采用时反和时频差分OFDM的水声语音通信方法

针对水声信道多径、时变、多普勒等恶劣传输特点对水声语音通信的严重影响,本文采用多通道时间反转和时频差分OFDM进行水声语音通信技术方案设计,该方法首先通过多通道时间反转进行时间域和空间域多径聚焦,进而结合时频差分OFDM调制解调抑制残留多径的影响。由于无需采用信道估计和均衡算法,系统实现方便、复杂度低,同时对信道具有一定程度的稳健性。该方法语音压缩编码采用混合激励线性预测编码。仿真实验和海试实验表明了本文方案的有效性。     

用于单载波频域均衡水声通信的可分近似稀疏信道估计

针对单载波频域均衡水声通信中信道估计易受噪声干扰的问题,提出了一种低复杂度的信道估计方法。考虑水声信道的时域稀疏特性,导出频域输入、输出信号与信道冲激响应的关系式,并引入稀疏正则项,构造稀疏信道估计的目标函数。然后利用可分近似对目标函数进行迭代优化,再经过稀疏化与去偏处理,得到信道传递函数的最终估计。最后,利用数值仿真和海试数据对所提出方法的性能和运算效率进行评估。较之传统信道估计方法,所提出的方法在估计精度和计算复杂度方面具有一定的优势。      

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.     

联合重叠压缩感知法消除水声通信系统限幅噪声

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统的高峰值平均功率比(Peakto-Average Ratio,PAPR)问题,在发射端采用了压扩变换法和限幅法联合的方法降低PAPR。由于限幅法会产生带内干扰和带外噪声,降低通信系统的误码性能,因此利用限幅噪声的稀疏性,在接收端采用压缩感知(Compressed Sensing,CS)法对限幅噪声进行估计和恢复。限幅噪声的估计受信道估计准确性的影响,为提高限幅噪声估计的准确度,提出了重叠压缩感知算法,在恢复限幅噪声的过程中利用了压缩感知信道估计法估计所得的信道信息和发射数据对限幅噪声进行估计,有效降低了限幅法对系统误码性能的影响。仿真和水池实验验证了该算法的有效性。      

深海远程正交频分复用水声通信块间迭代稀疏信道估计方法

在深海远程正交频分复用(OFDM)水声通信中,信道时延长、频率选择性衰落严重,传统的块独立压缩感知稀疏估计需要较高导频插入密度才能保证一定的估计性能,通信频谱利用率较低。提出了一种基于信道稀疏时变建模的块间迭代信道估计方法,利用深海信道在两个相邻OFDM数据块之间的时间相关性建立块间信道稀疏多途结构的时变关系,在此基础上,对传统稀疏信道估计算法中的候选字典矩阵的字典原子进行删减并改进优化方程,实现了对前一数据块所估信道信息的有效利用,显著降低了信道估计所需的导频插入密度。在深海不同接收深度、不同距离条件下开展了海试验证,实验结果表明,与传统稀疏信道估计方法相比,本方法在导频插入密度减半的条件下可达到优于传统方法的估计性能。     

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。     

一种鲁棒性强的OFDM 水声通信系统*

为了在不同衰落水声信道下实现正交频分复用水声通信,该文提出了一种鲁棒性强的正交频分复用水声通信方案,方案包括编码调制、信道估计和多普勒估计等内容。为了使该系统更稳健,整个信道编码分为两个步骤。首先,循环冗余校验编码器和里德-所罗门编码器用于编码整个数据包,然后循环冗余校验编码器和Turbo 编码器用于编码每个数据帧,其中比特交织编码调制技术用来对抗信道的时变特性。为了得到水声信道估计,使用线性最小均方误差估计器来处理导频数据得到信道估计值。多普勒估计包括帧的多普勒估计和符号的多普勒估计。实验结果表明该系统在不同的衰落信道下都能实现正确的跟踪和译码,系统的鲁棒性能优越。此外,该系统算法计算简单,易于实现,具有良好的工程应用价值。     

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。     

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。     

水声通信中低码速率语音编码算法的研究

中远距离(>10 km)水声语音通信时,由于可利用带宽窄、复杂多变等不利因素对信息传输率的制约,语音编码速率应降到尽可能的低。利用水声信道传播时延大的特点,结合人耳听觉感知的特性,在深入研究混合激励线性预测编码(MELP)标准之后,提出一种语音编码速率可调节的变比特率语音编码算法。其平均码速率约600 bps,主观语音质量评估平均得分(PESQ MOS)约2.8分。对该编码算法性能进行了计算机仿真和海上实验验证。实验及仿真表明,在误码率不高于10-3时,本算法表现良好且稳定,合成语音清晰可懂,易于辨认说话人。      

基于高阶统计的水声信道盲辨识

本文给出了基于ARMA模型的水下通信系统模型,将一种基于三阶统计的算法应用到水声信道盲辨识领域,在不需要训练序列的条件下估计得到信道传输函数。与基于二阶统计特性方法相比,该算法具有较强的抗噪性,更适合信噪比低于12dB条件下水声信道的辨识。通过对水声信道盲辨识的计算机仿真,验证了该算法具有较高的辨识精度。     

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.     

The study of underwater acoustic communication technology based-on the acoustic vector sensor

Underwater acoustic (UWA) communication based on an acoustic vector sensor is studied. The method of joint weighted sound pressure and velocity processing is used in phase modulation high-speed UWA communication system combined with coherent demodulation and adaptive equalization algorithm to demodulate and decode. Whereas the sound intensity could be used instead of pressure for frequency decoding in frequency modulation UWA communication system. The results of theory analysis, simulation calculations and lake trials have shown that either in phase modulation or in frequency modulation UWA communication system, the processing gain can be evidently increased, so that the BER (bit error rate) can be effectively reduced and the telemetry distance can be enlarged by using the acoustic vector sensor.     

水声通信中后验符号概率密度分布及概率成形容量分析

考虑到实际水声信道复杂特性对水声通信的影响,对系统的通信容量进行计算分析,并研究了一种适用于水声信道的容量评估算法。文中通过对不同条件下的均衡器输出的后验符号特性进行统计分析,提出了一种基于后验高斯分布的符号方差分段转移函数模型。在此基础上,采用Maxwell-Boltzmann分布来改变均衡器输出符号的成形分布,即引入概率成形技术对实际的水声通信系统容量进行评估分析。最后通过对水池和湖试多径信道数据的处理,获得了不同调制方式下的通信容量。结果显示,在特定的信噪比区间内,概率成形技术比传统的等概率映射的容量提升最大可达0.5 bits/symbol。      

无边带信息的多输入多输出正交频分复用水声通信图样选择峰均比抑制算法

针对多输入多输出正交频分复用 图样选择 峰均比(peak-to-average-power-ratio PAPR)抑制算法需要传递边带信息的缺点, 提出了一种无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法. 该算法利用不同分布图样的梳状导频携带加扰相位序列选择信息, 结合浅海水声信道的稀疏特性在接收端对加扰图样进行自主区分, 实现了无边带信息的图样选择峰均比抑制.仿真和水池实验结果证实: 无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法可以在不损失PAPR抑制性能的前提下, 准确解算出传输相位序列选择信息、对抗突发噪声、实现无边带信息传输的可靠水声通信. 关键词： 水声通信 正交频分复用 峰均功率比 边带信息     

载人潜水器“蛟龙”号的水声通信信号处理

蛟龙号的水声通信机实现了世界上首次7000 m深度的潜器与母船间的图像、语音、数据和文字的水声通信传输。研究了适用于载人潜水器的水声通信信号处理。(1)它有4种通信功能:1)相干水声通信,传输速率为5~15 kbps,用于传输图像;2)非相干水声通信,传输速率300 bps,传输文字、指令和数据;3)扩频水声通信,传输速率16 bps,传输指令;4)水声语音通信,采用单边带调制技术传输语音。(2)相干水声通信信号处理方法主要是自适应多普勒补偿的多通道自优化判决反馈自适应均衡器,它与Turbo码级联工作,同时采用定长编码的小波图像压缩方法。(3)声呐线阵吊放至水中一定深度,实现空间分集合并技术。(4)太平洋水域试验表明,水声通信机的作用距离几乎覆盖了所有地球海洋的深度,7s或14s传输一幅光图或声图。      

最优路径搜索压缩感知水声通信信道估计

将信号恢复中最优路径搜索的A*正交匹配追踪(A*Orthogonal Matching Pursuit,A*OMP)伪贪婪算法引入到水声通信信道估计中,可以有效改善正交匹配追踪(OMP)算法容易陷入局部最优的问题,并提出了一种改进型的A*OMP水声信道估计算法。改进了路径初始化方式,同时为了避免过多迭代引起的未知误差,将前后两次迭代残差之差作为停止准则。在正交频分复用(OFDM)通信体制下,对OMP、A*OMP和本文改进方法的估计误差和误比特率进行了仿真对比,随着信噪比的增加,改进方法未出现误差平台,且受导频间隔影响较小。仿真结果表明相对于OMP算法和传统A*OMP算法,在高信噪比下改进方法的估计误差分别降低约2和1个数量级,海试数据结果验证了改进方法的可行性,其误比特率分别平均降低42.0%和4.7%。