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。     

信道时域均衡技术研究

当发送信号通过非理想信道时,通常会产生码间干扰。采用均衡技术可以有效的进行补偿。均衡能够有效地克服传输中的多径干扰和消除码间串扰,是无线通信系统中的一项重要技术,并且在许多相关领域都有非常广泛的应用,目前已广泛用于通信、雷达、声纳、控制和生物医学工程等许多领域。介绍非线性均衡器,对非线性的判决反馈均衡和线性均衡做对比。仿真结果表明,判决反馈均衡器有着比线性均衡器更好的性能。     

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。     

水声DS-CDMA通信中多相位假设码片速率自适应判决反馈均衡算法研究

研究了直接序列扩频码分复用(DS-CDMA)通信中基于多相位假设的码片速率自适应判决反馈均衡算法.水声信道的衰落和多普勒频移会严重影响扩频信号的相关特性,需要在做解扩频之前进行多普勒频移补偿和信道自适应均衡.将空间分集-多普勒频移补偿-自最佳自适应判决反馈均衡算法应用到DS-CDMA通信中,提出一种基于多相位假设的码片速率自适应判决反馈均衡算法,并用实际的千岛湖实验数据和仿真数据对算法性能进行了分析.结果表明算法以增加计算复杂性为代价显著提高了DS-CDMA通信性能,在复杂快变的多途和多普勒频移条件下可以保证低的误符号率,在低信噪比条件下能够稳定工作,总体性能良好.     

冰下单载波水声通信试验研究

北极地区战略地位的提高促进了极区各种应用的快速发展,冰下水声通信成为其中一个热点问题。为了研究冰下单载波水声通信性能,在黄海冰区开展冰下试验。重点分析了内嵌锁相环的多通道判决反馈均衡(Multi-channelDecision Feedback Equalization, M-DFE)技术在冰下水声通信中抗多途时延的能力,研究比较了改进比例归一化最小均方(Improved Proportional normalized Least Mean Square, IPNLMS)算法和递归最小二乘(Recursive Least Squares,RLS)算法的均衡性能。试验结果表明IPNLMS和RLS都能克服信道多途效应带来的影响。在牺牲计算复杂度的前提下,RLS具有更好的均衡效果,M-DFE在冰下环境中能够有效消除码间干扰。     

被动时反与自适应均衡相联合的水声通信研究

在实际的水声环境中,被动时反处理单向传输、实施简单,可以减小信道衰落的影响并重组多途信号,抑制码间干扰,但因水声信道复杂性等的影响,接收到信号经被动时反处理后仍存在残余的码间干扰,为此,被动时反处理后,基于递归最小二乘（RLS）的判决反馈自适应均衡处理方法被用来消除这些残余的码间干扰。复杂的实验室波导试验结果表明这种联合处理：（1）实现了无误码传输,（2）自适应均衡器的抽头数较少,计算复杂度较低。验证了被动时间反转和自适应均衡相联合的信号处理方法在相位相干水下通信中的可靠性与高效性。     

一种浅海水声信道分数间隔自适应均衡算法研究

水声信道是最为复杂的数据通信环境之一,而具有重要军用和商用价值的浅海水声信道,其多径与频散效应更为严重。在浅海水声数字通信中,普遍存在着码间干扰和码内干扰效应,严重影响了水下通信的速度和质量。在判决反馈结构的基础上,采用分数的方法,提出了一种适用于浅海水声信道的自适应均衡算法,并通过计算机仿真实验与整数方法进行了性能对比。传输信号采用正交相移键控调制方式,以有效利用有限通信带宽。仿真结果表明,该算法获得了较快的收敛速度和较小的稳态误差,提高了水声通信的有效性及可靠性,因而具有良好的工程应用价值。     

格型判决反馈均衡器在水声通信中的应用研究

阐述了自适应格型判决反馈均衡器,研究了它在水声通信中的应用,仿真比较了最小均方判决反馈均衡器(LMSDFE)、递归最小二乘判决反馈均衡器(RLSDFE)和最小二乘格型判决反馈均衡器(LSLDFE),并给出最小二乘格型判决反馈均衡器(LSLDFE)在湖试中的结果。     

基于空时编码的分集技术

近年来,为了提高无线频谱的利用率,一些学者提出了一种结合分集发送、调制和编码的空时码。空时码是应用于无线通信中的一种新的编码和信号处理技术,它将信道编码技术与分集技术相结合,从而提高信号在无线衰落信道中传输的可靠性,采用这种技术以后,可以大幅度地提高无线通信系统的信息容量和传输速率,并能有效地提高抗噪声和抗干扰的能力。     

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。     

一种用于水声相干通信的快速自适应自最佳均衡器

多通道判决反馈均衡器(MC-DFE)是水声相干通信克服信道多径效应、消除码间干扰(ISI)的主要手段。本文提出了一种用于水声相干通信系统的分集合并自最佳自适应多通道判决反馈均衡器。该算法将快速自优化LMS分集合并(FOLMSDC)算法、快速自优化LMS(FOLMS)算法和快速自优化LMS相位补偿(FOLMSPC)算法有机地结合在一起。该算法一方面可以进一步减少运算复杂度,另一方面,由于算法中的步长因子和相位跟踪因子可以自适应地更新,因此算法可以更好地跟踪水声信道的变化,进一步提高通信系统的接收性能。仿真结果表明,本文提出的算法的性能优于现有算法。     

水声通信中无边带信息峰均比抑制算法

主要研究了多输入多输出正交频分复用水声通信中的峰均功率比抑制技术。针对传统选择性映射算法(Selective Mapping,SLM)需要将所选加扰相位序列的序号作为边带信息传递给接收端的缺点,提出了一种改进SLM算法,从判决反馈的角度设计图样检测器对所选加扰相位序列的序号进行判断,节约了边带信息传输,克服了传统SLM算法系统的误比特率性能依赖于边带信息准确性的问题,提高了系统的频带利用率。通过仿真验证,改进SLM方法能在不损失峰均功率比抑制性能的前提下,在接收端能够准确地解算出所选择的加扰相位序列序号,实现无边带信息传输的可靠水声通信。     

一种新颖的水声相干通信接收算法

为了克服水声信道的多径衰落,消除码间干扰,获得可靠的数据传输,提出了一种新颖的水声相干通信接收算法。该新型算法有两个优点:一是将自适应判决反馈均衡器和迭代译码技术相结合,二是译码采用Turbo译码原理,整个译码系统可以看作是串联迭代译码器,只是其中的内部译码器被编码比特对数似然率(LLR)计算器所取代,有效地降低了运算复杂度。同时,自适应判决反馈均衡器采用了变步长因子算法,改善了均衡器的收敛速度。仿真实验验证了该组合接收算法的性能     

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。     

一种用于多载波水声通信系统的频域均衡算法

自适应均衡器是水声通信克服信道多径衰退、消除码间干扰(ISI)的主要手段。为了在不减少数据传输速率的情况下,有效提高系统的抗多径能力,提出了一种用于水声多载波通信系统的多通道频域自适应均衡算法。利用频域LMS算法,按照最小化频域均方误差的准则调节均衡器,从而获得最优的频域权系数。该算法一方面解决了在频域求得估计误差的问题,另一方面,和采用信道编码的方式相比,在不降低数据传输速率的情况下,有效提高了系统的性能,通过仿真试验和湖试对其性能进行了验证。     

一种低能耗的水声通信编码方案的研究

研究了一种用多个不同频率的CW窄脉冲与帧同步脉冲的时延差携带信息的水声通信技术。该技术利用多个不同频率的CW矩形窄脉冲与帧同步CW矩形窄脉冲之间的时延值进行信息编码,在接收端采用时延估计和频率检测技术进行解码,从而使码元间距成为可携带信息的有用资源,将码元间距扩展到足够宽,既可有效地克服水声信号的多途影响、提高频带利用率,又可大大减少码元脉冲数量,达到节省能量并提高通信可靠性的目的。仿真结果表明,该水声通信编码体制数据传输速率适中,编码和解码简易,系统稳健。