利用声纳基阵实现多通道分集与均衡

在水下电报、远程控制、语音和图像传递等水声通信技术中,由于海洋水声信道是一个时变、频变、空变的非平稳随参信道,使得水声信道的传输速率低、频率资源利用率有限、码间干扰严重、误码率高。针对海洋水声信道的特点,描述如何利用基阵声纳的多通道结构,来实现多通道分集与联合均衡,从而减小多途效应引起的水声通信中的码间干扰,使得陆地移动通信系统中的一些先进技术能够在此基础上得到应用,并为现有的目标探测声纳增加水声通信功能提供参考。     

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。     

界面反射对信号频率估计的影响

将海洋信道看作是相干多途信道，使用以射线理论为基础的水声传播模型仿真研究了浅海界面反射对信号频率估计的影响。     

基于水平阵的柱面声源高分辨时反聚焦定位方法

针对浅海条件下利用水平阵对水下目标进行噪声源近场高分辨定位会受海面、海底形成的多途效应影响,致定位结果具有严重的背景起伏甚至出现虚假目标问题,在建立水平阵近场柱面聚焦测量模型基础上,分别研究适用于单频线及宽带连续谱信号的水平阵柱面聚焦定位方法,即将幅度补偿引入MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)近场聚焦波束形成中,充分利用声波幅度信息及相位信息,并据基于射线理论的虚源法建立水声相干多途信道模型与静态介质中波传播的互易性及时反不变性,生成与水声信道特征信息相匹配的空间聚焦导向矢量。结果表明,该方法可有效克服多途效应影响,实现柱面声源高分辨定位。     

H序沃尔什快速变换及其在水声扩频通信中的应用

严重的多途衰落、多普勒频偏是水声通信中引起误码的主要原因,扩频通信技术的抗多途、抗干扰性能使之适合用于水声通信。然而,要想较好地解决多途衰落和多普勒频偏问题,须对接收信号进行多途分量的提取和多普勒频率搜索。这将使程序的运算量大为增加,一般的相关算法无法满足数据处理的实时性。沃尔什快速变换能够快速的实现矢量和矩阵的相关运算,将其应用到水声扩频通信中的扩频编解码、频率搜索和多途分集,可以保证接收信号的实时处理。从而,在信道多途比较严重、环境噪声较强的浅海信道中,能够实现长距离、低信噪比、低误码率、高保密性的实时扩频通信。通过湖试和海试,验证了此水声扩频通信系统的上述优良性能。     

水声通信多通道最大似然联合均衡译码方法

水平阵是水声通信中常见的阵列接收形式,但垂直阵也有重要的应用场合。文章提出了一种适用于垂直阵的水声通信多通道最大似然联合均衡译码方法,相比现有仅在信道均衡中叠加各通道信号的多通道判决反馈均衡方法(Multichannel Decision Feedback Equalizer, M-DFE),该方法利用最大似然准则,在一体化联合均衡译码过程中融合空间多通道接收信息,将空间增益直接用于抵抗水声信道多途衰落和译码纠错,有效提升了水声通信的性能。仿真结果表明,在误码率同样达到 10^-3的条件下,该方法所需信噪比相比 M-DFE方法可下降 2 dB。海上实验结果显示,在多种信道条件下,该方法实现正确译码的通信速率是 M-DFE方法的 1.25倍以上。     

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。     

信道冲激响应函数和频响函数在水声信号处理中的应用

相干多途信道的其冲激响应函数和频率响应函数只与收发位置及水文条件有关,与信号形式无关.本文从信道的冲激响应函数和频响出发,通过分析信道在不同条件下冲激响应函数的有效宽度、频响函数特征,得出一些有意义的启示,对水声信号处理有参考意义.     

瑞利分布时变水声信道仿真与实验

提出了一种使用Jakes仿真模型对时变水声信道进行模拟的方法。该模型是在研究水声信道衰落特性的基础上，基于信道包络服从瑞利分布而提出的。利用瑞利信道的多径延迟向量和功率向量，根据多普勒频率扩展对信道的时变性进行仿真，计算量较小。使用试验数据中提取的参数对声信道进行了仿真，并与海试实测信道进行了对比分析，通信误码率、星座图和信道的频率响应都比较相近，证明该模型是对随机时变衰落的多径水声信道进行仿真的一种简单有效的方法。     

基于Pattern时延差编码体制的4信道水声通信

采用Pattern时延差编码(PDS)通信体制,研究了4通信信道水声通信技术。通信系统利用信息码元的时延差值进行时延编码,采用码元的多种不同波形(Pattern)来进行码元分割,另外还采用频率分割来划分通信信道。其优点是可有效对抗水声多途干扰并实现高速通信,通信速率达到1200bit/s。提出依据最小均方误差准则,利用波形相似性来联合估计两个信道的时延差值。通过大量海洋信道仿真实验,验证了PDS体制具有高通信速率和高可靠性。     

基于OFDM的大气激光通信湍流抑制关键技术研究

文章在分析无线激光通信(FSO)存在两种主要的大气信道问题的基础上,针对激光大气信道问题尤其是在复杂湍流环境下的频率选择性衰落问题和多径效应问题,提出了基于正交频分复用(OFDM)的湍流效应抑制方法,构建了FSO-OFDM系统,研究了该系统的基带模型以及信号的多载波调制与解调方法。分析了无线激光通信中存在复杂湍流环境下的大气信道问题,讨论了大气湍流影响下的平面波激光通信系统模型,建立了大气湍流影响下对数正态湍流通道的高斯光束空间光通信系统模型,推导了光波强度的概率密度函数,研究了利用信噪比概率密度函数分析各种大气湍流效应对系统性能影响的方法;设计了无线光通信系统的OFDM多载波调制方案,构建了FSO-OFDM系统基带模式模型,并基于该模型研究了其信号的调制与解调原理。最后,采用MATLAB编程实现FSO-OFDM系统,对多径干扰下的FSO通信系统进行仿真实验,进行了不同保护间隔下的误码率特性实验,验证了FSO-OFDM系统具有很强的抗多径干扰和频谱选择性衰落能力以及良好的BER性能,可有效解决码间干扰大、链路不可靠的问题,具有非常广泛的应用前景和使用价值。     

异步CDMA系统多径信道的直接盲均衡

针对多径CDMA系统提出了一种接收器采用天线阵的基于二阶统计（SOS）的直接盲MMSE信道均衡方法。与利用信号和噪声的子空间分解估计出信道的脉冲响应的大多数二阶统计方法不同,它直接估计维纳－霍夫滤波器中所需的互相关函数。由于不依赖于信号和噪声子空间分解,因而对信道阶次的估计误差不敏感。计算机仿真结果表明,该方法比现有的一些基于子空间分解的方法具有更好的性能。     

Adaptive pseudo-noise code acquisition scheme using automatic censoring for DS/SS communication in frequency-selective Rayleigh fading channel

An adaptive pseudo-noise code acquisition scheme based on automatic multipath signal cancellation for mobile communication systems in frequency-selective Rayleigh fading channel is proposed. The proposed system combines a serial strategy and an automatic censored cell-averaging constant false alarm rate (CFAR) detector based on ordered data variability. This system does not require any a priori information about the number of interferences caused by the presence of multipath signals in the reference channel. The mean acquisition time and the detection performances of the proposed processor are evaluated and compared with those of the conventional adaptive acquisition scheme based on fixed-censoring point detector. It is shown that the considered scheme outperforms significantly the conventional one. The effects of various channel parameters on the acquisition performance, namely the number of resolvable paths, the partial correlation length and the signal-to-noise ratio are also investigated.     

基于双信号对比法的水声信号重构技术

针对水声信道的多途干扰问题,提出了一种适合同态系统的信号重构方法。从同态滤波技术的解卷积特性出发,推导了水声多途信道的复倒谱表达式,对比不同地点或不同时刻接收信号的倒谱特征,通过提取相似性高的成分,实现了基于双信号对比法的水声信号重构技术。仿真和试验数据处理结果验证了方法的有效性,且性能优于常规特征滤波器。     

Performance of impulse radio direct sequence ultra-wideband system with variable-length spreading sequences

An adaptive transmission scheme using variable-length spreading sequences (VLSS) is proposed. The system is based on an impulse direct sequence ultra-wideband (DS-UWB) approach for wireless communication where the number of active users is variable. In contrast to the conventional DS-UWB system, which employs a fixed length spreading code, the proposed system changes the length of spreading code according to the system load adaptively, which is proven to be able to reduce the inter-chip interference, inter-symbol interference and multiple-access interference and thus improve the system performance in terms of bit error rate. The proposed system is simulated in multipath channels with a high level of multipath fragments, modelled by the standard IEEE 802.15.3a indoor channel model 1 (CM1) and channel model 2 (CM2). Numerical results demonstrate that when RAKE receivers are employed, the proposed VLSS DS-UWB system outperforms the conventional system by appropriately allocating the spreading sequences.     

互相关法时延估计中的多径抑制方法

浅海信道是一个多径信道,对于基于相关法的延迟估计,多径效应常常会导致相关函数中出现伪峰,伪峰的幅度有时会超过主峰,进而增加了相关峰选取的难度。利用 AR 法滤波对信号中的多径分量加以抑制,从而削弱了伪峰的幅度,提高了延迟估计的准确性。先从理论上论证了线性预测法可以对多径干扰进行抑制,再用仿真信号和实际信号验证了方法的效果。对于仿真信号,在无噪声干扰的条件下,选择合适阶数的滤波器可以使信号中的多径分量被完全抑制;对于正信噪比的实际信号,其中的多径分量在一定程度上被抑制,从而由多径分量产生的相关峰会被明显削弱,减少了峰值位置的跳变。     

基于短时傅里叶变换的水声OFDM时间同步方法

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术具有抗多径、频带利用充分、传输数据率高的优点,在水声通信中具有重要的发展前景。由于多普勒频移和多径时延的存在,需对OFDM信号进行时间同步。同步不准会引起OFDM水声通信中符号间干扰和子载波间干扰,提出了一种基于叠加单频序列的短时傅里叶变换(STFT)时间同步方法,该方案首先提取叠加在OFDM符号上的单频信号,对该信号进行短时傅里叶变换,随后对其时频幅度谱进行分析,利用平坦区域确定同步时刻。仿真和试验结果表明,该方案有效可行。     

多途环境下的单通道水声信号盲源分离

提出了一种适用于多途环境下的单观测通道水声信号盲源分离方法。该方法首先利用自相关估计多途时延,使经各途径到达的多途信号同相叠加,信号能量得到增强,而噪声由于随机性能量不会增加,进而提高信噪比。然后采用间隔重采样的方法,虚拟多接收通道,解决单通道的欠定问题。仿真分析表明该方法可以有效解决多途环境下的舰船辐射噪声与环境噪声分离,而且在不同信噪比下有较稳定的分离性能。     

一种改进LS信道估计算法在稀疏多径水声信道中的应用

为了消除水声正交频分复用调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统中噪声对稀疏多径信道估计的影响,提出了一种改进的最小二乘(Least-Square,LS)信道估计算法。该方法在传统基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)插值的信道估计结构上进行了改进,得到了基于阈值探测的DFT插值信道估计方法,该方法将小于阈值的时域信道响应置零,探测最有效信道抽头,有效消除噪声干扰的影响。仿真结果验证了DFT插值在稀疏多径水声信道估计中的实用性;得到了当循环前缀长度与信道长度越接近时信道估计性能(Bit Error Rate,BER)越好的结论;确定了在两种调制方式下算法的阈值系数范围;且该新算法与已有算法所需的信噪比可低约2 d B,解决了用循环前缀长度来近似信道真实长度的实际问题。     

水声通信系统中分布式空时分组码的研究

协作传输可以获得无线信道内在的空间分集,有效改善通信系统的性能,增加通信系统的覆盖范围。对水声通信系统中两中继节点协作的译码转发方案进行了研究,提出了基于译码转发协议(DF)的分布式空时分组扩频编码(DSTBSC)方案,该方案可以克服多径衰落对分布式空时分组码(DSTBC)信号正交性的影响。给出了DSTBSC方案的系统模型,着重分析了在采用两中继译码转发时,中继节点的误码对水声通信系统性能的影响。在接收端不考虑信号冲突的情况进行仿真,结果表明,与直接传输方案相比,采用两中继节点、译码转发的DSTBSC方案,在两中继节点处均无误码和一个中继有误码时在相同的比特误码率(BER)条件下均可获得约4dB的分集增益,增加了传输距离。