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.     

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。     

叠加编码技术在水声OFDM通信系统中的应用研究

<正>交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信技术由于具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点,成为当前水声通信的研究重点和热点。在保证鲁棒性能的前提下,为了能够进一步提高其吞吐量,将叠加编码(Superposition Coding,SC)技术应用于水声OFDM通信系统中,在保证基本信号的同时获得额外的信息。仿真结果和水池实验结果表明:通过选择合适的功率分配因子,叠加编码在保证两路信号误比特率性能的前提下,可以提高系统的吞吐量,具有很好的应用前景。     

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。     

RA码在水声OFDM通信系统中的应用研究

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术由于具有频谱利用率高、抗多径能力强等优点,成为当前水声通信的研究重点和热点,但较高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)严重影响了水声OFDM通信系统的性能。采用重复累积码(Repeat Accumulate, RA)作为信道编码方案,并用线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Registers, LFSR)代替原RA码结构中的累加器,再通过选择映射(Selective Mapping, SLM)方法降低系统的峰均功率比。计算机仿真和水池实验结果表明,采用改进结构的RA码结合SLM技术能有效降低水声OFDM系统的PAPR,提高系统的性能,具有很好的应用前景。     

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。     

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。     

带内全双工水声通信残余自干扰实时抵消技术研究

带内全双工水声通信(In-Band Full Duplex Underwater Acoustic Communication,IBFD-UWAC)因其频谱利用率可达传统半双工模式的两倍,已成为水声通信领域的研究热点之一。由于本地发射强功率自干扰信号会导致通信系统误码率性能无法达到正常需求,因此自干扰抵消(Self-interference Cancellation,SIC)技术成为IBFD-UWAC中的核心问题。针对经过模拟SIC或空间自干扰抑制后的残余干扰信号问题,文章利用硬件在环(Hardware In-Loop,HIL)仿真,基于Simulink^® Desktop Real-time平台,实现了实时SIC,并利用瞬时状态误差判断期望信号到达情况,提出一种基于期望信号到达阈值的改进Sigmoid函数可变步长最小均方(Improved Sigmoid function based Variable Step Size,LMS,ISVS-LMS)算法,该算法大大降低了期望信号对SIC过程带来的影响。分析、仿真及实验表明：该方法可实现实时带内全双工水声通信的自干扰抵消,且算法的收敛速度以及稳态效果均有显著提升。     

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。     

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。     

基于深度学习的OFDM半相干水声通信方法

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)水声通信中常用的相干和非相干通信分别面临的对多普勒敏感和频谱效率低的问题,提出一种高阶幅度键控调制的半相干通信技术,将OFDM符号时频帧结构中全部频点采用高阶幅度键控调制方式,并利用信号幅度信息完成半相干信道估计。通过两种基于深度学习的算法优化半相干信道估计这一非线性过程,较非相干通信有效提高了频谱效率,较一定信噪比下的相干通信提高了鲁棒性,降低了误比特率和系统复杂度,并利用元学习算法降低深度学习算法对训练数据的依赖。最后,提取海试信道数据,完成OFDM半相干水声通信系统仿真,验证了所提方法在频谱效率和系统误比特率性能方面较非相干和相干通信的优势,当信道长度改变时,基于元学习的算法依然可以获得较好的性能。     

基于正交频分复用的水下转发器的设计

为解决长距离高速水声数据传输问题,采用接力式水声数据转发传输是一个很好的解决方案。结合正交频分复用技术的特点设计实现了一个数字式的水下转发器系统。系统功耗低、结构简单,可以很好地解决水声通信中存在的多途干扰和窄带宽问题,实现高速、可靠的水下数据转发的目的。湖试中,在6000m的距离内,3kHz带宽下,转发速率为4.32kb/s,误码率低于10-3。湖试结果表明,基于正交频分复用的水下转发器可以达到较高的转发速率和较低的误码率。     

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...     

一款水声通信换能器研究

随着声呐技术的迅速发展,水声通信在海洋科学研究及海洋开发中发挥着非常重要的作用,水声通信换能器是水声通信设备中负责电声转换的重要部件。研究了一款带底座的溢流圆管换能器,通过有限元仿真计算了换能器发送电压响应和方向性等参数,优化了换能器中的陶瓷元件和底座的结构尺寸,制作并测量得到一款半空间指向性的水声通信换能器,换能器的工作频段为11~23 k Hz,带内起伏为3 d B,最大发送电压响应为133 d B,-3 d B垂直开角大于180°。