【水声通信】基于多普勒水声通信技术研究Matlab实现

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🔥 内容介绍

这段代码实现了一个完整的通信系统仿真，包括信号生成、多普勒频移模拟、多普勒估计、补偿以及性能评估。它非常适合用于研究多普勒效应对通信系统的影响以及验证补偿算法的有效性。

下面我们分步解析代码的各个部分：

1. 清理与设置

• 清理工作区，关闭所有图形窗口，并设置后续绘图默认显示网格，方便观察。

2. 模式选择与参数配置
% ... 根据 MOD 设置 Mod (调制阶数) 和 bitnum_per (每符号比特数)

% 基本通信参数
fs =100e3;% 采样频率 (100 kHz)
fl =8e3;% 信号带宽下限 (8 kHz)
fh =12e3;% 信号带宽上限 (12 kHz)
f0 =(fl + fh)/2;% 载波频率 (10 kHz)
Rb =2000;% 比特率 (2000 bps)
N_up = fs / Rb;% 升采样倍数 (50)
N_BS =3000;% 发送符号数
N_bit = N_BS * bitnum_per;% 总比特数

 

• 调制方式

  ：代码支持 BPSK、QPSK 和 8PSK 调制。

• 信号参数

  ：定义了信号的载波频率、带宽、符号率等。这里载波频率为 10 kHz，符号率为 2000 符号 / 秒，意味着每个符号持续时间为 0.5 ms。

• 升采样

  ：N_up = 50 表示每个符号在发送前会被插值成 50 个采样点，这有助于形成平滑的基带波形并满足奈奎斯特准则。

• 脉冲成型

  ：使用 rcosfir 函数生成平方根升余弦 (SRRC) 滤波器。这是数字通信中常用的脉冲成型滤波器，可以有效抑制符号间干扰 (ISI)。

• 带通滤波

  ：设计了一个从 8 kHz 到 12 kHz 的 FIR 带通滤波器，用于在接收端提取信号并抑制带外噪声。

3. 发射机部分

% 多普勒测量信号 (CW 连续波)
T_syn =0.2;% CW信号持续时间 (0.2 秒)
t =0:1/fs : T_syn-1/fs;
signal_measure =cos(2*pi*f0*t);% 生成 CW 信号

% 保护间隔 (GI)
length_GI=0.1* fs;% 保护间隔长度 (0.1 秒)
signal_GI=zeros(1, length_GI);

% 发送信号帧结构
signal_send =[signal_measure signal_GI signal_IQ signal_GI];

• 数据加载

  ：从 information.mat 文件中加载比特数据。

• 比特映射

  ：调用自定义的 Mapping 函数将二进制比特流映射到对应的调制符号（例如，QPSK 会将 2 个比特映射为一个复符号）。Table 应该是星座图的参考表。

• IQ 调制与上变频

  ：IQmodulate 函数是核心，它完成了以下工作：

  1. 对符号进行脉冲成型（使用 SRRC 滤波器）。

  2. 进行 IQ 调制，将基带信号调制到载波 f0 上。

• CW 测量信号

  ：生成一个固定频率 f0、持续时间为 T_syn 的余弦波。这个信号的作用是作为多普勒频移的 “探针”。由于它是单频信号，接收端可以通过精确测量其频率来估计多普勒频移。

• 保护间隔 (GI)

  ：在测量信号和数据信号之间以及数据信号之后加入了零信号作为保护间隔。这可以防止不同部分的信号在多径信道中产生符号间干扰 (ISI)，并为接收端的同步提供缓冲。

• 帧结构

  ：最终的发送信号 signal_send 是一个帧，结构为 [CW测量信号 | 保护间隔 | IQ调制数据 | 保护间隔]。

4. 信道部分

% 加噪声
SNR=15;% 信噪比 (15 dB)
signal_add_noise =BandNoiseAdd(signal_send, SNR, b1,...);

% 加多普勒
% 计算多普勒频移的精度，以避免 resample 函数报错
dup_precision1 =factor_resample(fs)/ fs;
dup_precision2 =(1/T_syn)/ f0;
icc =1e7;
dup_precision =lcm(dup_precision1*icc, dup_precision2*icc)/ icc;

% 模拟多普勒频移
m =10;
dup_ori= m * dup_precision;% 真实的多普勒因子
fs1 = fs *(1-dup_ori);% 模拟多普勒效应后的等效采样频率
signal_add_dopper =resample(signal_add_noise, fs1, fs);% 重采样实现多普勒

• 加噪声

  ：BandNoiseAdd 是一个自定义函数，它根据指定的信噪比 (SNR) 和带通滤波器 b1，为发送信号添加带限高斯白噪声。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

set(0, 'defaultAxesXGrid','on', 'defaultAxesYGrid', 'on') %打开网格

%% 模式选择

MOD = 'mo_qpsk'; %可以选择不同的映射方式bpsk、qpsk、8psk可选

switch (MOD)

case 'mo_bpsk', Mod = 2; bitnum_per = 1;

case 'mo_qpsk', Mod = 4; bitnum_per = 2;

case 'mo_8psk', Mod = 8; bitnum_per = 3;

otherwise, disp('Unknown signal constellation!');

end

%% 基本参数

fs = 48e3; % 采样频率

fl = 8e3; % 下限频率

fh = 12e3; % 上限频率

f0 = (fl + fh) / 2; % 中心频率（单频带传输）

Rb = 2000; % 符号率

N_up = fs / Rb; % 升采样点数

N_BS = 2000; % 发送的符号数

length_BS = N_BS * N_up;

N_bit = N_BS * bitnum_per; % 需要生成的比特数

alpha = 1; % 滚降系数

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