水声跳频通信系统的设计与实现

本文以工程需求开展水声跳频通信的研究,针对复杂信道特点提出一套适合于多途环境下的水声跳频通信方法,并构建了通信系统。开发数字信号处理算法,在水池实验条件下,实现了跳频编码信号的解调,恢复出基带通信信息。     

一种基于形态学预处理的时频检测算法

为克服短波信道中噪声和干扰对跳频检测的不利影响,对其时频分布特征进行分析,提出了一种把时频图作为二维图像进行形态学预处理的时频检测新算法。并采用复合信息熵进行了性能评估和仿真分析。仿真结果表明,在复杂的短波信道环境下,算法能有效抑制噪声和干扰信号,实现对跳频信号的检测。     

用于水声相干通信系统的联合迭代均衡和译码算法

采用串行级联网格编码调制(SCTCM)技术,高效利用带宽受限的水声信道带宽.同时,为了克服水声信道时变多途衰落,消除码间干扰,运用Turbo迭代原理构建多通道自适应均衡器和SCTCM译码器联合迭代算法.在联合迭代均衡和译码(JIED)算法中,均衡器和译码器通过迭代的方式,交换数据符号的软信息来改善均衡器的性能,从而实现高速、可靠的数据传输.计算机仿真结果表明,使用上述体制的水声通信系统,在高效利用水声信道带宽的同时,利用译码器提供的译码增益,提高了均衡器的数据处理能力,通信系统接收数据的误码率降低了两个数量级.     

两种水声信道模型中信噪比估计算法

文章研究了水声信道模型和深海垂直信道的信噪比估计的理论和算法,提出了浅海多径信道模型下的信噪比估计算法.利用接收信号对两种水声信道模型下常用数字调制信号和水声跳频信号的信噪比进行估计,用湖测信道对算法进行了仿真.仿真结果表明在实际信噪比为-10～10 dB时,两种信噪比估计算法的结果均良好,估计的均值和实际信噪比的误差均小于1 dB,算法适应性强,性能稳定.浅海多径信道中算法的估计性能不受多径数目的影响,其估计结果略差于深海垂直信道中的估计结果.     

单矢量时反自适应多通道误差反馈DFE均衡技术

复杂的海洋环境噪声和水声信道多途效应导致误差反馈DFE均衡器在水声通信中的均衡性能受到严重的限制。针对此问题,本文利用信号矢量场和噪声矢量场的相干性差异和矢量水听器振速通道具有偶极子指向性的物理特性,建立单矢量自适应多通道误差反馈DFE均衡器进行抗噪声;利用时间反转镜的空—时聚焦特性进行抑制信道多途干扰。仿真实验和外场实验结果表明,所提算法不仅保留了误差反馈DFE均衡器的优点,且其抗噪声干扰与信道多途干扰的能力更强,在水声通信中稳定性更好、均衡后误码率更低。     

单矢量时反自适应多通道误差反馈的判决反馈均衡技术

针对复杂的海洋环境噪声和水声信道多途效应导致误差反馈DFE均衡器在水声通信中的均衡性能受到严重的限制问题,本文利用信号矢量场和噪声矢量场的相干性差异和矢量水听器振速通道具有偶极子指向性的物理特性,建立单矢量自适应多通道误差反馈DFE均衡器进行抗噪声;利用时间反转镜的空-时聚焦特性进行抑制信道多途干扰。实验结果表明:所提算法不仅保留了误差反馈DFE均衡器的优点,且其抗噪声干扰与信道多途干扰的能力更强,在水声通信中稳定性更好、均衡后误码率更低。     

智能家居网络自适应跳频技术研究

在智能家居网络环境下,为了提高无线通信过程中的抗干扰能力,将无线跳频技术中接收信号强度指示(received signal strength indication,RSSI)阈值判断跳频广播技术和丢包数粗同步跳频算法相结合,提出一种新型的无线跳频方案.主从节点在通信阶段计算连续丢包数,达到预设值时对信道RSSI采样取均值,超过阈值则进入频率切换阶段.结果表明,该方案可以准确及时监测到通信干扰,并且能够避免非频率干扰因素引起的跳频,比当前的跳频方案有效性更高、切换时延更短.     

基于正交频分复用的高速水声通信技术

信号的多途传输引起的码间干扰是影响高速水声通信的主要障碍之一.为了克服码间干扰,设计了一种改进的基于正交频分复用(OFDM)技术的水声通信方法,直接将发射数据的实部调制到高载频进行传输,结构简单.湖试中,在7000m距离内,传输速率达到8.3KB/s,误码率10^-2∶10^-5.试验证明该方法可以有效降低码间干扰的影响,达到较高的传输速率和较低的误码率.     

相干调制水声数字通信中的一种盲符号估计方法

相干调制是近年来水声通信领域中最为活跃的研究课题之一。但水声信道的时变多途效应造成接收数据严重的码间干扰（ Ｉ Ｓ Ｉ）,使得高速水声通讯的实现十分困难。盲符号估计不需要利用已知序列对滤波器参数进行周期训练,从而能有效地节省信道带宽。利用盲估计方法克服 Ｉ Ｓ Ｉ的关键在于,对多途接收的有噪信号进行多倍码速率的采样,将信道等效为一个单输入多输出系统,并构造采样输出的循环平稳序列的二阶统计量,去估计原发送序列。本文针对水声信道的实际特点,提出了一种盲符号估计的新方法。与文献［３］的算法相比,它具有更低的运算量,便于数据的实时处理。文中最后利用计算机仿真结果验证了该算法的有效性。     

基于水声信道的TE—LCMMSE均衡算法仿真研究

论述了应用于水声信道的Turbo均衡技术,针对水声信道多径衰落引起的码间干扰,提出了一种低复杂度的TE-LCMMSE算法,并在给定的水声信道下进行了仿真,仿真结果表明;基于软输入软输出的TE-LCMMSE均衡算法与理论最优的Map算法相比,在误码率为10-5时性能接近;与Max-Log-Map算法相比,具有近3 dB的性能增益,且算法复杂性大大降低,有效地提高了水声通信系统可靠性.     

Research on the improved frequency-domain equalization algorithm for OFDM underwater acoustic communication

The traditional OFDM frequency-domain equalization algorithm depends on the long circular prefix to overcome the bad influences caused by multi-path effects in the underwater acoustic channel. But the redundant long prefix is actually a serious waste of energy and bandwidth in underwater systems, which restrains the OFDM signal's advantages of high channel utilization greatly. Aiming at the defects of the traditional equalization algorithm, this paper brings forward a new frequency-domain equalization algorithm based on the analysis of the influences caused by multi-path effects and the equalization theory and structure. The results of simulation show that the new algorithm can compensate the multi-path effects efficiently with few circular prefixes and make sure the high-speed and reliability of the underwater acoustic communication system. Finally, based on the amount of computing, a simple algorithm is given.     

远程水声通信MC-MPSK及均衡方法

水声信道是一种多途、时变和频散的信道，声波在其中的传输行为十分复杂，加之水声传输的带宽有限及远距离传输时的载波频率较低，使得传输距离和数据率这一对矛盾尤为突出，如何在增大作用距离的同时提高传输数据率是水声通信的难点。在80km海上试验和分析研究MC、MPSK编码调制的基础上，提出了适合于远程高速水声通信的MC-MPSK的编码调制方法，以及基于MC-MPSK编码调制的梳状均衡方法，建立浅海远程水平通信的信道模型，对均衡器及系统的性能进行仿真，仿真结果表明该编码调制方法可实现低信噪比、多径水声信道的高数据率传输。     

利用低频声压干涉谱的目标运动参数估计

针对水下目标被动定位技术中目标运动分析方法(TMA)及匹配场处理方法(MFP)需要较多的观测阵元、算法复杂的问题,通过分析浅海声压场的干涉特性,提出了一种适用于单水听器被动目标运动参数估计的新方法.近距离目标辐射的噪声通过浅海声场后,在时频域上形成干涉条纹.利用射线模型分析浅海声压场,推导出时频干涉条纹是双曲线簇型的.运用图像处理中边缘提取的常用方法——Hough变换,提取双曲线参数,可以得到运动目标的航速、航深及距离的信息.海试数据分析说明了其有效性.与一般的水下目标运动分析和匹配场处理技术相比,本文的方法具有声场分析和定位方法简单的优点.     

水声信道有效声速估计方法及空间特征分析

为准确快速获取水声信道有效声速以提高水声测距及定位精度,提出了一种分层海洋介质中空间有效声速的快速估计方法.该方法考虑了信道多途的影响,对浅海信道和深海信道中有效声速的计算均适用,尤其对于有效声速随空间变化复杂的浅海信道.该方法不需对空间各点声场进行计算,大大减小了计算量,易于实际工程应用.通过仿真和海试数据分析,得到了各环境要素对有效声速估计的影响规律及浅海信道有效声速空间变化的基本特征,验证了有效声速估计方法的有效性.     

相关跳频通信系统安全性分析

分析了相关跳频通信系统中频率序列的检测以及纠错译码,并从第三方接收的角度探讨了相关跳频信号的接收、译码以及转移函数反推的复杂度。分析结果表明:相关跳频通信并不是一种抗截获的无线通信方式,其通信安全是建立在转移函数机制上的。转移函数反推的复杂度非常高,给相关跳频通信体制提供了很好的安全性。     

非理想NNC-DFH接收机抗部分频带干扰性能分析

为改善差分跳频系统的抗部分频带干扰性能,提出一种噪声归一化合并差分跳频接收机模型.采用矩生成函数法推导了非理想噪声功率估计条件下系统误符号率的联合上界.将信道建模为瑞利衰落信道,同时考虑了加性背景热噪声的影响.数值和仿真结果验证了理论分析的正确性.研究结果表明:在噪声估计不存在严重偏差时(估计误差因子满足0.1<λ<3.0),噪声归一化合并差分跳频接收机在最坏部分频带干扰下的性能优于乘积合并和线性合并差分跳频接收机,且当噪声估计值略低于理想估计值时(0.2<λ<0.6),系统误符号性能优于理想噪声估计条件下的误符号性能.     

New Iterated Decoding Algorithm Based on Differential Frequency Hopping System

A new iterated decoding algorithm is proposed for differential frequency hopping (DFH) encoder concatenated with multi-frequency shift-key (MFSK) modulator. According to the character of the frequency hopping (FH) pattern trellis produced by DFH function, maximum a posteriori (MAP) probability theory is applied to realize the iterate decoding of it. Further, the initial conditions for the new iterate algorithm based on MAP algorithm are modified for better performance. Finally, the simulation result compared with that from traditionalal gorithms shows good anti-interference performance.     

基于Matlab的短波差分跳频通信仿真设计与实现

差分跳频通信系统作为一种全新概念的通信系统,已成为当前短波保密通信的一个重要发展方向。鉴于此,在对短波差分跳频通信机理研究基础上,通过建立基于m序列的G函数、G-1函数设计方案及加窗FFT检测设计方案,实现了基于Matlab的短波差分跳频通信通信过程仿真。仿真结果表明,该通信过程仿真可有效实现差分跳频通信系统的信号生成、检测及接收仿真功能,验证了设计方案的正确性。可为短波差分跳频通信技术的发展提供理论借鉴及测试环境.     

线性合并接收分集DFH系统性能分析

为了提高差分跳频系统的抗噪声性能,提出了一种基于多接收天线的空间分集差分跳频系统,系统采用平方率检测线性合并准则进行合并接收。采用矩生成函数法分析了该系统在瑞利衰落信道下的抗噪声性能,得到了系统误符号率的闭式表达式。分析中考虑了各分集支路信号衰落参数及背景噪声不同的一般情况。数值和仿真结果表明,应用接收分集技术可以显著改善差分跳频系统的抗噪声性能,在误符号率为10-4时,采用双天线分集时即可使系统性能较无分集系统改善达约7 dB;性能改善量随天线数量的增多而增大,但改善幅度逐步降低;信噪比过低的分集支路应从分集中排除,否则可能使系统性能低于没有这些天线时的系统性能。