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。     

OFDM水声通信多普勒估计与跟踪方法

水声通信中传统宽带多普勒估计方法难以准确跟踪时变多普勒因子,从而导致正交频分复用(Orthogonal Fre‐quency Division Multiplexing, OFDM)在变速运动通信场景中补偿性能不佳。针对该问题,文章提出了一种基于空载波的多普勒估计与跟踪算法。首先对三频信号做线性调频 Z 变换(Chirp-Z Transform, CZT)得到多普勒先验值,然后利用 OFDM 符号中的空载波结合载波频偏(Carrier Frequency Offset, CFO)搜索补偿技术,把估计的最优 CFO 值转换为宽带多普勒因子,进而计算当前符号的加速度并预测下一符号的速度。通过更新加速度对预测值进行修正,实现每个 OFDM 符号的多普勒估计。数值仿真和湖试结果表明,文中算法不仅能有效跟踪多普勒的变化,在匀速和变速条件下都有较好的补偿性能,而且对帧结构设计要求低,对先验误差不敏感,有利于水声通信系统的工程实现。     

远程水声扩频通信时变多普勒估计与码片同步联合处理算法

在低信噪比的远程浅海水声移动通信中,传统多普勒估计算法难以有效跟踪时变多普勒因子,针对该问题提出了一种基于时频联合搜索的新的时变多普勒跟踪算法。利用正交支路扩频码的扩频增益和互相关特性,结合迭代处理技术,搜索扩频码符号在不同码片相位下的多普勒频谱峰值,选择具有最大峰值的频谱对应的多普勒因子和码片相位,对信号进行多普勒补偿和码片同步。蒙特卡洛仿真表明,该算法能够在信噪比为-18 dB的情况下有效地对10 m.s~(-1)以内产生的时变多普勒进行逐符号跟踪补偿。算法经过海试测试,在远程浅海移动通信中成功完成了多普勒跟踪估计,通信误码率达到10~(-3)。     

全相位频谱校正技术在水声通信中的应用研究

多普勒效应是影响水下移动通信性能的主要因素,准确估计多普勒频移对提高通信系统可靠性具有重要意义。在进行离散频谱分析时,时域非整周期截断会造成频域能量的泄漏,导致频谱估计精度降低。全相位频谱分析具有良好的抑制频谱泄漏特性及相位不变性。仿真验证了全相位频谱校正技术相对于传统频谱校正技术在估计性能上的优势,并在此基础上探讨了全相位频谱校正技术在水声通信中的应用。采用全相位频谱校正技术进行多普勒频移估计,进而进行多普勒补偿以降低通信系统误码率。仿真结果表明,全相位频谱校正技术能够实现高精度多普勒频移估计,从而提高水下移动通信系统的可靠性。     

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。     

IQ不平衡OFDM系统两种逼近最大似然性能的亚最大似然补偿算法

针对在同相正交IQ不平衡的正交频分复用(OFDM)系统中用传统的最大似然(ML)补偿算法需要二维复向量的搜索,从而导致计算复杂度较高的问题,提出了两种逼近ML算法性能的补偿算法,即一维实向量迭代搜索算法和二维实向量迭代搜索算法,它们通过在空间中迭代搜索一维或二维实向量来降低计算复杂度.仿真结果表明,上述改进的亚ML补偿算法的性能优于现有的频域和时域最小二乘补偿方法,逼近ML算法,其计算复杂度明显低于传统的ML算法,误比特性能与ML算法相当.     

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。     

滤波器组多载波系统的干扰分析和性能验证

分析了多普勒频偏以及多径时延对滤波器组多载波(FBMC)系统的影响,给出了多普勒频偏以及多径时延造成干扰的闭合定量分析式,该分析式对正交频分复用(OFDM)系统同样适用,并据此对无线多径衰落信道场景中的FBMC系统与传统OFDM系统性能进行了对比.研究结果表明,FBMC系统对多普勒频偏的抵抗性优于OFDM系统,但是系统性能会随信道多径时延的增大而降低.在多径时延相对较小的快衰落信道中,符号间干扰并非影响系统性能的主要因素,FBMC系统可以利用简单的频域均衡获得足够好的性能,仿真结果验证了这一点.     

雷达系统高机动目标检测的能量积累方法研究

研究了雷达系统检测和跟踪微弱目标的能量积累方法的性能,高速、变加速的机动性较强的目标在积累时间内不仅会出现距离徙动和多普勒模糊,不同时间段能量聚焦点还会发生偏移,因而传统的Keystone变换或者一般的频域补偿方法已不适合高机动目标能量的积累的问题,提出了一种结合先验信息进行实时补偿的频域滤波方法。该方法一方面利用不同参数构成的频域补偿函数消除距离徙动和多普勒模糊,参数的估计通过一步预测、精确搜索方法结合先验信息完成;另一方面根据不同脉冲时刻参数的变化对聚焦位置平移实现不同时间段的能量积累。仿真结果表明该方法能有效解决高机动目标的能量积累问题。     

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.     

水声宽带信号的多普勒补偿

当收发平台相对运动时,水声信道表现出明显的多普勒效应.多普勒效应会引起接收信号频率的偏移,对宽带信号来说,频率偏移值随频率的大小变化,不能简单地用固定频偏进行补偿.选用OFDM信号作为对象,对水声宽带信号的多普勒补偿进行研究,基于Sharif的研究提出了改进算法,分两步进行补偿.仿真结果表明了算法的可行性,并通过对海试数据的处理进行试验验证.     

一种提高多普勒测速仪测频精度的方法

多普勒测速仪是水面或水下平台速度测量的主要设备。提出了利用随机样本一致(Random Sample Consensus,RANSAC)算法来估计多普勒频移,从而使速度测量具有更高的稳定性。多普勒测速仪信号处理的核心是测量多普勒频移,该方法利用回波复相关相位是多普勒频移的一次函数来估计多普勒频移,进而计算得到平台速度,在估计频移时采用RANSAC算法以提高测频精度。为了验证方法有效性,对信号形式为连续波(Continuous Wave,CW)脉冲对的情形进行了仿真。结果表明,提出方法的稳定性得到明显提高。     

基于能量重心法的列车轴承多普勒畸变故障声信号校正诊断研究

由麦克风采集的运动声源信号存在多普勒畸变现象,这极大的增加了对信号分析的难度,针对这一问题,本文提出了一种基于能量重心法的多普勒畸变校正方法,并将其应用在列车轴承故障诊断中。首先由基于能量重心法的瞬时频率（IF）估计（IFE）来获取IF向量,在莫尔斯声学理论的基础上,对IF向量进行非线性拟合,进而得到在时域进行重采样的时间间隔序列,再对原信号进行重采样处理,即可实现多普勒畸变的消除。最后本文做了一个仿真和列车轴承内外圈故障声信号的实验,分析的结果验证了此种方法的有效性。     

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。     

一种基于多步法的高精密主轴回转误差分离算法

论述了多步法回转误差分离算法的技术原理,提出了频域混合补偿法误差分离算法,通过分析采集到的误差数据中主轴回转误差、圆度误差等成分的频域特性,利用傅里叶变换得到误差的谐波分量,通过剔除、补偿等方式分离偏心误差、圆度误差,从而得到主轴回转误差,该算法能很好地解决谐波抑制问题。通过圆度仪在工作现场采集数据进行仿真分析,实验验证该方法的可行性,并用最小二乘法对结果进行评定。三、四、五步法得到的圆度误差评定值与厂家给出的圆度误差40 nm间的差分别为118 nm、113 nm、145 nm,而频域混合补偿法分离出的圆度误差评定值为54 nm,与40 nm仅相差14 nm,可以看出频域混合补偿法对误差的分离效果明显优于多步法的误差分离效果。     

Analysis of handoff algorithm-based on Doppler effect and RSSI measurements in GSM-R network

Compared with other kinds of networks, the mobiles in GSM for railway networks move faster, so the Doppler effect is more severe. A proposed handoff algorithm based on Doppler effect and RSSI measurements is evaluated. The algorithm performs handoff when the Doppler frequency shift value is negative and the measured signal strength of the adjacent base station exceeds that of the serving base station by a hysteresis level. The hysteresis level varies with different Doppler shift values. The average number of handoffs, average delay of handoffs, and average dropped calls are adopted as criteria for performance. Numerical results are presented to demonstrate the feasibility of the Doppler-effect-based algorithm. The proposed algorithm is compared with two other handoff algorithms. One is based on absolute and relative signal strength measurements; the other on hysteresis variable. It is found that the proposed handoff algorithm performs better than the other two handoff algorithms in log-normal fading environments.