend串－并转换电平产生电平产生90度相移载波发生器二进制信息Q(t)I(t)QPSK信号QPSK调制)2cos(tfAc)2sin(tfAcQPSK调制M=1000;%发送符号数scode=randint(1,M);%发送bitTb=1/5;%码元宽度f0=1600;%载波频率fs=5*f0;%采样频率t=1/fs:1/fs:Tb;%码元采样时间N=length(t);%码元采样点数rs=[];fori=1:2:Mrs=[rs，scode(i)*cos(2*pi*f0*t)+scode(i+1)*sin(2*pi*f0*t)];%getthegroup_numbersegmentsoffrequencycodingendQPSK解调l=round(N/2);Wp=200/fs;Ws=450/fs;[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,3,40);[A,B]=butter(n,Wn);fori=1:M/2rr=r((i-1)*N+1:i*N);r1=filter(A,B,rr.*cos(2*pi*f0*t));r2=filter(A,B,rr.*sin(2*pi*f0*t));out1(i)=r1(l);out2(i)=r2(l);out=[out,out1(i),out2(i)];ifout1(i)0out11(i)=1;elseout11(i)=-1;endifout2(i)0out22(i)=1;elseout22(i)=-1;endoutt=[outt,out11(i),out22(i)];end