水声信道的研究与仿真

文中提出的时变多径水声信道模型基本上实现了对海洋水声信道的模拟,在一定程度上反映了海洋介质的物理特性：对Rayleigh衰落模型的仿真,反映了海洋介质的不均匀性以及信号在水声信道中传输的时变特性。每种信道模型都是对真实信道的近似模拟,必然有其适用的范围,要建立更加完善的信道模型还需要对更复杂的环境参数和信号的多径时变特性做进一步研究。     

纠错编码技术在水声跳频通信中的性能研究

将水声跳频通信系统与纠错编码技术相结合进行了研究,针对复杂多变、强多途和起伏干扰的浅水水声信道,建立了基于BELLHOP射线模型的时变衰落水声信道模型,该信道模型建立起了信道特性与海洋环境参数之间的关系,在海洋环境参数给定的条件下可以精确仿真信道。在此基础上通过系统仿真的方法研究了卷积码、RS码和串行级联码三种纠错编码方案在水声跳频通信系统中的性能,给出了两种典型信道下的仿真结果并进行了对比分析,结果表明串行级联码具有更强的纠错能力,比较适合复杂多变的水声衰落信道。     

MIMO水声通信中的空时分组扩展编码方案探讨

采用多输入多输出（MIMO）结构和空时编码可以使水声通信系统获得分集增益,改善系统性能。针对水声信道中的频率选择性衰落,研究了一种用于MIMO水声通信系统的空时分组扩展编码方案（STBSC）,利用正交扩频编码克服了水声信道中多径干扰对空时分组编码（STBC）信号正交性的破坏。给出了方案的系统模型和实现框图,采用MIMO水声模型对方案的性能进行了仿真。仿真结果表明,STBSC方案在多径水声信道中可以得到完全发射分集。最后介绍了方案的水库试验,试验结果表明了方案的有效性。     

一种抗信道多径的扫频-扩频调制技术

水声信道是复杂的多径快衰落信道,其信道特性严重影响了水声通信的数据率和性能,抗多径干扰是提高水声通信系统性能的重要技术之一。对一种新的调制方法——扫频-扩频载波（Sweep-Spread Carrier,SSC）调制技术进行了深入研究,通过系统在水声信道实际数据的仿真,探究SSC的抗多径性能,简化了抗信道多径算法。SSC的基本思路是采用连续变化的载波频率,通过相关接收,将接收的多径信号在频域上分离,从而克服了码间干扰的影响。分析了在给定系统时不同信道多径时延对SSC性能的影响,以及给定信道时不同SSC参数对SSC性能的影响。仿真结果表明,选择合适的参数,SSC调制具有良好的抗多径性能。     

基于卡尔曼滤波的时变水声信道估计

为了能同时利用时变水声信道的簇状稀疏特性和时间相关性,构造了一种时变水声信道模型,并基于该模型对传统的卡尔曼滤波压缩感知算法进行改进。该方法主要利用前一时刻估计的信道状态响应来确定当前时刻信道的候选支撑集,并以此构造时变水声信道的状态转移方程。通过卡尔曼滤波迭代的方法计算候选支撑集上的系数,最后通过阈值法滤除误差原子。仿真结果表明：该方法能有效地利用水声信道间的时间相关性来提高信道估计的性能,同时由于水声信道存在簇状稀疏特性,因此经该方法也具有一定的鲁棒性。     

OFDM水声通信线性最小均方误差算法信道均衡

正交频分复用在高速水声通信中的应用越来越广泛.水声信道是多径、高噪声的衰落信道.由于信道条件差,容易产生码间干扰,信道均衡技术是提高通信系统性能的重要技术.提出了线性最小均方估计在水声通信系统中应用的方案,研究了实际通信中利用调频信号如何确定信号的平均多径时延、最大多径时延,比较了不同调频信号测量信道的性能.该方案基于导频辅助均衡方法,利用调频信号测量信道,获得的信道统计信息,计算信道的自相关矩阵.从而根据线性最小均方误差算法进行信道均衡.通过仿真和湖试进行验证,结果表明该方案效果较好,对系统性能改善比较明显.     

基于海面散射的莱斯MIMO信道容量研究

通过相关莱斯信道模型对海面散射水声多入多出(MIMO)信道容量进行了研究。从Helmholtz-Kirchhoff积分和Fresnel近似出发,得到海面散射信号的空间相关性,由于信道的协方差矩阵不可以表示成发射相关矩阵和接收相关矩阵的Kronecker积,通过Monte Carlo仿真研究了莱斯因子、接收信噪比和空间相关性对MIMO信道容量的影响。从对outage capacity和信道容量的CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function)的仿真计算结果可以看出,莱斯衰落的MIMO信道容量并不总是小于瑞利衰落MIMO信道容量,当信道的空间相关性较大和接收信噪比较小时,由于信道的衰落作用将起主要作用,对于较小的收发阵元数,以非衰落的直达信号为主的莱斯MIMO信道容量将大于瑞利衰落的MIMO信道容量。     

一种时变移动信道仿真方法

针对广义平稳非相干散射(WSSUS)多径时变信道,提出一种离散延迟-离散多普勒频率的"频移滤波器组"模型,并以此为基础提出一种时变多径信道仿真方法.与常用方法相比,该方法参数配置和实现简单,并且能清楚地反映信道的多径-多普勒结构.     

浅海远程水声Turbo编码跳频通信研究

结合Turbo编码和水声跳频通信技术,基于数字信号处理(DSP)成功地研制出了一种高效的抗多途、抗噪声浅海远程水声通信系统.该系统针对浅海远程水声信道的低信噪比、强多途及快速时变衰落特点,采用一种联合有限脉冲响应(FIR)数字窄带滤波和线性调频信号互相关检测的快速、精确的帧同步方法;利用快速频谱分析进行解调,使用复杂度...     

OFDM系统在时变信道下的迭代干扰抵消算法

为克服正交频分复用(OFDM)系统中因时变多径衰落信道破坏子载波的正交性引起载波间干扰(ICI),从而导致系统性能下降的问题,提出了一种基于最小均方误差(MMSE)估计和迭代算法相结合的迭代干扰抵消算法.为了消除一般MMSE均衡方法将载波间干扰当作加性高斯白噪声(AWGN)所带来的误差,该算法先使用MMSE方法对传输信号进行初值估计,再通过迭代干扰抵消和MMSE均衡相结合,来消除由时变信道所带来的载波间干扰.多次仿真表明,在时变多径衰落信道中使用本算法能够有效地消除载波间干扰,使系统性能得到很好的改善.     

极化码在OFDM水声通信中的应用研究

极化码（Polar code）因其高可靠性、实用的线性编、译码复杂度和理论上唯一可达香农极限等特点,成为信道编码领域新的研究热点。其编、译码方法的研究扩展至多种信道类型和应用领域,但在水声信道中的理论证明和应用研究相对较少且滞后。针对具有显著多途、多普勒扩散和有限带宽等复杂特性的水声信道,文章提出了与之相匹配的极化码信道编码机制;并结合正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术搭建水声通信仿真系统,研究极化码在OFDM水声通信系统中的性能表现;同时研究极化码在不同的水声信道模型、信道参数、码长、码率下的性能。仿真结果表明,在信噪比为4 dB时,码率为1/2的极化码在水声时变信道中的误码率可达10^-4～10^-5,优于低密度校验（Low density Parity Check,LDPC）、Turbo码,约有0.5～1 dB的性能增益,该极化码信道编码机制与水声信道相匹配,可有效提高水声通信的可靠性。     

低声能辐射下的两种水声跳频通信方法对比研究

水声信道是一个极其复杂的时变-空变-频变信道,因而进行水声通信,必须克服时变多途干扰等困难。将抗干扰能力强的跳频通信技术应用于水声通信领域,对于隐蔽性、保密性要求高的系统来说,该体制有着卓越的特性。在仿真环境下,对比研究了m序列和基于二维logistic映射的混沌序列的相关性、平衡性、功率谱特性、多址性等性能。构建了一种在低声能条件下的水声跳频通信系统,给出了系统编解码技术的实现方法。发射的帧信号由激活信号、同步信号、时延信号和三组(15,11)汉明码循环3次组成,采用了时间与频率的双分集技术进行纠错解码,从而增强了系统的保密性。通过外场试验,验证了利用m序列和混沌序列进行水声跳频通信的可行性,并对试验结果进行了对比研究。由于混沌序列的数量巨大且性能优异,非常适用于水声组网通信和保密性要求高的水声通信系统。因此,混沌序列在今后的水声跳频通信领域应有更广阔的应用前景。     

水声通信中的信道估计与机器学习交叉研究进展

近年来,以深度学习为代表的机器学习技术飞速发展,凭借其出色的学习能力,在复杂环境条件下的建模问题中展现出了独特的优势。当前,基于机器学习的水声通信技术研究方兴未艾,在信道估计及均衡、典型通信系统应用等方面取得了一定的进展,但是针对实际水声环境约束条件下的研究较少。为此,文章围绕信道估计这一水声通信关键技术,针对水声信道估计中存在的样本不足,标签标定困难以及水声环境时空变导致的源域、目标域失配等问题,讨论了水声信道估计与数据增强、无标签学习、少样本学习等模型和方法交叉研究的发展思路,并给出了初步的仿真和试验结果。文章是对水声通信中的信道估计与机器学习交叉领域研究重难点问题的初步探索,为水下各类平台自主智能化的通信技术发展提供了参考。     

基于压缩感知的OFDM水声通信信道二次估计算法

该文主要研究OFDM水声通信信道二次估计技术,针对传统信道二次估计算法跟踪估计缓慢时变水声信道存在误码遗传的缺点,提出了一种基于压缩感知的信道二次估计算法。该算法结合水声信道的稀疏特性,利用经过编码校验后的大多数可靠信息,二次匹配追踪信道频域响应,作为系统均衡器的反馈输入信息和次时段信道初始信息,有效地抑制了系统的误码遗传。通过Matlab仿真实验和水池试验,验证了基于压缩感知的信道二次估计算法的可靠性和高效性。     

用双曲线调频信号实现水声通信的频偏估计和同步

水声通信的信道带宽相对较窄,为实行高速通信,需要选择高频带利用率的传输方式。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术允许子载波重叠,在水声通信中具有良好的应用前景。但OFDM的解调对于频率偏移和时间偏移非常敏感,而水声中的频率多普勒偏移相当大。通过仿真和实验表明：在信噪比较低的情况下,使用双曲线调频信号作为导频信号,可以准确地计算出频率偏移,同时实现数据传输的时间同步。     

FBMC/OQAM水声通信系统的适应性成型脉冲设计

水声信道是一个时变的双扩散信道,不仅会引起传输信号的时频扩展,而且会造成严重的信息损失。由于滤波器组多载波/交错正交幅度调制(Filter Bank Based Multicarrier/Offset Quadrature Amplitude Modulation, FBMC/OQAM)系统可通过改变发送信号的成型脉冲来减小时频扩展带来的符号干扰和子载波干扰,因此更适合快速时变的水下声信道。为了降低现有成型脉冲设计算法的优化难度,提出了一种快速且易于实现的成型脉冲设计方法,该方法根据信道时频统计特性对扩展高斯函数(Extend Gaussian Function, EGF)进行了优化,实现了期望信号能量最大化,并在时域符号间加入适当的保护间隔,进一步增强了抗多途干扰的能力。仿真结果表明,无论在高频散信道还是在低频信道下,相比于其它成型脉冲算法,该算法在降低计算量的同时,改进了的FBMC/OQAM系统的传输性能,误码率降低了2～3 dB。     

STBC-OFDM技术在水声通信中的试验研究

空时分组编码（Space Time Block Coding,STBC）技术能够获得满发射分集增益并且译码简单,而正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术可对抗水声信道中的多径干扰和实现较高的频谱利用率。设计了将空时分组编码与正交频分复用相结合（STBC-OFDM）的高速水声通信系统方案,并进行了湖上试验研究。湖试中,在1200m距离下,带宽为4.32kHz时有效传输速率为3.328kbps,误比特率低于10-5。湖试结果表明,STBC-OFDM技术在高速水声通信中的应用潜力。     

基于小波分解的时变信道盲辨识

针对传统的信道盲辨识算法很难适应时变信道模型的问题，提出了一种基于小波多分辨率分解的时变信道盲辨识算法．该算法首先应用小波多分辨率分解原理来近似建模时变信道；然后，利用信道输出序列的二阶统计量对时变信道的小波分解模型的小波系数进行两级盲辨识；最后，应用估计的小波系数即可重构时变信道的冲激响应．仿真结果表明，该算法可很好地完成周期时变信道的盲辨识与盲均衡任务．     

Communication system model for information rate evaluation of differential detection over time-varying channels

A communication system model for mutual information performance analysis of multiple-symbol differential M-phase shift keying over time-correlated, time-varying flat-fading communication channels is developed. This model is a finite-state Markov (FSM) equivalent channel representing the cascade of the differential encoder, FSM channel model and differential decoder. A state-space approach is used to model channel phase time correlations. The equivalent model falls in a class that facilitates the use of the forward? backward algorithm, enabling the important information theoretic results to be evaluated. Using such a model, one is able to calculate mutual information for differential detection over time-varying fading channels with an essentially finite time set of correlations, including the Clarke fading channel. Using the equivalent channel, it is proved and corroborated by simulations that multiple-symbol differential detection preserves the channel information capacity when the observation interval approaches infinity.