水声通信中的信道建模与仿真技术研究

水声信道是水声通信的一个重要组成部分,它的研究可以提高水声信号传输的可靠性。对水声通信中不同信道模型的传播特性进行较为详细的理论分析,并用MATLAB仿真软件对不同的信道模型的传播损失特性进行仿真,为水声通信系统的信道设计提供理论基础。     

OFDM水声通信系统的LS-OMP信道估计

对于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统,最小二乘(Least Squares,LS)信道估计方法受噪声影响较大,并且使用的导频数量较多,影响通信效率。而基于压缩感知理论的正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)信道估计方法可以充分利用水声信道的稀疏特性,同时能够有效地抑制系统噪声,但控制迭代运算次数的相关参数(稀疏度或误差容忍值)是OMP算法的关键条件。针对上述问题,提出了利用少量导频随机分布的LS和OMP联合的信道估计方法,该方法首先利用少量导频采用LS方法估计出OMP算法的误差容忍值,再利用OMP算法恢复数据子载波的信道信息。理论分析和仿真结果同时表明,与传统的LS算法或OMP算法相比,新算法能够在数据恢复的同时有效抑制系统噪声,应用稀疏特性及较少量的导频,进一步提高了系统的频谱效率,对时变稀疏水声信道具有更好的适应性。     

时频编码在水声通信中的应用

研究了一种采用脉冲时延差和多频码元组合编码的水声通信技术。该技术利用多个频率分不同时隙去填充一个CW脉冲组成mbits的码元,用码元之间的时延值再携带nbits的信息,在接收端采用时延估计和频率检测技术进行解码,使得在保持较高通信速率的前提下,将码元间距扩展到足够宽,有效地克服了由于水声多途效应产生的码间干扰,减小了频带占用率,提高了通信可靠性。海试表明,采用TD-MFM技术数据传输速率较高,系统易于实现且稳健性较好。与FSK通信方式相比,其功耗大约减少75%,且误码率低,约为10-3-10-5。但该方案若有一个码元的时延测量错误,会导致后继一个码元也出错,因此,其纠错技术较复杂,相关研究正在进行中。     

一种水声通信中基于信道估计的假设反馈自适应均衡器

直接序列码分多址(DS/CDMA)是一种受关注的水下声通信网多址接入方案。提出一种基于信道估计的水声DS/CDMA系统自适应码片级均衡器。水声信道的时变特性要求自适应均衡器系数以码片速率更新,而不是以码元速率更新。在线性均衡之前利用信道估计器抑制由先前发送的码片引起的码片间干扰,仅对少量幅值较大的信道抽头做均衡,有效地降低了运算复杂度。仿真实验验证了均衡器的性能。     

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。     

基于压缩感知的OFDM水声通信信道二次估计算法

该文主要研究OFDM水声通信信道二次估计技术,针对传统信道二次估计算法跟踪估计缓慢时变水声信道存在误码遗传的缺点,提出了一种基于压缩感知的信道二次估计算法。该算法结合水声信道的稀疏特性,利用经过编码校验后的大多数可靠信息,二次匹配追踪信道频域响应,作为系统均衡器的反馈输入信息和次时段信道初始信息,有效地抑制了系统的误码遗传。通过Matlab仿真实验和水池试验,验证了基于压缩感知的信道二次估计算法的可靠性和高效性。     

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。     

水声通信Doppler扩展估计的实验研究

发射机和接收机之间的相对运动引起Doppler扩展,即时间选择性衰落,它导致发射信号频率扩展。Doppler扩展是动态通信时导致误码率上升的主要原因之一,所以通信接收机首先需要估计Doppler扩展,然后才能补偿Doppler扩展,从而够降低动态情况下的误码率。单频信号是频率敏感信号,根据相对发射机的频率偏移量可以估计Doppler扩展。由于声传播速率相对较低,Doppler扩展导致接收信号相对发射信号产生时间上的伸缩变化,这样也可以采用测量伸缩量的办法估计Doppler扩展。通过水声通信湖上试验,验证了这两种方法的可行性,为未来的水声通信研究提供借鉴和参考。     

OFDM水声通信系统动态OMP信道跟踪算法

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)水声通信系统中最小二乘(Least Square,LS)信道估计算法和静态压缩感知信道估计算法分别存在估计精度低、导频开销大和计算复杂度高、实时性差的缺点,利用水声信道冲激响应的时域相关性,通过建立动态稀疏观测模型,提出一种动态正交匹配追踪(Dynamic Orthogonal MatchingPursuit,D-OMP)信道跟踪算法。该算法仅在初始时刻进行一次完整的正交匹配追踪(OrthogonalMatching Pursuit, OMP)信道估计获取信道支撑集,之后通过连续跟踪前一时刻信道支撑集的变化来跟踪信道。仿真结果表明,在导频开销相同的情况下,与传统LS算法、经典OMP算法相比,所提算法具有更好的信道跟踪性能和较低的算法复杂度。     

水声通信中的混沌跳频技术研究

为了提高水声通信的保密性能,提出了一种简洁的混沌跳频图案实现方法。研究了量化logistic混沌序列产生的跳频图案性能,给出了平衡性、相关性、跳频间隔的仿真结果,验证了近距离水声通信中采用混沌跳频技术的可行性。     

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     

多载波水声信道估计技术及其研究进展

简述了水声信道与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统之间的必然联系,概述了基于导频符号的信道估计算法、自适应信道估计算法、子空间信道估计算法以及压缩感知稀疏信道估计方法在水声通信中的应用现状,总结了各种算法的特点,比较了各种算法的优缺点,并指出了未来水声信道估计的发展方向。     

基于深度神经网络的水声FBMC通信信号检测方法

针对传统水声滤波器组多载波(Filter Bank Multi-Carrier,FBMC)通信接收端需经过信道估计和均衡才可恢复出发送符号,系统复杂度高且信道估计精度不佳等问题.文章将深度神经网络融入到水声多载波通信当中,提出一种基于深度神经网络的水声FBMC信号检测方法.在训练阶段通过大量的数据迭代、调试超参数和优化...     

低复杂度均衡在水声OFDM通信中的应用

由于水声信道特性，传统的用于消除载波间干扰的均衡器计算复杂，难以实现。本文提出了录用一种降低复杂度的均衡方案，通过预处理将信道矩阵简化，然后采用MMSE准则进行均衡。仿真表明，该均衡器町以有效提高OFDM正交频分多路(Orthogonal frequency division multiplexing)符号的平均载干比(SIR)，且运算量有明显降低。     

一种低复杂度的正交频分复用水声信道估计方法

高可靠性、低复杂度的信道估计是实现正交频分复用(OFDM)数据通信的必要前提。由于水声信道是时间、频率高度散射的信道,传统的基于维纳滤波的信道估计复杂度过高,参考无线信道的广义平稳非相关散射(WSSUS)模型,本文提出了一种基于最小均方误差(MMSE)准则的低复杂度OFDM水声信道估计方案,其运算复杂度明显降低,并被实际实验证明是可行、有效的。     

基于卡尔曼滤波的时变水声信道估计

为了能同时利用时变水声信道的簇状稀疏特性和时间相关性,构造了一种时变水声信道模型,并基于该模型对传统的卡尔曼滤波压缩感知算法进行改进。该方法主要利用前一时刻估计的信道状态响应来确定当前时刻信道的候选支撑集,并以此构造时变水声信道的状态转移方程。通过卡尔曼滤波迭代的方法计算候选支撑集上的系数,最后通过阈值法滤除误差原子。仿真结果表明：该方法能有效地利用水声信道间的时间相关性来提高信道估计的性能,同时由于水声信道存在簇状稀疏特性,因此经该方法也具有一定的鲁棒性。     

水下声信标信号的多脉冲匹配滤波改进方法

水下声信标信号检测是搜寻黑匣子的重要技术之一。针对水下声信标信号声源级低、脉冲宽度窄所带来的检测难题,充分利用声信标信号周期短、相邻脉冲信号相关性强等特点,提出了一种基于多脉冲积分的改进匹配滤波方法,通过前后脉冲匹配方法克服标准信号匹配处理中因信号畸变带来的匹配处理增益下降,通过多脉冲累积提高积分增益。通过仿真实验验证,当取多脉冲累积数为6时,在理想白噪声环境下,所提改进方法比传统单脉冲匹配滤波检测性能提高约4 dB,特别是在存在明显多普勒影响下,传统方法适应性下降,所提改进方法有9 dB的性能提高。通过对湖上实验数据的处理也验证了所提方法的有效性。     

船载水声定位系统自动校准技术研究

在分析常规水声定位系统校准方法的基础上,结合某型船载水声定位系统的工程研制,提出了一种自动校准方法。该方法无需常规的动态或静态校准,可在每次系统安装完成后自动检测及校准。利用基阵中心位置的发射换能器以及船只固定连接杆入水端的发射换能器依次发射校准声信号,将获得的水声定位坐标与上述两个发射换能器固定对应的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)天线坐标进行平移和偏转,获得偏移参数矩阵,实现系统校准。某水域的跑船试验验证结果表明,利用该自动校准方法可在两分钟内完成全部自检及校准工作,并且水声定位轨迹与跑船GPS轨迹重合较好,具有校准效率高、测量精度高等优点。     

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。