M元扩频OFDM水声通信新方法

扩频水声通信能够抗信道衰落、多径干扰,具有传输距离远、可靠性高、被截获性低的优点。然而,水声通信可用带宽很窄,导致其数据率低。文章在伪随机序列扩频水声通信和OFDM水声通信研究及湖上成功实验的基础上,提出了一种基于M元伪随机序列组和OFDM技术的新型扩频OFDM(MSS-OFDM)水声通信方法。该方法能使得扩频水声通信数据率提高2.(log2M).(log2Q)倍。从理论上分析了M元扩频OFDM在高斯白噪声信道(AWGN)下的误码率性能,并通过仿真验证了其较强的稳健性。利用湖试测量得到的多径信道参数模型,分析比较了OFDM、SS-OFDM以及MSS-OFDM的水声通信误码率性能,结果表明:M元扩频OFDM具有双重抗多径干扰的优点,即使在没有保护间隔的情况下,也能获得较好的通信效果;由于采用了伪随机序列组,该方法也可用于水声网络通信。     

基于矢量传感器的高速水声通信技术研究

矢量传感器较传统声压水听器有诸多优势，但将其应用于水声通信领域在国内外却未见有公开的文献报道、由此研究了声压和振速的联合处理获得指向性增益的方法，理论上证明在均匀加权的情况下，指向性增益为4.8dB、研究了最优权的选取方法，在最优权条件下，指向性增益为6dB、将该处理方法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进行相干解调和解码．建立了一套以矢量传感器为接收器的相位调制通信系统，在松花湖进行了试验研究，试验结果表明，该方法可有效地降低通信误码率，提高通信系统的作用距离．     

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.     

OFDM水声通信基带传输及试验研究

分析了水声通信中最佳频率的选取,提出了低载波频率条件下,通过频率映射,用一对IFFT/FFT运算直接将待发序列调制到载频上的OFDM水声通信基带传输实现方法,该方法可避免发射机的载频调制、接收机的解调及载波同步,简化了发射接收机结构.对该方法进行了理论分析、仿真试验及湖试.湖试结果为:误码率小于10-4,5 km传输数据率9 kbps,该结果超过了国际上公认的水声通信距离×数据率=40 km·kbps的标准.试验结果表明该方法适合中近程高速水声通信.     

基于导频chirpZ变换的基带OFDM水声通信多普勒估计方法

在OFDM水声通信中,收发双方非匀速运动时,传统的多普勒估计方法误差较大.提出了一种基于导频chirp Z变换的基带OFDM水声通信多普勒估计方法.该方法针对OFDM水声通信中的基带传输特性,取低频端的子载波为导频信号,对每个OFDM符号进行Chirp Z变换估计其多普勒因子.该方法估计精度高,仿真结果表明相对运动速度小于20 m/s时,估计多普勒因子的误差小于3.6×10-6,较传统的时域相关法误差小2个数量级;初速度小于20 m/s、加速度小于1.4 m/s2时估计的多普勒因子与符号平均多普勒因子的误差均小于3.6×10-6;用线性插值方法对多普勒补偿,不同运动速度、加速度以及多径条件下的仿真性能,验证了变速运动时该方法对OFDM接收信号多普勒估计及补偿的有效性.     

Turbo码在水声OFDM通信中的应用研究

为了增强高速水声通信中信息传输的可靠性,采用了性能优越的Turbo码和OFDM相结合的方法,并与传统的卷积码进行了性能比较.仿真结果表明,在水声通信可以接受的信噪比范围内,采用Turbo码的误码性能明显优于无信道编码和卷积编码;在带宽利用率相同时使用该方案的水声通信系统性能优于无信道编码和卷积码.因此,把Turbo码与OFDM相结合的传输体制可以明显提高水声通信系统的传输速率和可靠性,从而在水声通信中具有良好的应用前景.     

母船和潜器水声通信技术研究

给出一种母船和潜器Ｍ制跳频编码水声通信的方法及试验结果。采用信道标校码实时测试水声道的频响特性，并据此实时调整检测门限，可大大减小通信误码率，测试给出了用２ｋＨｚ带宽通信诉结果。若加大通信带宽，可提高通信速率。     

两种OFDM多普勒估计算法在水声信道中的比较

为了消除多普勒频偏影响,通过水上实验对两种OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）水声通信多普勒估计算法进行对比。基于拷贝相关时延差估计的多普勒估计算法结构简单、易于实现;基于空载波的算法较复杂,但精度较高。利用两种方法对相同的实验数据进行多普勒估计和补偿,并对其通信误码率进行对比。研究结果表明,在慢变的信道中两者的误码率基本相同,但在快变的信道中基于空载波的算法更稳定。     

基于MC-CDMA技术的水声通信调制解调系统

水声通信由于其信道延迟大、带宽窄、干扰多等特点而发展缓慢,为了实现高质量、长距离的水下无线通信,通过对CDMA(码分多址)、OFDM(正交频分复用)等多种通信技术的分析和对比,基于FPGA平台建立了一种比较先进的水声通信调制解调系统。该系统采用MC-CDMA技术,设计了一种基于Gold序列的信号扩频办法,采用FFT/IFFT模块实现OFDM调制解调,该系统通过了水槽实验环境的测试,运行稳定。     

基于水声信道的MAPSK-TCM编码调制技术研究

论述了应用于水声信道的网格编码调制TCM技术,分析了影响其性能的主要因素;针对水声信道带宽有限的情况,提出了在信号频带不展宽的情况下提高水声通信性能的多进制非对称MAPSK-TCM编码调制方法,并在给定的水声信道下,分别对码率为1/2、2/3的情况进行了仿真,仿真结果表明:MAPSK-TCM方法(M=4或8)相对于相同信号带宽的标准TCM方法,在信噪比相同的情况下,降低了系统的误码率,对改善水声通信的可靠性有重要意义。     

水声信道的D-SCCC级联编码仿真

论述了应用于水声通信的双串行级联编码（D-SCCC）技术;针对水声通信在某些应用场合高可靠性要求,通过对误码率（BER）的分析,提出了提高水声通信可靠性的编码设计方法,并在给定的水声信道下进行了仿真. 仿真结果表明,相同码率下双串行级联编码与SCCC算法相比,BER瀑布区陡度增大,在BER为10-5时有05dB的编码增益;相同码率下SCCC算法与Turbo码相比,可有效改善Turbo码BER在10-4～10-5出现的错误平层,满足了水声通信传输遥控与遥测指令时的高可靠性需求.     

码率可调节的高质量语音编码算法

中远距离水声语音通信时,由于水声信道可利用带宽窄的原因,通信速率较之无线电信道低.在高质量通话的前提下,语音编码码率也在一定范围内受到制约.在众多低速率语音编码标准中,美国联邦标准MELP(mixed excitation lin-ear prediction)是最佳选择,其编码码率2.4 kbit/s对于水声信道来说仍然偏高.考虑到水声信道的特点,结合语音信息不均匀分布、MELP编码参数分析和简化、码本冗余度降低等几个方面,从语音生成和听觉感知角度深入研究了MELP编码标准,采用不定帧数联合编码的方式,提出一种码率可调节的高保真语音编码算法.正常语速下,平均码率约800 bit/s.合成语音清晰可懂,保持了说话人的个性特征,其PESQ MOS(perceptual evaluation of speech quality mean opinion score)评分不低于2.7,语音质量接近2.4 kbit/s MELP标准水平,满足了中远距离(>10 km)水声高质量语音通信的要求.同时,本算法也可用于其他对实时性要求不高的场合.     

基于OFDM信号的自适应水声信道估计算法

建立适用于OFDM水声通信信号的信道估计模型, 对MP算法进行改进, 引入路径门限调整机制克服虚假路径造成的不良影响, 通过重要路径权系数的迭代修正降低非正交性引入的估计误差, 以较小计算量取得了与OMP算法相当的估计精度; 针对传统信道估计算法对信道长度信息的依赖问题, 提出了一种信道长度自适应信道估计算法, 该算法能够对信道估计质量进行实时评价, 并根据评价结果实现信道估计算法预估信道长度的自适应调整, 满足未知水声信道精确估计及通信应用的需要; 基于OFDM导频元素个数与信道估计效果的关系研究, 提出了OFDM导频序列自调整的通信方案, 以较小的带宽损失保证了可靠的水声通信. 通过仿真和实地试验, 验证了该文研究内容的有效性.     

M元线性调频远程水声通信新技术

浅海远程水声通信由于水声信道带来的严重多径干扰和衰落,导致通信速率低、误码率高以及接收端信噪比低等缺点。针对这一问题,提出了一种比较有效的M元线性调频(LFM)水声通信技术。M元LFM通信技术在发射端利用不同频段内多种不同调制斜率的LFM信号进行信息编码,在接收端用相应的拷贝相关器组进行信息解码。该方法具有较强的抗多径干扰和信道衰落的能力,且在低信噪比下的检测性能好。海试数据分析及仿真结果表明:利用M元LFM技术,在距离为80 km、带宽为200 H z、通带内平均接收信噪比为3 dB的情况下,利用单水听器接收,在误码率为1-0 4条件下,水声远程通信的数据率可达20 b it/s,此时带宽利用率为0.1 b it/(s.H z)。     

多路水下声数据的一种高速低误码率传输方法

根据航空声呐实时传输多路水下声数据的需要,介绍了利用Ｍａｎｃｈ－ｅｓｔｅｒ码实现高速数据多路传输的方法。实验系统利用单片ＩＣ电路８２Ｃ５０１已获得工程实现,其误码率小于１０－７,数据传输速率为３Ｍｂ／ｓ,最高可达１３Ｍｂ／ｓ,传输距离超过５００ｍ。该系统已成功地应用于机载声呐的数据传输系统中,特别适用于传输电缆的体积和重量受到严格限制,且需要传输多种高速数据的场合。     

考虑APD的部分相干光OFDM-UWOC系统性能

对于实际的水下无线光通信系统,系统误码性能主要受到海洋湍流和接收机噪声的制约。考虑散粒噪声和热噪声的影响,对弱海洋湍流环境下基于雪崩光电二极管的部分相干光辅助OFDM-UWOC系统的误码性能进行了分析。研究中利用波束扩展函数建立了吸收、散射、未对准和海洋湍流共同影响下的聚合信道衰落模型,进而分别导出不同噪声限制下的系统平均误码率理论表达式。受散粒噪声限制时,研究了接收机噪声温度、平均接收光强及雪崩光电二极管雪崩增益值的大小对系统可靠性的影响;受热噪声限制时,给出了部分相干光特征参数和海洋湍流特性参数对该系统可靠性的影响。结果表明,对于雪崩光电二极管而言,接收机温度和平均接收光强大小都会在一定程度上影响系统误码性能。因此,通过选择合适的雪崩光电二极管雪崩增益值,能够在一定程度上提升该OFDM-UWOC系统的误码性能。此外,部分相干光和海洋湍流的变化会对系统的误码性能产生影响。     

自适应多制式正交多载波高速水声通信技术研究

水下无人航行器(UUV)的水声通信涉及UUV与指挥舰船以及UUV之间的水声通信技术,通信系统的环境复杂、距离多变。若采用单一数据率传输模式,则通信系统受制于最大工作距离以及最恶劣信道而采用最保守的通信数据率,使得该类型的水声通信的数据率较低。提出了适合于UUV之间及其与指挥舰船之间远、中、近全程变数据率通信的自适应多制式正交多载波(MOM C)水声通信技术,该技术可使通信系统在不同距离、不同信道环境下的通信数据率逼近该信道的最高值。湖试结果为误码率<10-4时,5 km通信数据率为9090 b/s,25 km为2000 b/s。     

加权分数傅里叶变换在混合系统中的应用

为提高通信系统在复杂水声环境下的鲁棒性,提出基于加权分数傅里叶变换WFRFT(weighted fractional Fourier transform)的混合载波系统.对混合系统进行优化设计,以最低误比特率为优化目标,求解得到系统的最优变换阶次,得到优化的系统性能.仿真和水池实验表明,基于WFRFT的混合载波系统在多径信道下的误比特率介于传统的单/多载波系统之间;而在双选信道下,其最优阶的系统性能优于单/多载波系统.该混合系统具有单/多载波的优良性能,在提高通信系统鲁棒性方面,具有很大的应用前景.