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研究生:吳翰勳
研究生(外文):Han-Hsun Wu
論文名稱:正交分頻多工水下通訊系統同步技術之研究
論文名稱(外文):A Study of Synchronization Techniques for an OFDM Underwater Communication System
指導教授:曾敬翔曾敬翔引用關係
指導教授(外文):Ching-Hsiang Tseng
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:47
中文關鍵詞:正交分頻多工子載波頻率偏移估測循環字首正交分頻多工補零正交分頻多工水下聲波通信
外文關鍵詞:OFDMsubcarrier frequency offset detectionCP-OFDMZP-OFDMUAC
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本論文主要是利用正交分頻多工(orthogonal frequency-division multiplexing
,OFDM)來做水下聲波通信(underwater acoustic communication,UAC),在本論文中,我們所設計的水下正交分頻多工通訊系統的性能是利用電腦模擬與水槽實驗來驗證,模擬的部分採OFDM基頻模擬,軟體平台為LabVIEW;通道模擬則是採用淺水域通道脈衝響應,由於水中的都卜勒效應會造成載波頻率偏移,所以模擬中亦考慮了子載波頻率偏移,而子載波頻率偏移估測與補償是本文的重點,另外本論文亦將通道估測與補償納入系統之設計。我們也將探討循環字首正交分頻多工(cyclic prefix OFDM,CP-OFDM)與補零正交分頻多工(zero padded OFDM,ZP-OFDM)在水下模擬通道的差異。在水槽實驗部分,我們利用水下聲波發射器和水聽器在實驗水槽中發射及接收OFDM訊號,藉此評估所發展的OFDM UAC系統在水槽實驗中的性能。

The orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is used in this thesis for underwater acoustic communication (UAC). The goodness of the designed OFDM UAC system is verified by computer simulation and actual water tank experiment. In the simulation, the OFDM baseband system is realized by using the LabVIEW software platform. A shallow water channel impulse response found in the literature is used as the channel. Considering the possible Doppler effect in a UAC channel, we also add subcarrier frequency offset to the simulation. The carrier frequency offset estimation and compensation is therefore a main focus of our research. In addition, we also conduct channel estimation and compensation in the simulation to see its performance. Both the cyclic prefix OFDM (CP-OFDM) and the zero padded OFDM (ZP-OFDM) and used in the simulation and the difference between the two is discussed. In the actual water tank experiment, an underwater acoustic transducer and a hydrophone are used in a water tank to transmit and receive the OFDM signal. The performance of the developed OFDM UAC system is evaluated through the experiment.
目次
摘要 I
Abstract II
目次 III
圖目次 IV
表目次 V
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 本論文使用方法與流程 3
1.4 各章節內容概要 4
第二章 正交分頻多工系統架構 5
2.1 正交分頻多工系統介紹 5
2.1.1 正交分頻多工優缺點 8
2.1.2 正交分頻多工調變原理 8
2.2 循環字首及補零正交分頻多工系統差異 10
2.3 通道估測與補償 11
2.3.1 領航訊號的建置 11
2.3.2 通道估測 13
2.3.3 子載波頻率偏移估測 14
第三章 水下正交分頻多工通訊之模擬與實做 16
3.1 水下正交分頻多工系統模擬架構 16
3.2 水下正交分頻多工系統實做架構 22
第四章 水下正交分頻多工通訊模擬與與實做之結果 24
4.1 水下正交分頻多工模擬實驗結果 24
4.1.1 子載波頻率偏移估測與補償之模擬 24
4.1.2 通道估測與補償之模擬 29
4.1.3 通道估測與補償和子載波頻率偏移估測與補償之模擬 32
4.2 水下正交分頻多工實做實驗結果 34
第五章 結論與未來展望 45
參考文獻 46






圖次
圖1水下通訊應用示意圖 1
圖2多載波調變之發射端 5
圖3 OFDM子載波頻譜 7
圖4 (a)FDM頻譜(b)OFDM頻譜 7
圖5 OFDM 基本架構 8
圖6 CP-OFDM符合FFT運算之環型摺積理論 10
圖7 ZP-OFDM 不符合FFT運算之環型摺積理論 11
圖8 ZP-OFDM-OLA 符合FFT運算之環型摺積理論 11
圖9領航訊號置放於區塊形式 12
圖10領航訊號置放於梳狀形式 12
圖11領航訊號置放於區塊和梳狀形式 13
圖12通道估測與補償示意圖 14
圖13通道頻域響應模擬與頻率模擬示意圖 15
圖14 ZP-OFDM 子載波頻率偏移估測與補償 16
圖15 QPSK 訊號映射星座圖 17
圖16六種時變淺水域通道脈衝響應 18
圖17 ZP-OFDM 通道估測與補償 19
圖18領航訊號置放位置示意圖 20
圖19 ZP-OFDM 子載波頻率偏移和通道的估測與補償 21
圖20領航訊號置放位置示意圖 21
圖21水下OFDM實做系統架構圖 22
圖22濾波器介面圖 23
圖23實際儀器架設圖 23
圖24發射端QPSK領航訊號星座圖 25
圖25接收端未經過頻率偏移補償的領航訊號星座圖 25
圖26子載波頻率偏移量 26
圖27接收端經過頻率偏移補償的領航訊號星座圖 26
圖28 ZP-OFDM與CP-OFDM之BER 27
圖29 ZP-OFDM使用頻率偏移補償與CP-OFDM使用通道估測內差等化之BER 28
圖30發射端的訓練符元星座圖 29
圖31接收端所接收到的訓練符元星座圖 30
圖32傳送資料之星座圖 30
圖33接收端尚未通道補償之星座圖 31
圖34接收端通過通道補償之星座圖 31
圖35 ZP-OFDM採用通道預估與補償之BER 32
圖36 ZP-OFDM採用通道補償與載波頻率偏移補償之BER 33
圖37 ZP-OFDM BER綜合比較 34
圖38 ORCA Transducer &; B&;K Hydrophone 35
圖39儀器與吸音海綿配置圖 35
圖40水下儀器架設示意圖 36
圖41 12K Hz 37
圖42 10K Hz 37
圖43 14K Hz 38
圖44未經過濾波器之發射端訊號與接收端訊號波型圖 39
圖45未經過濾波器之發射端訊號與接收端訊號頻譜 39
圖46經過濾波器之發射端訊號與接收端訊號波型圖 40
圖47經過濾波器之發射端訊號與接收端訊號頻譜 40
圖48系統測試示意圖 41
圖49測試發射端與接收端波型圖 41
圖50測試發射端與接收端頻譜 42
圖51自製水下聲波發射器 42
圖52測試自製聲波發射器系統架構圖 43
圖53 10K Hz 43
圖54 12K Hz 44
圖55 14K Hz 44

表次
表1 OFDM水下模擬參數 17
表2 QPSK位元與相位之對應表 19
表3放大器參數 36
表4放大器參數 38
表5放大器參數 42

[1] M.Stojanovic, “Low complexity OFDM detector for underwater acoustic channels,” in Proc. IEEE Oceans’06 Conference, Boston, MA, pp. 1-6, Sept. 2006

[2] B. Muquet, Z. Wang, G. B. Giannakis, M. D. Courville, P. Duhamel “Cyclic prefixing or zero padding for wireless multicarrier transmissions,” IEEE Transactions on Communications, vol. 50, no. 12, pp. 2136-2148, Dec. 2002.

[3] B. Li, S. Zhou, M. Stojanovic and L. Freitag, “Pilot tone based ZP-OFDM demodulation for an underwater acoustic channel,” in Proc. IEEE Oceans’06 Conference, Boston, MA, pp. 1-5, Sept. 2006.

[4] LabVIEW 2010軟體,美商國家儀器股份有限公司台灣分公司。

[5] Mandar Chitre, “A high-frequency warm shallow water acoustic communications channel model and measurements,” Acoustic Research Laboratory, National University of Singapore, 12A Kent Ridge Road, Singapore 119223, pp. 2580–2586.

[6] 林哲億,”正交分頻多工水下數據機之設計與實現”,2011,國立臺灣海洋大學,電機工程學系,碩士論文。

[7] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung G. Kang, MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB, John Wiley &; Sons (Asia) Pte Ltd, 2010.

[8] Jeffrey G. Andrews , Arunabha Ghosh , Rias Muhamed, Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking, Pearson Education, 2007

[9] 饒敬國,IEEE 802.11a技術文件內容簡介,暨南大學電機工程研究所,民國九十一年。

[10]F. Classen, and H. Myer, “Frequency synchronization algorithm for OFDM systems suitable for communication over frequency selective fading channels,” IEEE VTC’94, pp. 1655–1659.

[11] M. Stojanovic, J. A. Catipovic, and J. G. Proakis, “Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels,” IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 19, no. 1, pp. 100–111, Jan. 1994.

[12] P. Moose, “A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction,” IEEE Transactions on Communications, vol. 42, pp. 2908–2914, October 1994.

[13] SV Seeker, “Hydrophone and underwater voice communications” http://www.submarineboat.com/hydrophone.htm

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