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.     

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     

基于单矢量有源平均声强器的码分多址水声通信

基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.     

基于单矢量有源平均声强器的码分多址水声通信

基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.     

基于声矢量传感器的水声通信技术研究

基于声矢量传感器声压和振速联合加权处理可以提高空间处理增益的原理,将声矢量传感器应用于相位调制的高速水声通信中,并结合自适应均衡算法,研究了相干解调和解码的方法。基于声矢量传感器声强处理可以抵消各向同性干扰、提高信噪比的原理,研究了在频率调制的水声通信系统中,利用声强解码代替声压解码的方法。理论分析、仿真研究和湖上试验结果表明:利用声矢量传感器相对于声压传感器来说,可以提高解码处理增益,进而提高了水声通信系统的作用距离、降低误码率。     

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。     

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.     

水声正交频分复用系统载波偏移与脉冲干扰估计技术

载波频率偏移和脉冲干扰是水声通信系统中常见的干扰形式。为了提高系统的鲁棒性,消除这两种类型干扰的影响,提出利用空载波对载波频率偏移和脉冲干扰进行估计。空载波估计技术采用了分步优化和联合优化估计两种方法。分步优化估计首先利用重采样和空载波进行载波频率偏移估计,补偿后利用空载波对脉冲噪声进行消除。考虑到载波频率偏移和脉冲噪声估计时的相互影响特性,利用二者的联合估计得到优化解。仿真和水池实验结果表明,两种优化算法都取得了良好的效果;同时联合优化估计比分步优化估计得到更大的系统性能增益,在系统误比特率为10-2时,联合优化解得到了3dB左右的系统性能增益。通过对载波频率偏移和脉冲干扰的估计消除,大大提高了水声通信系统的鲁棒性。      

正交码元移位键控扩频水声通信

码元移位键控(CSK)作为一种广义的M元扩频技术被广泛应用于水声通信领域来克服扩频增益对通信速率的限制.为了获得更高的通信速率, 减少通道间干扰, 并充分利用 CSK的冗余信息, 本文提出联合利用码元相位信息的正交双通道CSK扩频水声通信技术.首先, 推导了正交CSK每符号积分输出的表达式; 然后, 研究了正交CSK的性能及与传统CSK和双通道CSK对比仿真的误码率; 最后, 通过实验验证了仿真对比的正确性. 实现了正交CSK在10⁴ bits, 4 kHz带宽下580.6 bps通信速率的有效传输. 通过公式推导、 仿真分析和实验研究, 得到正交CSK提供了优良的性能的结论. 关键词： 水声通信 扩频 正交 CSK     

基于多重信号分类法的一种声矢量阵方位估计算法

为了提高声矢量阵高分辨方位估计的性能,文中提出了一种矢量阵MUSIC方位估计算法.该算法先构造声矢量阵声压和振速组合输出的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和计算机仿真表明,文中算法比传统声矢量阵MUSIC方位估计算法有更好的双目标分辨能力和弱目标方位估计能力,湖试结果也表明文中算法有更好的目标方位估计性能.该算法基于矢量传感器声压和振速的相干性原理,充分利用声压振速组合指向性抗干扰能力,可以更好地抑制各向同性干扰,提高阵列的处理增益,从而有更好的方位估计性能.     

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.     

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.     

Chaotic direct sequence spread spectrum for secure underwater acoustic communication

Direct sequence spread spectrum (DSSS) has been widely used in underwater acoustic (UWA) communications. In DSSS communications, spreading sequence’s period and chip rate are important characteristic parameters. However, these characteristic parameters may be detected in hostile environments due to the periodic nature of spreading sequence and their well-known construction process. In this paper, a novel chaotic direct sequence spread spectrum (CD3S) method is proposed for secure UWA communications. In the CD3S communications, chaotic sequences acting as encryption keys are used to encrypt the phases of transmitted signals. Consequently, the application of chaotic sequences disguises these obvious characteristic parameters of spread spectrum (SS) signals. It is difficult for unauthorized users to detect or intercept CD3S signal without knowledge of corresponding chaotic sequences. Hence, CD3S signal has a lower probability of detection and interception. Moreover, CD3S can achieve similar bit error ratio (BER) performance compared with DSSS in actual UWA communications. Also, the receivers that are suitable for DSSS communication can also be applied to CD3S communication. Numerical simulations demonstrate its excellent performance and potential applications in confidential UWA communications.     

基于矢量传感器的频率估计算法在水声通信中的应用

本文给出了基于矢量传感器的ESPRIT频率估计算法，并将其应用于频率调制水声通信系统中。与声强频率估计算法相比，ESPRIT频率估计可在小样本的情况下，获得高精度的频率估计。仿真和湖试结果表明，基于矢量传感器的ESPRIT频率估计算法可以提高通信速率并降低对通信系统的带宽要求。本算法对信噪比的要求较高，目前看，较适用于近程高速水声通信。     

基于矢量传感器的水下双址接入研究

针对水声信道的特殊性,提出一种适用于水声通信的双址接入方法。旋转矢量传感器的组合指向性,使其零点对准某一信源,则该信源被屏蔽,此时信宿可以与另一信源进行通信,反之亦然。矢量传感器的空间指向性不随频率变化,该方法可以实现宽带双址异步通信。此外,当两信源之间的开角大于34.8°时,通过对矢量传感器声压和振速输出的联合处理,可以使分离出的不同信源所发射的信号获得一定的信噪比增益。理论分析、数值仿真和湖上实验结果表明:基于矢量传感器的双址通信算法实现简单,信道资源利用率高,可以与其它多址接入技术结合使用,并且矢量传感器的空间增益可以有效降低系统的误码率。由于水声信道的特殊性,水下信息网须采用多种多址接入技术,本文所提出的双址通信方案将是其它多址接入技术的有益补充。      

Spatial diversity and combination technology using amplitude and phase weighting method for phase-coherent underwater acoustic communications

The UWA channel is characterized as a time-dispersive rapidly fading channel,which in addition exhibits Doppler instabilities and limited bandwidth. To eliminate intersymbol interference caused by multipath propagation, spatial diversity equalization is the main technical means. The paper combines the passive phase conjugation and spatial processing to maximize the output array gain. It uses signal-to-noise-plus-interference to evaluate the quality of signals received at different channels. The amplitude of signal is weighted using Sigmoid function. Second order PLL can trace the phase variation caused by channel, so the signal can be accumulated in the same phase. The signals received at different channels need to be normalized. It adopts fractional-decision feedback diversity equalizer(FDFDE) and achieves diversity equalization by using different channel weighted coefficients. The simulation and lake trial data processing results show that, the optimized diversity receiving equalization algorithm can improve communication system's ability in tracking the change of underwater acoustic channel,offset the impact of multipath and noise and improve the performance of communication system.The performance of the communication receiving system is better than that of the equal gain combination. At the same time, the bit error rate(BER) reduces 1.8%.