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.     

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。      

基于水声信道传播时延排序的分层空时信号检测

基于分层空时编码的多输入多输出技术是一种极具潜力的高速水声通信技术, 但要实现这种潜力需要复杂的空时信号处理方法, 以抵消来自水声信道的多径干扰和异步到达干扰, 以及叠加在接收端的各层信号之间的干扰. 对低复杂度的空时信号处理方案进行了研究, 提出了一种基于子信道传播时延排序的有序连续干扰抵消信号检测算法, 利用子信道间的传播时延差, 实现可使差错概率最小的最佳检测排序; 给出了利用信道估计, 以极低的计算量确定排序的方法, 从而可以大幅降低信号检测的计算复杂度. 采用低复杂度的单载波频域均衡来抵消水声信道中的码间干扰和异步到达干扰. 仿真结果表明, 基于时延排序的信号处理算法可以获得检测性能的改善, 而且性能增益在高数据率时更加显著. 研究结果表明, 采用有效的信号处理方法可使水声信道中造成信号检测干扰的传播时延成为改善系统性能的有利因素.     

字典奇异值分解加权压缩感知多径信号参数估计

为提高水声信道多径参数估计的分辨率,提出了一种基于字典奇异值分解的加权压缩感知算法。对于有源声呐,根据发射信号构造字典,对字典进行奇异值分解,利用大特征值对应的特征向量构造信号子空间,然后使用信号子空间对接收信号进行滤波。对滤波结果进行加权压缩感知参数估计,得出最终时延估计结果。仿真实验表明,所提方法能够对水声多径参数进行超分辨估计,适用于任何脉冲信号。湖试处理结果显示,混响背景下该方法也有较好的多径参数估计性能,能够降低接收数据的噪声成分,提高对水声信道的多径时延、个数和幅度的估计精度。      

相干水声通信幅相加权空间分集均衡算法

水声信道的典型特点为多普勒频移严重、可利用带宽窄以及强多径干扰。空间分集均衡技术是相干水声通信中克服信道多径干扰,消除码间干扰的一种有效手段。为了极大化地输出阵增益,结合无源相位共轭方法和多通道均衡算法,本文设计了组合信噪干比的全新信道评价方法。利用改进的Sigmoid函数对各通道接收信号的幅度进行加权处理;采用二阶锁相环跟踪各通道信号的相位变化,实现各通道信号同相累加。将各通道低通滤波后的信号能量归一化,采用了分数阶-判决反馈分集均衡器,加入各通道权重系数实现了水声通信系统的分集均衡接收。仿真结果和湖试数据处理结果均表明,优化的幅相加权分集均衡接收算法能抵消多径和噪声的干扰,性能优于等增益合并接收算法。湖试数据处理结果误码率降低了1.8%。      

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。     

最大似然参数估计水声通信帧同步技术研究

水声通信中传统帧同步方法仅仅依赖于匹配滤波输出的相关系数,在复杂信道条件下,容易出现误触发和漏同步。针对这一问题,分析了水声信道中噪声、多普勒和多径对帧同步的影响,提出了一种基于参数估计的帧同步方法.在同步过程中引入参数估计,将信号参数作为检测判决依据,以降低误触发率和漏检率;同时对最大似然估计算法进行适当简化,以降低实现复杂度。计算机仿真实验验证了新的帧同步方法相对于传统方法在定时精度和相关系数方面的优势。实际水声通信实验结果表明,无论是静止平台还是移动平台之间的通信,新的帧同步方法均能有效提高匹配滤波器输出的相关系数,提升接收机检测能力,从而避免出现误触发和漏同步。      

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。     

正交频分复用在水声通信中频率同步的研究

正交频分复用（OFDM）通信系统对频率偏移比较敏感，容易导致系统性能急剧下降。水声通信中存在着严重的多普勒频率偏移，限制了OFDM技术在水下的应用。本文仿真分析了频率偏移对OFDM系统的性能影响，提出了一种适用于水声通信的频率同步方法。本方法不仅可以对固定的频率偏移进行估计，也可以对连续变化的频率偏移进行估计。仿真表明，本方法具有较高的频偏估计精度和大的频偏估计范围。湖试结果也表明，采用这种方法可有效地进行频偏估计。     

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。     

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。     

基于正交频分复用的水声通信中克服频率偏移影响的方法

OFDM(正交频分复用)是一种适合于在频率选择性衰落信道中进行高速传输的技术。水下信 道中存在着严重的多普勒频率偏移,限制了这种技术在水下的应用。本文分析了频率偏移对OFDM 系统性能的影响,提出了利用循环前缀补偿频率偏移引起的相位偏移方法来克服频偏的影响。试验 证明了这种方法的有效性。     

可重编程正交频分复用水声调制解调技术进展*

随着海洋探索和军事应用的迫切需求,水声通信需要向高数据率、高可靠性方向发展。正交频分复用技术被视为水声高速通信的新途径,并被成功应用于水声通信,在水声通信中展现了其优越性。高度灵活的自适应平台的发展,激发了可重编程水声调制解调器的发展,以适应不同实验/应用场景的需求。文中从带宽、调制方案、数据率、传输距离、误码率方面,介绍了国内外研究机构对可重编程正交频分复用水声调制解调器研究的进展,并对其中的技术进行概述。最后对可重编程正交频分复用水声调制解调器进行了展望。认为可重编程正交频分复用水声调制解调器需要的是分块接收处理的自适应实时扩展平台,同时也坚信水声网络的发展和需求必将推动智能水声通信的发展。     

水声正交频分复用异步多用户接入方法

水声信道传播时延大导致水声通信网中上行用户同步困难,因此需要接收端具备异步多用户检测能力。针对水声正交频分复用(OFDM)异步多用户系统提出一种基于滑动迭代的异步多用户接入方法,包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、以及干扰重构5个处理模块,并通过滑动迭代结构同时消除前向干扰和后向干扰影响。仿真结果表明,所提方法在不同异步到达时延,以及有、无信道估计误差下的误比特率均明显低于逐块解调异步接收算法。水池实验结果表明,滑动迭代异步接收算法在多径扩展18 ms、异步到达时延大于或等于循环前缀1.5倍时实现了两用户异步接入的可靠通信。      

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。      

一种线性调频扩频水声通信的新同步方法

针对高速运动过程中的水声通信,提出一种新型稳健的同步方法。该方法充分利用线性调频（LFM）信号的自相关特性及LFM扩频水声通信解调原理。湖试结果表明该方法简单有效,能够消除同步误差累积。利用湖试数据进行的仿真结果表明:该方法在常速及变速运动情况下均有效;在水下24m/s高速运动、时变多途干扰、带内接收信噪比低于0dB时,数据率可达为100bit/s,误码率保持在10^-4左右。     

变步长似p范数约束稀疏水声信道估计方法

针对范数约束类归一化最小均方(NLMS)算法在正交频分复用(OFDM)稀疏水声信道估计中误码率较高的问题,提出一种改进的变步长似p范数约束信道估计方法。采用改进双Logistic函数构造步长,并将误差信号自相关函数引入其中,实时调整步长和零吸引项,使得收敛速度和估计精度能够很好地折中。算法仿真结果表明,在浅海多径稀疏水声信道下,相比于传统方法,所提出的信道估计获得的最高性能提升为收敛速度提高72.3%,稳态误差降低95.9%。湖上试验数据处理结果显示,相比于传统信道估计方法,所提出的方法能使通信误码率降低2~3个数量级,实现零误码水声通信。      

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。