时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

本文研究了时变信道条件下采用被动时间反转的直接序列扩频水声通信方案。多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对被动时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合应用稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明：本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。     

正交频分复用无源时间反转信道均衡方法研究

针对水声信道多途信号引起的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统符号间干扰的问题,提出了无源时间反转均衡的方法,将发送的探测信号时间反转与OFDM信号做卷积,利用无源时间反转镜的时间聚焦原理减小信道多途带来的符号间干扰,在OFDM符号中不使用导频的情况下实现信道均衡,简化了均衡步骤并提高了OFDM符号频带利用率。分析比较了无源时反均衡方法与最小平方信道均衡在水声多途信道下的误码性能。仿真研究和湖上实验表明,无源时反信道均衡算法可以有效的减小多途信道对OFDM水声通信系统带来的影响。      

正交频分复用无源时间反转信道均衡方法研究

针对水声信道多途信号引起的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统符号间干扰的问题,提出了无源时间反转均衡的方法,将发送的探测信号时间反转与OFDM信号做卷积,利用无源时间反转镜的时间聚焦原理减小信道多途带来的符号间干扰,在OFDM符号中不使用导频的情况下实现信道均衡,简化了均衡步骤并提高了OFDM符号频带利用率。分析比较了无源时反均衡方法与最小平方信道均衡在水声多途信道下的误码性能。仿真研究和湖上实验表明,无源时反信道均衡算法可以有效的减小多途信道对OFDM水声通信系统带来的影响。     

一种基于DFT时域插值的OFDM水声信道估计改进方法

信道估计作为OFDM通信系统中的重要部分,其性能关系到整个系统的误比特率。本文提出了一种基于DFT时域插值的信道估计改进方法,用于OFDM水声通信系统。该方法利用噪声门限抑制多径之间的信道估计噪声,计算简单,达到较好的信道估计效果。对该方法进行了理论分析,仿真实验以及海试。在海试中得到传输距离2km,有效数据率2.8kbit/s,证明该方法可以用于中短程浅海水声通信。     

水下数字语音通信系统的研究和实现

将相干水声通信技术和混合码激励线形预测语音编码技术相结合进行了研究,设计并实现了一个可应用于浅海水声信道的实时数字语音通信系统.系统针对语音编码数据的特点,根据语音数据对恢复话音重要程度的不同,采用分层的信道编码以减少总体冗余度提高系统传输效率,采用鲁棒的语音帧同步机制、引入缓存机制保证语音数据流的连续性以提高系统整体性能;采用基于信道估计的内嵌二阶锁相环分数间隔判决反馈均衡器以对抗水声信道多径的影响.对该系统进行的海试在6 km和11 km距离上成功地实现了较高质量(可分辨出不同说话人)的实时水下语音通信,海试结果表明该系统可以应用于半双工实时水下数字语音通信.     

多频带水声信道的时频联合稀疏估计

多频带水声信道多径结构在相邻数据块和不同子频带存在相关性,从分布式压缩感知的角度可对这种时频联合稀疏特性进行利用。但是,在传统联合稀疏模型下水声信道间存在的不同多径时延部分形成差异支撑集,由此引入的干扰导致估计性能下降,提出利用多路径选择机制进行差异支撑集检测;同时,进一步结合频域子频带信道间、时域相邻数据块信道间存在的相关性进行频带-时间域联合稀疏估计.利用数值仿真及海试实验结果进行了性能验证和比较,表明利用时频联合稀疏估计构造的水声通信接收机改善了匹配性能,可获得较为明显的输出信噪比、误比特率等通信性能提升.从而说明:利用多频带水声信道在时域、频域存在的联合相关性可有效提高信道估计性能。      

基于时间反转扩频的隐蔽水声通信方法

针对低信噪比条件下水下小尺度平台与通信浮标间进行隐蔽水声通信时,强多径干扰导致通信困难的问题,提出了一种基于时间反转技术的直接序列扩频隐蔽通信方法。该方法利用多通道主/被动时间反转的空时聚焦效应,提高了低信噪比条件下直接序列扩频通信的抗多径干扰能力,并且具有良好的低检测概率通信能力。仿真和水池实验结果表明:该方法满足水下小尺度平台处理结构简单、低功耗的要求,实现了水下单阵元平台与通信浮标之间的双向隐蔽通信。     

MFSK浅海远程通信多径抑制的频率分组编码方法

多频移键控调制技术（MFSK）对信道衰落有良好的适应性，是远程水声通信的重要技术。但是，用于浅海远程水声通信时，由于多径传播的影响，导致严重的码间干扰（ISI），使得远程微弱信号的频率估计产生较大偏差，误码率显著增加。本文针对远程水下信道和MFSK调制的特点，提出了一种新的频率分组编码（FGC）方法。该方法改变了传统MFSK的数据帧格式，相邻符号采用不同组的频率进行编码映射，有效抑制了多径干扰。在深入研究新方法统计特性的基础上进行了湖试验证，结果表明，采用FGC新方法的通信系统，多径抑制有效，性能稳健，更适合于80-100km水声远程通信。     

基于循环前缀相关性的水声OFDM信号调制识别

为解决非合作通信系统中水声OFDM信号的类型识别,本文研究水声OFDM通信信号与常见单载波水声数字通信信号(MPSK,MFSK)之间的调制识别问题。考虑到水声信道复杂传播特性对循环前缀相关性的影响,本文通过截取信号前后片段并迭代搜索双相关峰进行无需先验知识的水声OFDM通信信号特征参数提取,在此基础上设计了一种基于模糊系统的水声OFDM通信信号识别器。对不同信道条件下海上实录信号数据的识别实验结果表明了本文方法的有效性。     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。      

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

虚拟时间反转镜啁啾率键控的水声多用户通信

针对频率选择性衰落严重的浅海信道多用户通信问题,提出了一种虚拟时间反转镜(VTRM,Virtual Time Reversal Mirror)啁啾率键控(CRK,Chirp-Rate Keying)的水声多用户通信方式。该算法采用啁啾信号作为载波,接收端利用啁啾信号中心频率与分数阶傅里叶变换域的关系还原出原始信息,并使用虚拟时间反转镜技术减少了多径环境对系统的影响,采用啁啾调频率分集作为多址接入方式。在10 kHz的带宽内,可支持4个用户进行可靠通信,每用户通信速率425 bps。水池及海洋实验结果表明:该算法能够有效地传输数据,并且误码率在10~(-3)数量级以下。     

虚拟时间反转镜啁啾率键控的水声多用户通信

针对频率选择性衰落严重的浅海信道多用户通信问题,提出了一种虚拟时间反转镜(VTRM,Virtual Time Reversal Mirror)啁啾率键控(CRK,Chirp-Rate Keying)的水声多用户通信方式。该算法采用啁啾信号作为载波,接收端利用啁啾信号中心频率与分数阶傅里叶变换域的关系还原出原始信息,并使用虚拟时间反转镜技术减少了多径环境对系统的影响,采用啁啾调频率分集作为多址接入方式。在10 kHz的带宽内,可支持4个用户进行可靠通信,每用户通信速率425 bps。水池及海洋实验结果表明:该算法能够有效地传输数据,并且误码率在10-3数量级以下。      

基于循环前缀相关性的水声OFDM信号调制识别方法*

本文研究水声OFDM通信信号与常见单载波水声数字通信信号(MPSK,MFSK)之间的调制识别问题。考虑到水声信道复杂传播特性对循环前缀相关性的影响,本文通过截取信号前后片段并迭代搜索双相关峰进行无需先验知识的水声OFDM通信信号特征参数提取,在此基础上设计了一种基于模糊系统的水声OFDM通信信号识别器。对不同信道条件下海上实录信号数据的识别实验结果表明了本文方法的有效性。     

Pattern时延差编码四信道水声通信技术研究

本文所研究的是基于Pattern时延差编码（PDS）体制下的水声通信技术.PDS水声编码体制利用Pattern码片出现在码元窗的时延差值进行时延编码,通过码元分割,有效的降低了水声信道的多途干扰;通过频率分割划分四个通信信道,增加通信速率至1000bit/s.在接收端利用带通滤波器来实现通信信道分割,每个信道再应用拷贝相关器实现码元分割并估计出时延差值,完成译码.仿真实验表明,该系统适合于大量不同水声信道高可靠性工作,为水声通信网络化打下坚实基础.     

基于多径分集的啁啾扩频正交频分复用水声通信系统

针对传统正交频分复用系统在具有复杂多途和深度频率选择性衰落特点的水声信道中性能下降的问题,提出了啁啾扩频正交频分复用水声通信方案.该方案对原信息码扩频,子载波变为相同调频斜率、不同中心频率、频带相互重叠的正交啁啾信号.经过水声相干多途信道后在接收端解扩,使多个途径信号在频域上拓展,多径信号彼此分离.结合虚拟时间反转镜技术,聚焦多途信道能量,完成信道多径分集接收,不仅可以抑制频率选择性衰落的影响,还充分利用信道多径分集增益提高系统性能.通过仿真研究和湖试验证,表明该方案具有较好的有效性和可靠性.     

时间反转法在水下通信中的应用

将时间反转法应用于水下扩频编码通信,在分析水下波导中时间反转自适应聚焦特性的基础上,研究了时间反转法克服多径效应对编码信号造成的波形畸变,采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)编码方式,选取7位巴克码(Barker code) 作为扩频编码信号的码型,在实验水槽内进行了时间反转法用于水下通信的实验研究并进行了相应的理论分析。理论和实验证明了时间反转法能获得聚焦增益并提高编码信号相关解码时的主副瓣比,因此时间反转法应用于水下编码通信时,可望降低误码率和提高水下通信距离。     

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

时变水声信道的动态压缩感知估计

水声多径信道具有的稀疏特性已被应用于设计稀疏估计方法提高信道估计性能。然而,水声信道具有的快速时变特性,给传统稀疏信道估计方法带来了很大的困难。考虑到水声信道除了高时变性多径,还存在着相对静止,缓慢变化的直达径或者海底反射径,通过将水声信道建模为由静态和时变稀疏支撑集组成,把时变水声信道估计转化为动态压缩感知问题。结合卡尔曼滤波和压缩感知理论,并采用原始对偶追踪算法求解Dantzig selector模型,从而实现对复数域基于卡尔曼滤波器的压缩感知稀疏求解问题的处理。信道时变条件下的数值仿真及基于信道估计的判决反馈均衡器的海上实验结果表明,该算法相对经典的正交匹配追踪和最小二乘QR分解算法具有较明显的性能改善。从而说明,通过对时变水声信道进行动态压缩感知估计可有效提高估计性能。