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.     

水声通信技术综述

文章介绍了水声学中的基础研究领域水下声传播影响因素和研究进展,分析了海洋环境因素对水下声传播的影响机理,给出了不同类型海域以及不同季节的水下声传播特征。文章还列举了目前水下声传播研究的热点问题：水下三维声传播和复杂海洋环境下的水下声传播不确定性研究,并阐述了它在目标探测研究中的应用。最后文章着重讨论了水下声传播的重要应用之一——自适应匹配场处理技术。     

无线/水声通信浮标技术研究及其实现

本文研究并设计实现了一种用于浅海水声信道多速率通信的无线/水声通信(racom)浮标,介绍了其水声通信和无线通信技术方案和工程设计与实现。本文设计的浮标综合了水声通信、DSP信号处理和无线电通信等技术,也可以用作水声通信/传感网络中的无线/水声通信(racom)网关节点。海上试验验证了本浮标总体设计方案的可行性。海上试验中,浮标无线通信距离达到15.2 km,误码率不大于10 6;除2 kbps速率外,浮标各种速率的水声通信数据传输误码率都小于1%,最大通信作用距离达到9.6 km;同时,试验也验证了浮标与水下运动平台之间的通信功能。     

UMFSK水声通信技术研究

在MFSK基础上,本文提出了UMFSK信道编码方法。采用窄带调频和跳频调制技术,故在一定程度上抑制了由多途效应引起的码内/码间干扰;提出了基于UMFSK的实时信道标校技术,可对信道进行稳键均衡,抗信道多途引起的码内干扰。进行了湖试,取得了试验数据并进行了数据分析。分析表明：UMFSK可抑制码元相消干涉引起的码内干扰,其效果随码元调频带宽的增大而变好;信道标校技术可对信道进行稳键均衡,并由于结构简单,可做到实时实现。基于UMFSK的误码率为10^-3（通信带宽2kHz,速率100-150bps)。     

M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信

Pattern时延差编码水声通信体制利用信息码元的时延值调制信息,他的抗多途扩展干扰能力与码型种类及码型脉宽有关.扩频通信可获得扩频增益,可胜任远程水声通信,但其通信速率低是使用受限的重要原因.提出将扩频通信与Pattern时延差编码水声通信体制相结合,并采用M元扩频、多通道工作方式,构成一种新的适用于水声环境的通信方案,既可获得扩频通信的优良性能,又可提高通信速率.湖试结果验证了本文提出的M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信方案的鲁棒性及可行性.     

基于差分Pattern时延差编码和海豚whistles信号的仿生水声通信技术研究

为解决传统的隐蔽水声通信方法带来的通信性能降低问题, 提出了一种将差分 Pattern 时延差编码通信体制与海豚whistles信号相结合的仿生水声通信技术. 海豚whistles信号频带较窄且各信息码元间隔不等、码元之间互相关性较弱, 选取whistles信号作同步码和Pattern 码, 并以相邻whistles信号之间的时延差值携带信息. 这种仿生的水声通信信号不易被敌方探测、截获, 且差分Pattern时延差特殊的编码方式也不易使信息被破译, 因此该水声通信技术具有较强的隐蔽性和保密性, 且在抗码间干扰以及抗多普勒效应方面具有优异性能. 本文对系统进行了水池实验, 在信噪比为0 dB、存在相对运动时实现了通信速率为67 bit/s的低误码数据传输, 验证了系统的有效性、稳健性和隐蔽性. 关键词： 仿生水声通信 差分Pattern时延差编码 海豚whistles信号 隐蔽性     

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。     

基于水声传感器网络的多路径协同多跳通信研究

针对水声网络高误码、大时延的特点,借鉴提出了一种多路径协同多跳通信协议,该协议通过多路径、多节点的协同多跳中继通信以及冗余判决,来完成网络中端对端的远程数据传输。通过数值仿真试验分析表明:与普通的点对点直接通信和单路径多跳中继通信方式相比,此协议具有低误码、高能效的特点(距离与能量相同时,误码率低一至两数量级;限定误码率时,每比特能耗降低一个数量级),能够减少数据重发几率,提高网络的通信效率和工作寿命,特别适于水声传感器网络应用。     

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。     

极化编码调制正交频分复用水声通信中的极化码构造方法

为进一步提高水声通信可靠性和频带利用率,针对极化编码调制的水声通信需求和信道特性,基于蒙特卡洛法提出动态水声信道认知优化统计目标参数、联合译码的判决反馈信道估计两点改进,建立了适用于编码调制水声信道中的极化码构造算法。为验证该算法性能,建立了极化编码调制水声通信的两步应用机制。通过仿真,比对并分析改进前后的极化码构造方法性能、对时变信道的鲁棒性,以及在不同映射规则下的联合比特交织和多级编码的极化编码调制水声通信性能,并与低密度校验(LDPC)编码调制系统进行对比。湖试结果表明,提出的极化编码调制水声通信方案有效保证了信息在浅水水声信道中的可靠传输,在信噪比约为14 dB、通信距离约1 km时,实现无误码传输,性能优于相同条件下的LDPC编码调制系统。     

Experimental study in correlation variation of acoustic propagation channel in Philippine sea

I.IntroductionSonarsignalisoftcndistortcdbythcwcightingofthcacousticchanncl'stransfcrfunction.Inthiscase,therearetwosonarsignaIproccssingmcthodswhichcanbcuscdtodccrcascthedistortionofthcsignal.Oneisthcsclcctionofamorcto1crantsignalwithcorrcspondingsigna1proeessingmethod.Forexamp1e,astcpfrcqucncymodulatcdsignalwithpostintcgratcdpro-ccssingcanbeusedinthiscasc.Theanothcrisobtainingthcrcsponscfunctionofthcacousticchanne1andmatchingitwithamatehfiltCr.Bothofthcscmcthodsrcquirethcstudyofhme-frequen…     

对称三角线性调频水声通信信号的同步检测方法

同步捕获是水声通信中的重要环节。基于分数阶傅里叶变换(FRFT)可提高对称三角线性调频波(STLFM)的信号同步捕获精度。理论分析表明,对称三角线性调频波在同步窗口正确时,其分数阶傅里叶变换(FRFT)域上具有双尖峰对称性。利用FRFT域上两个尖峰的位置偏移可估计并矫正同步信号的多普勒频移与时间延迟,进而利用FRFT域上两个尖峰的峰值差可实现对同步跟踪环路的精细调整。水声传播仿真和五缘湾浅海信道测试结果表明,在相同时间带宽乘积情况下,所提同步方法的同步误差均值比线性调频(LFM)同步方法低1/3,同步误差均方误差上降低至1/5¹/10,具有更好的准确性和稳定性。     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法

为提高差分Pattern时延差编码水声通信方法的通信速率以及抗多途能力,使其能有效适用于冰下水声环境,提出了基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法,推导了Pattern码的参量发射原理,分析了参量阵发射对该方法性能的影响,利用参量阵发射产生低频宽带窄指向性声柬,减少了声线触碰上下边界的次数,提高了系统抗多途的能力。冰下水域外场试验结果表明:本方法可有效抑制多途效应,同时低频宽带特性提高了系统通信速率。     

周期性管柱信道的声波通信技术研究综述

井下声波通信技术利用周期性管柱信道实时传输声波数据,相比于其他通信方式,具有适应性好、复杂度低、传输效率高等优点,在随钻地质导向、油水井监测等方面有广阔的应用前景,是发展智能油田的关键技术之一。该文主要综述20世纪90年代以来关于周期性管柱信道物理模型、信道容量、声信号调制与接收方法等关键问题的研究历程和主要结论,并对通信系统的设计要点与国内外相关产品的现场应用进行梳理,为后续的技术改进提供依据。     

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。     

点对点移动水声通信技术研究

点对点移动水声通信是实现由活动和静止节点共同构成的水声数据通信网的关键技术之一. 对移动水声通信声信道特性进行了分析,指出不同途径到达的声线对应的多普勒频偏不一致,进一步加大了多途扩展产生的码间干扰的复杂性,不利于水声通信. 提出单阵元被动式相位共轭镜信道均衡技术,可实时自动补偿多普勒频偏,并聚焦多途信号. 将单阵元被动式相位共轭应用于Pattern时延差编码移动水声通信系统,进行了移动水声通信试验,湖试结果验证了其消除码间干扰性能及本文水声通信系统的鲁棒性. 关键词： 移动水声通信 被动式相位共轭镜 时变信道 码间干扰     

M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信

Pattern时延差编码水声通信体制利用信息码元的时延值调制信息，他的抗多途扩展干扰能力与码型种类及码型脉宽有关. 扩频通信可获得扩频增益，可胜任远程水声通信，但其通信速率低是使用受限的重要原因. 提出将扩频通信与Pattern时延差编码水声通信体制相结合，并采用M元扩频、多通道工作方式，构成一种新的适用于水声环境的通信方案，既可获得扩频通信的优良性能，又可提高通信速率. 湖试结果验证了本文提出的M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信方案的鲁棒性及可行性.     

Experimental demonstration of underwater acoustic communication using bionic signals

This paper applies dolphin whistles to covert underwater acoustic (UWA) communication and proposes a UWA communication scheme based on M-ary bionic signal coding. At the transmitter end, the scheme maps multiple information bits into a dolphin whistle through a signal selector. At the receiver end, passive time reversal mirror (PTRM) is used for channel equalization and source information is restored according to the decision of which whistle is transmitted. The scheme has high spread spectrum gain. The anti multi-path performance is greatly improved when using PTRM. Different from traditional covert UWA communication methods, this mimicked signal is unlikely to alert an adversary even in high SNRs because of its real existence in marine environment. A tank experiment is conducted for the scheme, at communication rate of 50 bit/s with SNR −5 dB user information is recovered at a very low bit error rate. The results of tank experiment demonstrate the feasibility of this covert UWA communication scheme.