聂星阳[1]2014年在《模型与数据结合的浅海时变水声信道估计与均衡》文中研究说明水声通信是水下环境中实现无线传输的主要手段。水中声传播受叁个主要因素制约：随信号频率增大的衰减,时变的传播多径以及较慢的传播速度。水声传播的物理特性造成水声信道,特别是浅海声信道可用带宽窄,时延和多普勒扩展较大且随环境变化而变化,使得水声通信面临许多陆地无线电通信中不曾遇到的技术难点。论文针对浅海时变水声信道下的可靠通信问题,开展水声通信信道估计-信道均衡技术的联合研究。论文挖掘信道的稀疏特性,采用压缩传感算法估计稀疏信道,提高信道估计性能的同时降低算法的复杂度。引入时反处理和频域上与之对偶的频反处理简化信道均衡过程。此外,论文将对信道估计和均衡问题的研究由单入单出(Single-Input Single-Output-SISO)通信系统扩展到多入多出(Multiple-Input Multiple-Output-MIMO)通信系统。在理论算法研究的基础上,还进行了通信实验系统设计并在多次湖海试验中得到使用；进而通过实验数据处理分析,验证了论文方案的有效性及实际性能。信道特性的研究是分析和设计水声通信系统的基础。论文针对浅海水声通信信道时延多普勒双扩展的特性对信道进行建模。首先利用水声信道的稀疏特性,用几条主要的分离路径近似表示信道,然后用多项式分别拟合各到达路径的幅度时变和时延时变,并以这些参数化表示为基础,推导出描述通信信道输入输出关系的数学模型。与之前描述时延多普勒双扩展特性的信道模型相比,本论文推导的路径时变参数化模型考虑了路径幅度的时变及由时延变化引起的成型脉冲上采样点的偏移这些被其它模型忽视的问题,能够更好地近似实际信道的时变特性。路径时变参数化模型用有限的参数描述通信信道输入输出关系,将高维的信道估计问题转化为有限维度的信道参数估计问题,并可采用压缩传感算法求解。注意到重采样和载波频移补偿后的等效信道时变慢的特点,论文提出了一种分步估计时延和多普勒的信道估计方法,该方法使参数的搜索范围从二维时延-多普勒平面退化到一维时延／多普勒区间,减少了字典的维数,从而可降低计算复杂度和存储空间需求。同时,相比于时延和多普勒同步估计方法,将时延和多普勒分开估计又有效避免了参数间的耦合,可以得到更精确的信道估计结果。仿真和实验数据处理结果验证了时延多普勒分步估计方法的性能。浅海水声信道中时延扩展引起严重的码间干扰(Inter-Symbol Interference-ISI),是限制浅海水声通信性能的重要原因之一。针对这一问题,论文研究了水声通信中的信道均衡技术。时间反转处理利用环境本身压缩时域上扩展的信号,是一种利用环境物理特性实现通信信号处理的方法。时反处理并无法完全消除ISI,但是将时反处理和信道均衡结合可以在很大程度上简化均衡器的设计。论文将基于路径时变参数化模型的时变信道响应估计应用于时反处理,把基于信道时不变假设的传统时反通信推广到时变信道。此外,论文还提出了频域上与时间反转对偶的频率反转概念。频反处理可以压缩多普勒效应引起的信号频率扩展以消除正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM)通信中的载波间干扰(Inter-Carrier Interference-ICI)。论文进一步研究了MIMO水声通信系统中的信道估计与均衡问题。论文将路径时变参数化模型扩展到MIMO信道,然后由此模型推导出离散时间MIMO信道输入输出关系,并将时延多普勒分步估计方法推广到对MIMO水声通信信道的估计中。在对MIMO水声通信信道均衡的研究中,论文将MIMO体制与时反技术结合,利用时反的空间聚焦特性实现与多个用户的同时通信;将SISO水声通信系统中的判决反馈均衡器(Decision Feedback Equalizer-DFE)扩展到MIMO系统中,在反馈部分引入其它路的发射符号在消除ISI的同时消除信道间干扰(Cochannel Interference-CCI)。论文还将频反频域均衡方法扩展到MIMO通信中,与时反处理一样,频反处理也能达到空间聚焦的效果,消除CCI,是MIMO-OFDM中一种潜在有效的频域均衡手段。
王炜[2]2011年在《水声信道的多普勒处理及分集方法研究》文中研究说明随着人类海洋活动的日益频繁,无论是军事领域还是民用商用领域都对水下通信产生了巨大的需求,尤其是对高速水声通信的需求。水声信道是典型的时变窄带随机信道,调制带限,传输多路径及多普勒效应均非常显着。这些特性使得水声信道,尤其是浅海声信道成为最困难的无线通信信道。对于目前的水声信道的传播环境研究而言,主要从水声信道模型开始,在射线声场模型和本征声线搜索方法所对应的水声信道数学模型基础上,从两个研究方向展开:围绕水声信道时变特征的抗衰落技术研究,以及提高窄带水声信道传输数据率的高效调制技术研究。本文针对适应水声信道的高效调制解调技术展开深入研究,并从信道和信源两个角度对相关技术进行优化。本文从被动消除噪声的角度,重点讨论了在窄带水声信道所引发的高多普勒效应的工作环境中,在信道估计求解冲激响应的基础上,有效分离水声信道多径特征,并利用数字方法补偿频域偏移,获得稳定的处理效果。针对水声信道中高多普勒效应的特性,研究了一种宽带多普勒频偏估计与补偿的方法,并将其应用于水声ZP-OFDM系统中。从仿真结果可知,该方法具有较高的估计精度和补偿效果。本文还从主动增加调制效率的角度,利用水声信道频率独立特性,在发射端引入发射分集,接收端引入频率分集,以及通过反馈信道的方式引入自适应调制编码方案,通过对这些方式的技术比对,详细说明了不同技术方案的性能特征,以及在实际环境中的适用性,从而达到提高水声通信系统调制效率的目的。
夏梦璐[3]2012年在《浅水起伏环境中模型—数据结合水声信道均衡技术》文中研究指明水声通信是海洋中通过声信号实现的无线通信。由于水中声传播速度慢、可利用带宽窄等特点,水声通信面临众多不同于陆地无线电通信的技术难点。特别是浅海环境,由于其边界及介质起伏效应,造成多径时延扩展、多普勒频移扩展严重,且表现出快速时变特性,使传统的高速通信信号处理技术性能不佳,甚至无法工作。论文针对浅海起伏环境下具有延时、多普勒扩展及时变特点的信道,以声传播环境-声通信信道-通信信号处理为主轴,采用基于水声传播互易性这一物理机制发展的时间反转处理方法,结合单载波、多载波相干水声通信信号体制,发展模型与数据相结合的信道估计和均衡技术,旨在深入研究浅水水声通信信号传播物理模型的同时,探讨现实起伏环境中实现可靠高速数据传输的水声通信信号处理方法及系统设计。因地理位置、温度、盐度等的不同,声速在不同浅海环境中呈现不同的梯度模式,水声通信的信道冲击响应也千差万别。目前并没有一个通用的浅海水声通信信道统计模型可用于描述所有浅海环境,这就要求我们在研究水声信道时将模型和数据相结合,利用模型的一般性和数据的特殊性设计稳定可靠的水声通信系统。时间反转技术是基于声在时不变环境中传播的互易性提出的一种信号处理方法,即若环境时不变,将接收到的信号时间反转发射,信号将在最初的发射位置实现空间聚焦和时间压缩。论文的主要思想就是基于声信号时反的特性开展理论和实验研究,并应用于相干水声通信中。然而浅海起伏环境中,时变是造成通信接收机性能下降的主要因素。这就引出论文的一个重要研究方向：起伏环境对水声通信信道的影响,以及如何在起伏环境中跟踪信道变化。论文首先建立了基于散射信道物理模型的状态空间时变信道模型,并采用卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波实现信道的估计和跟踪。由于信道时延扩展严重,随时间变化明显,造成估计算法运算量巨大。论文提出了估计并跟踪时反信道——经过被动时反处理后的相关信道函数。根据理论分析和实验数据观察,时反信道时延扩展明显小于信道冲击响应,且结构相对稳定,对时反信道的跟踪明显可降低待估计参数的更新频率和算法计算量。对时反信道特性的研究为设计被动时反均衡方法提供了基础。由于信道的时变,被动时反后的时反信道并不是理想的单位冲击函数,仍然存在着时间扩展及通信信号间的码间干扰。因此在被动时反处理后可级联一个简单的时域判决反馈均衡器,用于消除残余的码间干扰。当环境时变严重时,近似单位冲击函数的时反信道会随时间发生扩展,这种情况就需要更新用于时反操作的参考信道响应。在设计接收系统时,论文提出通过检测估计时反信道的卡尔曼滤波的误差变化,判断是否需要更新参考信道响应。实验数据的处理和分析验证了方案的可行性。论文同时研究了单载波频域均衡系统在水声通信中的应用,在揭示其数学表达式与被动时反结合时域均衡非常相似的基础上,论文将两者从理论和实验数据两个方面进行了比较。两者在时不变环境中,是等价的。而在时变环境中,单载波频域均衡需要更频繁地更新信道冲击响应函数。频域均衡的另一个缺点是由于基于快速傅立叶变换实现,其每一块用于快速傅立叶变换的数据前需要加入循环前缀,以保证序列可周期扩展,且循环前缀的长度必须大于信道响应扩展的最大长度。这种信号形式产生很多信号冗余,降低了平均通信速率。利用时反信道的特点,论文进一步尝试了将被动时反技术与多载波通信体制相结合,设计了被动时反结合正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)通信系统。基于被动时反处理后的时反信道时延扩展小的特点,设计符号时间宽度短、子载波较宽的OFDM信号,使得OFDM对多普勒效应和随机多普勒的宽容性增强。仿真和实验数据分析展示了方案的有效性。
蔡卫旭[4]2012年在《基于条形码编码技术的水声通信技术》文中研究指明为了克服现有水声通信系统频率偏移效应ǐ多径效应严重等缺点，本文借鉴了条形码使用相对位置传递信息ǐ黑白条粗细代表信息的特点，创新地提出并设计了基于条形码编码技术的水声通信技术——频率间隔编码技术，使用水声通信的频率间隔来传递信息，有效地减弱了水声通信系统频偏效应和多径效应等干扰对水声通信系统的影响首先，本文在先对已有水声通信系统ǐ水声无线通信信道以及条形码编码技术进行充分研究然后，本文针对水声通信信道的特点，借鉴了条形码编码技术相对位置传递信息ǐ黑白条粗细代表信息的特点和条形码的编码规范ǐ组成方案ǐ码制等，提出了基于条形码编码技术的水声通信技术的一维和二维两种编码方法，并分析其信息表达能力以及抗干扰能力再次，本人还设计了一维编码方法中的双频率编码技术ǐ多频率编码技术以及包括了分散式和连续式的多组信息组合技术，并提出了频率间隔编码的具有准备区ǐ数据信息区ǐ开始/结束符ǐ校验符的完整的组成方案，以及包括了区间判别法ǐ比例判别法ǐ最小残差平方和判别法ǐ形状判别法的多种接收端判别方法最后，本文对基于条形码编码技术的水声通信技术——频率间隔技术在Matlab中以频偏ǐ多径ǐ衰落ǐ延迟和高斯白噪声环境下进行了仿真，取得良好的效果本文的研究具有独创性，第一次提出把频率间隔编码技术运用到水声通信上来
周延[5]2003年在《水声通信信道射线模型的研究》文中研究说明本论文从基本的声学理论出发，对水声信道射线模型的数学建模进行了研究，主要分析了射线跟踪模型在不同海底地形条件下的声线轨迹、本征声线及传播损失的求解问题，完成了射线模型的数学建模和计算机数值求解。此外，本文根据实际应用中的要求，用C语言编写了计算声线轨迹及本征声线搜索的软件，用C++，matlab和matcom联合编写了计算声传播损失的软件，并用程序对海上实测数据进行了仿真，得到了令人满意的结果。该软件具有很好的可扩充性和重用性，操作简单且具有很快的运算速度。 本论文将水声信道仿真领域的知识和经验与先进的计算机技术相结合，为水下声场的仿真提供了一种方便快捷的实现手段。
张华昱[6]2014年在《基于跳频多脉冲的PPM抗多径水下通信系统研究》文中提出海洋蕴含巨大的资源。随着社会的发展，人们对海洋的探索也在与日俱增。水下通信能够帮助人类对海洋进行探测，从而对海洋资源进行有效开发和利用。同时，水下通信在军事领域的作用也非常巨大，在维护国家利益上有重要作用。本文根据PPM脉位编码的基本原理，提出了一种改进型跳频多脉冲信道编码方式，旨在解决多径干扰所导致的水声通信质量下降问题。这种信道编码方法使用了时域与频域的二维编码，利用了不同频带LFM信号自相关系数高，互相关系数低的特点对码元进行设计。本文通过仿真对比客观的分析了跳频多脉冲应用于PPM信道编码中的优势以及对水声通信系统性能的提升。仿真分为两部分，即水声信道建模仿真和跳频多脉冲PPM通信系统仿真。水声信道仿真中使用二次搜索法，能有效的计算出所需本征声线。进而通过建立接近真实的水声信道，对跳频多脉冲PPM水声通信系统进行分析。研究表明，跳频多脉冲PPM水声通信系统在抗多径性能上有较强的性能，其误码率接近相同条件下，无多径干扰信道的PPM多脉冲通信。
李伦[7]2016年在《基于参量阵的MFSK水声通信关键技术研究》文中认为基于参量阵的MFSK(Multiple Frequency Shift Keying)水声通信技术是一种利用具有较高指向性的水声信号作为信号载体进行介质传输的通信技术。该技术在现有的MFSK水声调制基础上,将MFSK模拟信号加载融合到参量阵超声信号中,利用参量阵超声波在介质传播过程中的非线性作用,自解调产生差频信号,还原出适合远距离传输的窄波束、低频段MFSK水声信号。通过水声参量阵高指向性声波信号来抑制信道的多途干扰、码间干扰,提高信道的信号-多途比,为实现高速、稳定、远距离水声通信系统提供一种新的解决方案。本文首先对Westervelt方程和“Berktay远场解”进行了简要分析,对基本参量阵声场信号进行了仿真分析,通过Matlab仿真发现参量阵单边带SSB(Single Side Band)调制能有效抑制谐波信号的产生,提高频带利用率,与DSB(Double Side Band)调制方式对比更适用于参量阵水声通信信号调制,利用仿真发现通过调节参量阵SSB调制参数可以进一步抑制谐波失真和互调失真。为了分析水声信道质量,首先对海洋水声环境特性进行了仿真和分析,确定对水声信道中的产生影响的因素及计算公式。利用射线理论对浅海水声多径信道建立了确定型模型,将信号-多途比(Singal Multipath Ratio-SMR)作为浅海水声信道多径干扰情况的衡量指标,对普通声源情况下的信道情况进行了仿真分析。发现在远距离传输过程中,在离声源较近位置的信号-多途比并不理想,主要是由于多径干扰信号在短距离处有一定的声压强度,随着距离的增加,多径信号在传播过程中不断发生反射造成界面反射损失,对SMR产生影响的因素主要为海洋环境中的噪声干扰。与普通声源信号不同的是水声参量阵的差频信号不仅具有较高指向性,更重要的是差频水声信号能量在传播过程中呈现明显的锥形分布,主要声场能量集中于轴向方向的特性,降低了其他偏角上的多径信号幅度,提高了水声信道的抗多径干扰能力,提高了水声信道的SMR,提高了水声通信信道质量。最后,通过参量阵的MFSK水声通信系统的硬件平台进行实验测试,验证了参量阵的水声通信系统在有限带宽资源的情况下,能够有效提高水声通信的多途-信道比,提高水声信道质量,为实现高速、远距离、可靠的水声通信系统提供了一种新方法。
任欢[8]2014年在《基于因子图的水声通信均衡算法研究》文中指出水声通信涉及国防水声学和民用海洋开发、利用诸多方面,受到各个国家的高度重视,水声通信技术也是我国海洋事业中急待研究开发的重要项目之一。水声通信信道具有强多途、大衰减、高噪声和严带限等特异性,如此复杂的水声信道造成严重的码间干扰(Inter Symbol Interference)和接收信号的低信噪比,降低了水声通信的可靠性。因此,如何在低信噪比环境下有效对抗多径干扰成为长距离,高速率水声通信技术的难点。信道均衡算法中,基于最大后验概率的均衡算法(Maximum A Posteriori)是基于平均错误概率最小准则下的最佳算法,但是算法的高复杂度缺点制约了其在实际中的应用。人们致力于研究能获得MAP算法的性能同时低复杂度的均衡技术。90年代出现的因子图(Factor-Graph)在信号处理中的广泛应用和研究为实现低复杂度高性能的均衡技术提供了可能。本文主要研究了基于因子图的均衡算法的基本原理,利用和积算法将均衡问题转化为边界问题,详细描述了算法的消息传递方法,并对算法性能进行了计算机仿真。针对算法对先验信息中对信噪比估计准确度的要求,本文提出了一种基于FRFT的线性调频信号的信噪比估计新方法,该算法准确度较高且不会受到通信系统中信号调制方式的限制,具有广泛的适用性。为了进一步提高基于因子图的均衡算法在低信噪比场景下的性能,本文在基本因子图均衡算法的基础上,提出了联合LDPC因子图的迭代均衡结构(LDPC-FG)。厦门大学实验水池以及厦门浅海海域的实验结果表明,该均衡算法能够在较低信噪比环境下,保证极浅海水声通信系统的可靠性。论文的主要研究工作如下：1.根据线性调频信号和高斯白噪声在分数阶傅立叶(Fractional Fourier Transform)域表现出的不同特点,提出一种基于FRFT的线性调频信号的信噪比估计新方法；2.介绍了因子图及和积算法。在Forney型因子图(FFG)如何利用和积算法求解边界问题,以及在因子图中高斯消息传递的相关准则。3.实现了基于因子图的均衡算法,利用和积算法将均衡问题转化为边界问题,利用因子图中的高斯消息传递得到了发送序列的最小均方误差的估计值,该算法性能接近MAP算法。4.为了进一步提高基于因子图的均衡算法在低信噪比的性能,我们提出联合LDPC的迭代因子图均衡算法(LDPC-FG),给出了两种不同的迭代均衡方案。5.在实验室水池和厦门港浅海海域对基于因子图的均衡方法和迭代均衡算法进行了实验。实验表明,在低信噪比环境下,本文提出的联合LDPC的迭代因子图均衡算法能够有效对抗水声信道多径造成的码间干扰,保证水声通信系统的可靠性。
樊国勇[9]2013年在《浅海水声信道均衡算法研究》文中进行了进一步梳理随着人们对海底探索和水声通信数据量的不断增大，水声通信技术得到了飞速的发展，信道均衡技术是其中一个关键的核心。本文根据均衡算法和均衡结构的不同，详细分析了自适应算法LMS（最小均方误差）、DFE（判决反馈均衡）和CMA（恒模盲均衡）算法的原理和推导，并在水声信道上作出仿真分析。然后结合浅海水声信道的特点，分析了各自的改进算法VSS-LMS、MVSS-LMS（变步长最小均方误差）和MCMA（修正常数模）的原理和特性，并在建模得到的水声信道上进行仿真，比较其改进之处。仿真系统主要分为两部分：信道建模和均衡算法。信道建模采用了典型的射线模型，通过牛顿下山法搜索所有的本征声线并分别计算其对应衰减，得到水声系统的冲激响应。本文编写了基于MATLAB GUI界面的信道仿真程序，可通过设置不同的水声环境参数得到不同的水声信道参数，方便对不同的水声环境进行均衡实验。均衡算法部分利用本征信道建模得到的结果，对典型的LMS，DFE和盲均衡CMA算法进行了仿真，分析结果。然后根据水声信道的特性，详细分析和仿真了改进算法VSS-LMS、MVSS-LMS和MCMA，结果表明变长的自适应算法MVSS-LMS更加适应水声信道，其收敛和误差更少，同时其对信道的时变性更适应。而MCMA算法则修正了相位的不足，均衡效果更佳。
殷敬伟[10]2006年在《时反镜Pattern时延差编码水声通信技术研究》文中认为发展水声通信技术无论在军事领域还是在商业领域，都有着重大意义。实时、高速、稳健的点对点通信是构建水下信息网的基础。但水下声信道相对于无线电通信信道要复杂的多，其多途扩展引起的码间干扰是实现水声通信的一个重要障碍。基于此，本文研究了Pattern时延差编码(PDS)通信体制和时间反转镜(TRM)技术。 Pattern时延差编码通信体制属于脉位编码，信息调制在Pattern码出现在码元窗的时延差信息中，占空比小，可以节省系统功耗。PDS通信体制采用多种不同Pattern码波形来进行码元分割以抑制码间干扰；提出通过频率分割可实现Ⅳ通信信道同时工作以提高通信速率。为了克服大的多途扩展就要选取更多的Pattern码，但可选的种数是受限的。所以对于多途扩展大、更为复杂的水文环境，就要采用更为有效的办法。 时间反转镜处理将海洋信道自身视为匹配滤波器，具有时间压缩、空间聚焦特性，可以重组多径信号减小信道衰落。将时间反转镜技术应用于PDS水声通信体制，可以对接收的信号进行时间压缩，抑制多途扩展引起的码间干扰，使PDS通信体制实现更为简易。 本文提出单阵元被动式时间反转镜技术(PTRM)。单阵元PTRM既克服了主动式时反镜信号双向传输、效率低下且要求阵元收发合置的弊端，又克服了基阵处理对水下通信节点不适用的障碍。提出将单阵元被动式时反镜技术应用于PDS通信体制，构成单阵元被动式时反镜PDS通信系统(PTRM-PDS)。 通过计算机仿真及湖试验证，单阵元被动时间反转镜技术可以匹配于声信道，具有很好的鲁棒性，将其应用于PDS通信体制中，有效地消除了声信道多途扩展对Pattern波形的畸变，可以抑制码间干扰改善通信质量。单阵元PTRM-PDS技术对于水下信息网多节点组网通信，将具有一定实用价值。
参考文献：
[1]. 模型与数据结合的浅海时变水声信道估计与均衡[D]. 聂星阳. 浙江大学. 2014
[2]. 水声信道的多普勒处理及分集方法研究[D]. 王炜. 上海交通大学. 2011
[3]. 浅水起伏环境中模型—数据结合水声信道均衡技术[D]. 夏梦璐. 浙江大学. 2012
[4]. 基于条形码编码技术的水声通信技术[D]. 蔡卫旭. 华南理工大学. 2012
[5]. 水声通信信道射线模型的研究[D]. 周延. 西北工业大学. 2003
[6]. 基于跳频多脉冲的PPM抗多径水下通信系统研究[D]. 张华昱. 华南理工大学. 2014
[7]. 基于参量阵的MFSK水声通信关键技术研究[D]. 李伦. 电子科技大学. 2016
[8]. 基于因子图的水声通信均衡算法研究[D]. 任欢. 厦门大学. 2014
[9]. 浅海水声信道均衡算法研究[D]. 樊国勇. 华南理工大学. 2013
[10]. 时反镜Pattern时延差编码水声通信技术研究[D]. 殷敬伟. 哈尔滨工程大学. 2006
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