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。     

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.     

一种有效的水声通信多普勒处理方法

在水声通信中,由于发射和接收平台之间的相对运动,多普勒频移是无法避免的。多普勒频移使信号频率和相位发生变化,降低载波估计的精度,造成自适应均衡器的发散,使整个系统的性能下降。文中设计了一种应用于水声多载波相干调制系统的多普勒处理方法,采用块估计和线性插值以抵消多普勒频移的影响。仿真结果表明,该方法能有效地抵消多普勒频移对多载波相干调制系统的影响。在信噪比为-10dB、数据率为100bit/s的条件下,系统允许相对运动速度可达到±10m/s。     

基于频域变采样的OFDM水声移动通信多普勒补偿算法

针对正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)在水声移动通信条件下存在对多普勒频偏敏感的缺陷,提出了一种基于频域变采样技术的多普勒补偿算法。利用移动通信条件下OFDM子载波正交性不变的特点,通过频域变采样实现对多普勒的快速补偿,并采用编码反馈校验技术跟踪系统多普勒变化,达到了OFDM移动通信条件下实时通信的目的。仿真和水池实验结果证实:频域变采样多普勒补偿算法不仅可以实时地跟踪通信载体运动变化,快速补偿多普勒,同时大幅降低了时域变采样多普勒补偿算法的计算量,降低了通信系统硬件平台复杂度。     

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。     

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。     

一个基于FPGA的低复杂度水声直扩系统设计

基于现场可编程门阵列(FPGA),设计并实现了一个低复杂度的支持码分多址接入(CDMA)机制的水声直接序列扩频(UDSSS)通信系统--UADSSS/CDMA,给出了系统的整体设计和信道编码电路、信号捕获电路的详细设计.信道编码采用规则重复累积(RA)码,解码迭代算法采用低复杂度的最小和算法,给出了一种快速运算的电路设计;信号捕获电路采用延迟相关捕获算法,给出了一种低复杂度的基于流水线结构的电路设计.进行了水声试验平台测试、湖试、海试等性能测试,结果表明,系统在抑制多径干扰和支持多用户通信方面具有良好的性能:试验平台测试显示,单用户通信的误码率为10-4数量级,存在两个用户干扰的误码率为10-3数量级;湖试显示,零误码的数据包为74.8%;海试显示,零误码的数据包为34.4%.     

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。     

水声通信中的多载波CDMA

多载波码分多址技术是第三代数字通信系统研究中重要课题之一，其主要特点是采用多载波并行传输，成为通信系统提高传输速率的一种有效方法。水声通信在远距离传输时通信速率通常比较低，本文将水声扩频通信与无线电通信中这一成熟技术加以结合，以提高水声通信的传输速率，给出了UW—MC—CDMA系统并进行了分析。     

认知型水声通信时空自适应处理算法研究

针对浅海水声通信面临的复杂干扰环境,提出了一种适用于水声通信系统的认知型时空自适应处理算法。该算法在传统时空自适应阵列处理算法的基础上引入了干扰认知的功能,通过干扰认知处理降低计算量,并且实现干扰样本的选取,确保自适应算法的可靠收敛。利用了协方差矩阵特征分解和多重信号分类(Multiple Signal Classification, MUSIC)估计干扰的个数,辅助选取盲源分离算法中的维度和时空自适应算法中的空域维度,进行算法降维处理。针对采用盲源分离后的各干扰,采用包络检测法提取时域特征,采用短时傅里叶变换(Short-time Fourier Transform, STFT)方法提取时频谱特征,分析干扰特征,实现干扰分类,从而实现干扰样本的选取。通过计算机仿真验证了该认知处理算法的性能。     

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。     

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。