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。     

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。     

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。      

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。      

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。     

混合稀疏水声信道的动态区分性压缩感知估计

由于水声传播过程中同时存在声信号直达、静态或动态边界反射的现象,水声信道会呈现不同动态特性的多径,形成具有混合稀疏的结构,即多径由静态或相对缓变的平稳多径分量和快速时变的动态多径分量混合组成。对于混合稀疏信道,经典的稀疏信道估计算法未考虑混合稀疏性,将导致算法失配、性能下降;以时变稀疏集为模型,动态压缩感知(DCS)结合卡尔曼滤波(KF-CS)可提高对时变多径分量的估计精度,但KF对静态稀疏分量的估计无法充分挖掘其稀疏性。通过将混合稀疏水声信道建模为由静态和时变支撑集所组成的稀疏集,提出一种动态区分性压缩感知(DDCS)方法。该算法首先结合同步正交匹配追踪(SOMP)和正交匹配追踪(OMP)将混合稀疏多径进行区分,分解为静态分量和时变分量;然后,分别用KF-CS和同步正交匹配追踪算法估计时变和静态多径的幅度;最后,将静态分量和时变分量的估计结果整合以得到整个水声信道的冲激响应。通过海试实验把所提DDCS算法与经典信道估计算法、压缩感知算法和DCS算法进行了比较,验证了所提算法的有效性。结果表明,对混合稀疏水声信道进行区分性稀疏估计可改善信道估计性能,进而可通过信道估计均衡器提升水声通信质量。      

基于扩频码的单载波迭代频域均衡水声通信

单载波时域均衡在长时延扩展水声信道中计算量大,并对接收机参数的选择较为敏感,可靠性低,而正交频分复用信号峰均功率比高、对频率偏移敏感. 针对这些问题,提出基于扩频码的单载波块传输高速率水声通信方法和基于T/4分数间隔迭代频域均衡的接收机算法. 该接收机利用已知扩频码进行信道估计以及对由多普勒偏移引起的旋转相位进行估计,并通过一种低复杂度迭代频域均衡算法改善系统性能. 开展了湖上实验研究,结果表明在浅水1.8 km距离且复杂多径干扰条件下,利用BPSK/QPSK调制可实现10^-2–10^-4的误码率并达到1500–3000 bit/s的有效数据率. 关键词： 水声通信 单载波 频域均衡 迭代处理     

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.     

稀疏信道条件下正交多载波扩频水声通信无导频信道估计算法

提出了一种无导频信道估计算法,该算法首先利用水声信道的稀疏特性对扩频信号进行识别,再利用扩频信号识别结果对水声信道响应进行判决反馈估计,从而实现对稀疏水声信道响应的可靠重建。仿真和湖上试验结果证实:无导频信道估计算法可以在不降低通信质量的前提下,实现对水声通信信号的稳健均衡,提升水声通信速率。      

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.     

单载波频域均衡中的水声信道频域响应与噪声估计

本文对单载波频域均衡(SC-FDE)中的信道和噪声估计进行研究,理论分析了形成误码率平台的可能原因,提出了基于Chu序列的联合信道时频域响应和噪声功率估计算法.利用水声信道响应的稀疏特性和门限确定信道能量集中区域,进行信道估计的去噪处理和噪声功率计算.借助于水声射线模型对所提出的算法进行了仿真,分析了噪声估计对SC-FDE性能的重要影响.仿真结果表明,所提出的信道和噪声估计算法可以有效减缓或消除SC-FDE中的误码率平台.     

基于多途信道的舰船辐射噪声功率谱密度估计*

针对低信噪比下利用单水听器估计辐射噪声功率谱密度精度较差的问题,提出一种基于多途信道传输函数估计的垂直阵测量估计1 m处舰船辐射噪声功率谱密度的方法。该方法将信道传输函数表示为多途路径近场阵列流形向量的叠加,较快地估计了信道传输函数,将其用于舰船辐射噪声功率谱密度估计,可较简便地估计距声中心1 m处辐射噪声的功率谱密度,即谱源级。分析了产生功率谱密度估计误差的原因,包括信道估计误差和环境噪声引起的误差,为降低估计误差提供了理论依据。仿真结果表明,该方法估计1 m处辐射噪声功率谱密度的性能良好。     

一种改进的DVB-T信道估计算法

针对传统DVB-T系统信道估计算法估计精度低或复杂度高的问题，为了提高信道估计算法整体性能，提出了一种改进的DVB-T信道估计算法。该算法首先采用最小二乘法估计离散导频处频率响应估计值；进而，利用连续导频对信噪比进行估计；最后，将得到的信噪比估计值与预先设定的信噪比阈值进行比较，若估计值小于阈值，则先经过卡尔曼滤波处理，再在时频二维方向上用高斯插值得到全部子载波的频率响应值，否则直接在时域和频域上进行插值。此方法在信道条件较好时关闭卡尔曼滤波过程，从而有效减少滤波次数，提高算法整体运行速度。仿真结果表明，该方法能有效提高系统整体性能，减少在噪声影响较大时的干扰，同时也兼顾了算法整体运行速度。     

Adaptive RAKE receiver in chaos based pilot-added DS-CDMA system

This paper presents the theoretical analysis of adaptive multiuser RAKE receiver scheme in frequency selective fading channel for direct-sequence code division multiple access (DS-CDMA) system. Least mean square (LMS) algorithm is used to estimate the channel coefficients. Chaotic sequences are used as spreading sequence and corresponding bit error rate (BER) in closed form is derived for imperfect channel estimation conditions. Performances of chaotic sequences are compared with pseudorandom noise (PN) sequences. Under perfect synchronization assumption, various simulation results are shown to investigate the performance of the proposed system.     

Covert underwater acoustic communications

Low probability of detection (LPD) communications are conducted at a low received signal-to-noise ratio (SNR) to deter eavesdroppers to sense the presence of the transmitted signal. Successful detection at intended receiver heavily relies on the processing gain achieved by employing the direct-sequence spread-spectrum (DSSS) technique. For scenarios that lack a sufficiently low SNR to maintain LPD, another metric, referred to as low probability of interception (LPI), is of interest to protect the privacy of the transmitted information. If covert communications take place in underwater acoustic (UWA) environments, then additional challenges are present. The time-varying nature of the UWA channel prevents the employment of a long spreading waveform. Furthermore, UWA environments are frequency-selective channels with long memory, which imposes challenges to the design of the spreading waveform. In this paper, a covert UWA communication system that adopts the DSSS technique and a coherent RAKE receiver is investigated. Emphasis is placed on the design of a spreading waveform that not only accounts for the transceiver structure and frequency-selective nature of the UWA channel, but also possesses a superior LPI. The proposed techniques are evaluated using both simulated and SPACE'08 in-water experimental data.     

Joint fast time-varying channel estimation with noise elimination and ICI cancellation for LTE-V2X systems

Vehicle-to-everything (V2X) communication is essential for intelligent transportation systems (ITS) and critical technology to ensure traffic safety. Aiming at the problems of noise interference, time-varying, and inter-carrier interference (ICI) in the LTE-V2X channel, a joint fast time-varying channel estimation with noise elimination and ICI cancellation is proposed in this paper. Firstly, using the autocorrelation characteristics of the Zadoff Chu (ZC) pilot sequence, a modified discrete Fourier transform (M-DFT) channel estimation algorithm is proposed to eliminate the noise in cyclic prefix (CP). Secondly, a joint iterative direct decision (IDD) and time-varying channel fitting (CF), called IDD-CF channel estimation algorithm, is proposed to track the rapid changes of channels on different symbols and eliminate ICI. The system simulation results show that the proposed joint fast time-varying channel estimation algorithm can effectively eliminate the noise and ICI, improve the performance of channel estimation, and have better robustness under different Doppler frequency shifts than the representative channel estimation algorithm.     

无线多径信道中基于时间反演的物理层安全传输机制

宽带无线通信用户大多处在复杂的环境中,其时变多径传播和开放特性将严重影响通信系统的性能.针对物理层安全研究中的窃听信道问题,提出了一种适用于宽带无线多径信道的联合时间反演技术和发端人工噪声的物理层安全传输机制.首先,在一个典型窃听信道模型中采用时间反演技术,利用其时空聚焦性来提高信息在传输过程中的安全性;其次,由于时间反演的时空聚焦性,信息在聚焦点附近容易被窃听,通过在发送端加入人工噪声来扰乱窃听用户对保密信息的窃听,由于合法用户采用零空间人工噪声法,人工噪声对合法用户没有影响.理论分析和仿真结果表明,与已有物理层安全机制相比,所提机制可以有效地提高系统的保密信干噪比和可达保密速率,降低合法用户的误比特率,系统的保密性能得到提升.     

一种改进的非整数自适应时延估计方法*

针对基于时延估计的机电设备故障声定位中的低信噪比和脉冲噪声情况,用α稳定分布建模噪声,改进了非整数自适应时延估计方法。共变相关法对观测序列进行时延估计粗测,将得到的估计值作为非整数自适应时延估计器的初值;将共变相关法中共变序列作为时延估计器的输入信号,在最小平均p范数准则下迭代得到非整数时延估计值。共变序列保留了原始序列间的时延信息,削弱了不相关的噪声。计算机仿真对比实验验证了改进的方法在脉冲环境和低信噪比条件下有更好的性能。     

Target detection for low cost uncooled MWIR cameras based on empirical mode decomposition

In this work, a novel method for detecting low intensity fast moving objects with low cost Medium Wavelength Infrared (MWIR) cameras is proposed. The method is based on background subtraction in a video sequence obtained with a low density Focal Plane Array (FPA) of the newly available uncooled lead selenide (PbSe) detectors. Thermal instability along with the lack of specific electronics and mechanical devices for canceling the effect of distortion make background image identification very difficult. As a result, the identification of targets is performed in low signal to noise ratio (SNR) conditions, which may considerably restrict the sensitivity of the detection algorithm. These problems are addressed in this work by means of a new technique based on the empirical mode decomposition, which accomplishes drift estimation and target detection. Given that background estimation is the most important stage for detecting, a previous denoising step enabling a better drift estimation is designed. Comparisons are conducted against a denoising technique based on the wavelet transform and also with traditional drift estimation methods such as Kalman filtering and running average. The results reported by the simulations show that the proposed scheme has superior performance.     

Statistical-mechanical analysis of multiuser channel capacity with imperfect channel state information

In this paper, the effect of imperfect channel state information at the receiver, which is caused by noise and other interference, on the multi-access channel capacity is analysed through a statistical-mechanical approach. Replica analyses focus on analytically studying how the minimum mean square error （MMSE） channel estimation error appears in a multiuser channel capacity formula. And the relevant mathematical expressions are derived. At the same time, numerical simulation results are demonstrated to validate the Replica analyses. The simulation results show how the system parameters, such as channel estimation error, system load and signal-to-noise ratio, affect the channel capacity.