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VBLAST的水声MIMO高速通信技术研究

为实现高速水下通信,提出了一种基于VBLAST（贝尔实验室垂直分层空时）编码的水声MIMO（多输入多输出）通信技术。该技术通过在发射端和接收端同时采用多个阵元进行多发多收,借助空间复用,可有效解决水下通信系统带宽资源缺乏的难题,使系统在不增加带宽的条件下成倍提高数据传输速率。在水声MIMO通信系统的接收端,提出采用带有二阶数字锁相环、基于自适应空时判决反馈均衡的相干解调技术。该技术可有效克服水声MIMO信道中的多径干扰及同频干扰,且能自适应跟踪信道变化。仿真及湖试结果证明了所提水声MIMO高速通信技术的良好性能。     

多相分解滤波器在OFDM高速水声通信中的应用

影响OFDM浅海高速水声通信的一个重要的因素是多普勒,多普勒频率会导致OFDM子载波间的正交性被破坏,进而带来OFDM子载波间干扰,严重影响OFDM水声通信的质量,因此必须对如何消除多普勒进行研究。在水声通信中消除多普勒的影响通常分两步：首先对多普勒因子正确估计,进而对接收数据变采样。在仿真实现变采样的基础上,利用多相分解降低其运算量,实现了高速率的变采样滤波器,并将算法运用到OFDM系统仿真中,最终对OFDM湖试数据进行解码,取得了满意的结果,很大程度上降低了多普勒频移对OFDM水声通信系统的影响。     

一种新的水声MIMO空时频编码技术

基于贝尔实验室垂直分层空时编码（Vertical Bell Labs Layered Space-Time,VBLAST）的水声多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）通信技术,通过充分开发空间资源,可在不增加系统带宽的条件下成倍提高数据传输速率,是一种极具潜力的高速水下通信技术。但由于其接收信号中同时含有同频干扰及多径干扰,当信道多径扩展严重时,其性能下降严重。为此,提出一种新的空时频编码技术,该技术通过将各层信号调制到彼此正交的子载波上,不但可在接收端完全消除同频干扰,同时还能获得频率分集增益,从而使水声MIMO通信系统的性能获得极大改善。仿真及湖试结果证明了其有效性。     

基于OFDM编码的水声通信差分解码技术

正交频分复用（OFDM）具有良好的抗频率选择性衰落性能,抗多径和脉冲噪声能力强,同时具有在高效带宽利用率情况下的高速传输能力以及简单的实现方法。OFDM在应用中也存在一些问题,例如对频率偏移和相位噪声敏感等。研究了基于正交频分复用编码的水声通信差分解码技术。所提出的差分解码方案通过测量相邻OFDM信号的相位差进行解码,从而降低了信道时变特性对水声通信系统的影响,特别是相位误差的累积效应。湖上试验数据差分解码的结果显示了所提方案的有效性,极大地降低了通信系统的误码率。     

高速数字水声通信系统的研究

远距离水下声通信可以利用的频带很窄,因此,高速水声通信系统中通常采用相干数字通信技术。由于水下声通信信道具有时变多径严重、相位起伏快等特点,成功实现高速水声通信系统的关键是研究高效、强壮的锁相环与均衡器算法。本文介绍北京邮电大学信息学院研究设计的高速数字水声通信系统方案和实现算法,并给出对实测数据的处理结果。     

MC-CDMA技术在水声通信中的应用研究

MC-CDMA技术是正交频分复用和码分多址技术相结合的综合技术,兼有OFDM和CDMA的优点。在水声通信中,由于海洋信道的复杂性,尤其在浅海信道中,存在严重的多途干扰和海洋环境噪声以及严重的时变和空变特性,因此水声信号的衰落很严重。为了在条件恶劣的水下声信道中实现高速可靠通信,将MC-CDMA技术应用于水声通信。该研究分析了MC-CDMA技术的基本原理,并通过仿真MC-CDMA系统和OFDM系统,以及两个系统的水池实验,验证了在水声通信中MC-CDMA系统具有比OFDM系统更好的性能。     

矢量水听器在水声通信系统中的应用

将矢量水听器应用于水声通信系统,利用矢量水听器的指向性屏蔽强干扰。建立了基于矢量水听器的多载波正交频分复用(OFDM)系统模型,对各向同性噪声场中矢量水听器的增益进行了推导,为抑制相干干扰提供了新的解决方案,并进行了仿真验证。仿真研究表明,该方案能够有效地增强系统的抗各向同性干扰的能力,达到提高信噪比的目的,降低了误码率,增加了系统的稳健性。湖上试验验证了该方法的有效性,表明基于矢量水听器的水声通信系统可为实现高速水声通信提供一种有效的途径。     

OFDM技术在认知水声通信系统中的应用

随着对水下通信速率要求的提高和水下通信用户的增加,实现高速水声通信和对水下频谱资源的有效共享成为了水声通信的研究热点.认知水声通信系统为解决频谱资源共享提出了新的思路,而OFDM技术又具有频谱利用率高、通信速率快、频率选择灵活等优越性能.在阐述两种技术各自优势的基础上,指出了OFDM技术应用于认知水声通信系统的可行性,提出了一种基于OFDM技术的认知水声通信系统的设计方案,并给出了系统框图及仿真结果,验证了基于OFDM技术的认知水声通信系统的可行性和有效性.     

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DSK6455的OFDM水声通信算法设计与实现

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术由于其具有频谱利用率高、抗多径和抗脉冲噪声能力强、在高效带宽利用率情况下的高速传输能力以及实现方法简单的特点,成为了近年来水声通信中的研究重点和热点之一.基于OFDM技术,在SDI公司的TMS320C6455DSK(DSP Starter Kit)板卡上实现了实时水声通信,试验结果表明,在4.3km的水平通信距离上,采用QPSK调制,1/2卷积码编码,通信带宽为4kHz,通信速率达到了1873 bps,误码率小于10^-4.为实现OFDM技术的水声组网通信,水声语音、图像传输奠定了基础.     

拖线阵声纳数字式水下数据高速传输的设计

通过拓扑结构的分析,提出了一种针对拖线阵声纳的数字式水下数据高速传输的方案;介绍了水下数据传输节点的总体设计,并详细地介绍了HOTLink发送接收控制器的设计;然后设计了基于伪随机序列码的误码分析仪,并用其测试了水下数据高速传输节点的误码率。误码测试结果和性能比较结果表明该方案切实可行,并能够方便地实现小型化。     

单载波频域判决反馈均衡水声通信技术研究

水声信道中多途干扰严重,由多途效应引起的码间干扰是影响水声通信系统的关键性因素。单载波频域均衡(Single-Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)技术基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术提出,能有效对抗水声信道中的多途干扰,同时能避免OFDM技术峰值平均功率比高的不足。文中先介绍判决反馈均衡算法,并与其他均衡算法的抗多途性能进行比较。然后为提高系统均衡的可靠性和水声信道带宽利用率,对传统数据帧结构进行改进。将独特字(Unique Words,UW)序列均分,提高水声信道估计的精度,进而降低误码率,增加传输的可靠性;增加数据帧中有用信息符号,系统误码性能几乎不变,水声信道频带有效利用率提高。最后开展水池试验,验证了算法的有效性和可靠性。     

北极高速水声通信实验初步研究

因海冰覆盖和独特的声速剖面特征,北极水声信道有其特殊性,为研究、开发和利用北极,需要开展北极水声通信研究。2017年夏季在北冰洋中心区开展了一次距离1.26 km、通信速率为1.2 kbps的冰下水声通信实验。实验结果表明通信系统的载波频率偏高、声接收端背景噪声级较高以及水声信道上界面的海冰分布较为复杂是导致实验结果误码率偏高的主要原因,提出了相应的改进措施和建议。实验过程中,水声通信设备系统工作良好无故障。此次实验为极地水声通信装备的研制、极地水声通信的研究与应用积累了宝贵经验。     

改进的被动时间反转阵处理水下通信

时间反转技术由于不受环境制约,能自适应实现信道多途压缩和对指定点的空间聚焦,降低多用户通信过程中的码间干扰和同道干扰,广泛应用在水声通信领域。利用垂直阵加权处理的方法,在被动时间反转的基础上增加了一抵消项,抑制其中一个用户在接收阵的接收幅度以达到对另一用户指定通信的目的。模拟仿真显示该方法比单独只用被动时间反转处理,误码率能降低一半。海上试验数据处理结果与模拟仿真基本一致。     

基于FFH/MFSK的深海远程水声通信技术

为实现深海远程水下通信,提出了一种FFH（Fast Frequency Hopping）/MFSK（快跳频/多频移键控）通信方案。该方案利用快跳频技术对已调MFSK信号进行二次调制,借助频率分集,可有效地抑制远程水声信道因多途传播而引起的频率选择性衰落,从而更好地实现远程低信噪比条件下可靠通信。同时采用深海声道作为通信系统水声波导,将通信节点置于声道轴以大幅提高通信距离。仿真及湖试结果证明了所提方案的良好性能。     

水声通信中变步长神经网络盲均衡算法研究

在水声通信领域多途引起的码间干拢可以用均衡消减。盲均衡不需要训练序列,这将有效的节省通信带宽,提高通信效率及通信性能。实际中的通信信道不可能是完全线性的,神经网络作为一种非线性动态系统,具有大规模并行处理及高度的鲁棒性特征,将其应用于水声信道盲均衡切实可行。文中对变步长BP算法的前馈神经网络进行了理论和算法分析,并通过计算机对其实现水声信道盲均衡进行了仿真。仿真结果表明采用变步长BP算法比采用传统BP算法的神经网络盲均衡器收敛速度快,均衡性能明显提高。