移动水声通信的3种帧同步方法性能分析

移动水声通信中收发两端的相对运动会导致通信信号出现时间压缩或扩展而产生多普勒效应,较大的多普勒频偏将引起严重的载波频率偏移,影响通信系统性能。通过帧同步进行多普勒因子准确估计与补偿,是实现移动水声通信的重要基础。本文分别研究了利用LFM信号、m序列信号、HFM信号的3种帧同步方法,给出了实现原理,并针对AWGN信道和实测多途衰落信道,分别从信噪比、信道特性、相对多普勒速度、计算复杂度等方面,对比分析了3种方法在不同条件和应用环境的多普勒因子估计性能。仿真结果表明,3种方法各有优势,均可适用不同的移动水声通信应用环境。相对而言,双HFM信号同步方法多普勒估计精度高、数据传输速率快、计算复杂度低、稳健性强,可以实现复杂信道移动水声通信的帧同步。     

基于卷积神经网络与时频分析的水声通信前导信号检测方法

前导检测是水声通信中的关键步骤。传统信号检测算法无法有效克服多径和干扰的影响,在复杂水声信道环境下,检测性能会明显下降。卷积神经网络具有强大的表征学习能力,能够通过大量数据自动提取图像特征,在图像识别应用中具有突出优势。以双曲调频信号为研究对象,采用时频分析技术同时获取信号时域和频域信息,得到时频谱图,并通过均值滤波处理提高信噪比。将时频谱图作为卷积神经网络的输入,训练并测试网络,最终得到HFM信号的检测结果。千岛湖试验结果表明,该方法能够大幅提升远距离、强多径条件下前导信号的检测概率,与传统检测算法相比性能优越。     

基于改进的SOMP水声通信信道联合估计方法

水声通信信道通常表现出时变特征。然而在某些通信条件下,水声信道的变化速率相对发送的OFDM符号周期而言仍然较慢,整体呈现缓慢时变特性,而且研究表明在相邻时隙内的信道结构具有较强的时间相关性。如何利用好信道的缓变特征,设计适合的OFDM信道估计方法,对进一步改善水声通信信道估计性能具有重要意义。分布式压缩感知(Distributed Compressed Sensing,DCS)理论通过利用多个信号的共同稀疏性进行联合重构,能够进一步提高稀疏重建性能。因此本文将以此为基础,在DCS理论框架下,通过对同步正交匹配追踪(Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit,SOMP)算法进行改进,构造一种时域联合的信道估计方法并通过仿真与其他类似算法进行性能比较。     

浅海信道调频水声语音通信方法比较

水声语音通信在海洋工程、海洋科考、水下搜救等领域具有广泛应用。与单边带通信、数字编码调制通信相比,调频水声语音通信具有实现简单方便、抗幅度衰落性能好的特点,但浅海水声信道具有的复杂多径效应及噪声严重影响其获得的语音音质,容易出现语音含混、语义难辨等问题。本文通过浅海不同距离、不同多径信道下的海试实验比较了采用非线性解调法和正交解调法的调频语音通信性能,并通过客观语音质量评估PESQ(Perceptual evaluation of speech quality)方法对调频水声语音通信音质进行量化评估。     

一种基于MUSIC改进算法的宽带水声信号DOA估计

提出一种适用于水声宽带信号的DOA估计算法。该方法首先将时域宽带信号变换到频域,然后划分子带,在每个子带上进行不同的加权得到信号的DOA估计。同时子带算法采用改进的MUSIC算法,降低了DOA高分辨力估计所需要的信噪比。计算机仿真对比了MUSIC算法和改进后算法的空域分辨力,同时也对比了不同信噪比下2种算法的性能。仿真结果表明,改进后的算法无论在适用信噪比条件还是分辨能力上均有较大提高。最后采用某型水下航行器的实航数据对算法进行验证,验证结果表明该算法可在实际应用环境中获得良好的DOA估计。     

基于IDMA的水声通信自适应Turbo迭代接收机技术研究

有效的多用户多址接入方式一直是水声通信网络研究的重点与难点;在十分有限的水声可用带宽条件下常规的基于频分技术的多址接入方式并不适用;而基于CDMA的码分多址接入方式则又存在着严重的难以克服的远近效应问题,且水声信道的多途效应使接收信号产生严重的码间窜扰(ISI)。针对以上问题,本文提出了基于交织分多址接入(IDMA)的自适应Turbo迭代接收机技术的研究。接收机采用联合均衡过程和译码过程的Turbo迭代接收机,通过迭代的方式获得反馈的外信息从而提高系统性能。针对未知参数的信道,采用递归最小二乘(RLS)自适应均衡算法对信道参数迭代估计,从而指导均衡器消除码间窜扰(ISI)。RLS算法利用每次迭代译码器反馈的外信息再次估计信道参数,直接的增加了除训练序列外的可利用数据长度,从而提高估计精度。通过仿真得出在未知信道条件下接收机的性能比已知信道系统接收机的性能降低0.4 d B。     

海上水声信号处理算法中的物理特性仿真研究

通过研究海上水声信号的产生和海上水声信号定位系统的构成,设计水声信号处理系统流程,指出陆地上的主控中心与水中的基站如何进行信号数据传递,以及环境噪声、传输损耗、多径传输、多普勒效应等物理特性对信号偏移产生何种影响。最后通过实验验证加入消除滤波器后可以有效地控制多普勒效应产生的频率偏移。     

水声混沌扩频RAKE接收机的Simulink仿真

水声通信系统中,多径效应对通信质量影响异常严重。采用RAKE接收技术能够有效地对多径信号进行收集利用,增强信号能量,提高输入端信噪比,从而改善通信质量。论文首先分析了RAKE接收机的工作原理,然后在Simulink平台搭建以RAKE接收技术为核心的混沌扩频通信系统模型,并对RAKE接收机的性能进行仿真分析。仿真结果表明,水声通信中采用RAKE接收技术能够有效提高系统可靠性和抗干扰能力,降低误码率。     

基于分数阶傅里叶变换的非同步水下测距影响因素研究

如何提高水下测距精度是水声测距的要点和难点。本文采用线性调频信号(LFM)为发射信号,使用分数阶傅里叶变换(FrFt)处理提高距离分辨率,在已测海底深度的前提下,利用界面反射信号与直达信号的声程差对非同步条件下测量水下声源的精确距离的影响因素进行研究,并通过海上实验验证得到使用LFM信号利用分数阶傅立叶变换可有效提高测距精度,在已知海深的前提下可精确测量非同步发射源位置,测量精度与已知海深精度和发射信号时间带宽积有关。     

低信噪比下非线性调频信号瞬时频率估计

多项式Wigner-Vill分布(PWVD)能很好地对非线性调频信号进行分析.利用PWVD平面七的尖峰值作为非线性调频信号的瞬时频率的估计.在PWVD上,对估计的瞬时频率进行差分,利用信号差分方程的特征,结合直方图统计方法在低信噪比情况中从PWVD平面提取方差很小的瞬时频率点,从而达到精确估计的目的.     

基于DSP的直接序列扩频水声通信技术研究

水声通信由于严重的多普勒效应和多径干扰衰落,导致传输误码率较高,而扩展频谱通信具有较好的抗干扰、抗衰落能力,可以实现数据的远距离、低功耗、高可靠性传输.论文首先对扩频通信中的直接序列扩频技术进行了系统仿真研究,然后在DSP硬件平台上进行实现.最后利用湖试实验,对采用直接序列扩频技术的水声通信功能进行验证.     

希尔伯特-黄变换应用于宽带信号参数估计

多普勒效应对主动声纳接收信号的根本影响是接收信号相对发射信号的时间延迟和尺度伸缩。在宽带信号体制下对高速运动目标进行参数估计时,利用传统的窄带信号模型会产生模糊,必须采用时间尺度域模型,即利用接收信号和发射信号的相关性实现运动目标距离和速度的估计。宽带信号模型计算量大,计算时间长。希尔伯特-黄变换具有较高的频率分辨率,利用希尔伯特-黄变换对信号进行频率预估计,减小时间尺度域二维扫描的区域和运算量。在DSP硬件平台上实现希尔伯特-黄变换有关算法。     

基于FRFT的地脉动频散效应探测方法

针对由台风引起的地脉动信号中频散效应,由FRFT变换对LFM类信号良好的聚焦性,及其对调频率和中心频率的检测和估计。首先对整段地脉动时域信号的线性类要素进行检测和估计,验证了分数阶傅立叶变换在高信噪比下对线性调频信号的检测的优越性;然后,类比短时傅立叶变换,对信号进行窗口化的FRFT变换,将结果与时频图拟合,可以发现利用分数阶傅立叶变换对地脉动信号进行处理,可以更加精确的估计频散信号的调频率变化范围和起始频率,更好的验证地脉动信号的频散效应。     

压缩感知对水声信号的提取

压缩感知可利用水声信道的稀疏特性提高识别多路径传播的估计性能,本文将压缩感知的方法应用于水声信号检测研究中。并采用BELLHOP水声信道仿真模型进行水声传播信道的构建,并应用不同方法展开仿真模拟实验并进行比较,从而估计海洋水声信道声传播多路径的时延位置和幅度信息,通过对相关数据进行处理,对该方法的性能进行评估。     

一种基于混沌序列的短时猝发水声通信方法

传统的水声通信发射信号持续时间长,隐蔽性差和抗干扰能力差。文中设计了一种短时猝发的扩频通信方法,用优选后的混沌序列作为多进制扩频通信的伪随机序列,并将同步信号和数据信息分别放置在不同的子通道上,极大地压缩了发射信号时长。仿真结果表明该方法能大大提高水声通信的抗扰和隐蔽性能。     

浅海水声多途信道建模与仿真

在进行水声信号恢复和增强、目标探测、跟踪、定位、水声通信等技术的研究过程中,对海洋信道的仿真研究是进行这些水声信号处理仿真的基础。简要分析了水声信道的传播特性,主要针对水声信道强烈的多径效应这一特点,研究了浅海水声多途信道的物理模型,并通过BELLHOP射线传播模型实现了声场环境模拟以及水声信道建模。通过比较不同深度声源的声场分布,以及不同收发条件下的水声信道冲激响应,验证了水声信道的多径效应、稀疏性、传播损失、时变空变以及随机性等特性。     

基于单矢量水听器的实时性线谱提取算法

针对单矢量水听器探测条件下的水声目标线谱提取问题,提出一种可实时性迭代计算的线谱提取算法。首先利用矢量水听器声压振速通道的联合信息处理,可提高水声目标信号的信噪比。其次,利用基于极大值滤波器的线谱预处理方法对信号频谱进行峰值检测,进而通过在线谱提取过程中引入缓存器,可以在较小的计算复杂度条件下提高信号处理过程中的时间增益,再结合线谱归并方法可以较为精确的提取出目标线谱。经仿真试验分析及海上实测数据验证,该算法能够在低信噪比条件下实现对线谱的检测,并具有良好的抗线谱漂移干扰能力。     

基于OFDM水声通信多普勒技术研究

首先分析水声信道多普勒技术。为提高信道的复用性,本文基于拷贝相关的多普勒估计算法在不损失通信质量的前提下提高通信效率。仿真实验说明,本文所设计的算法与未复用帧结构的算法相比提高了通信效率。     

DCT插值算法在水声信道估计中的应用

水下通信是海上远程通信的重要手段,其信道环境直接决定通信质量。本文对水声信道进行研究,分析水声信道的特性,介绍了信道的建模方法。给出了基于DCT插值算法的信道估计方法和能够去除噪声干扰的DCT插值算法。实验结果表明DCT插值算法能够有效提高水声信道估计的性能。     

时变强多途干扰下基于差分编码的水声OFDM通信算法

时变强多途干扰影响水声通信系统性能,针对时变强多途干扰问题,提出基于差分编码的水声OFDM通信(Underwater acoustic OFDM communications based on differential coding, DC-OFDM)算法。利用循环前缀技术和OFDM通信技术固有的抗多途特性,有效消除时变多途干扰,避免信道估计环节,直接进行解码判决。南海实测信道仿真(信噪比为8dB时,DQPSK100组仿真试验,2×10~6个源码,全部正确解码)和水箱试验(信噪比为15dB时,DQPSK100组水箱试验,2×10~6个源码,在时变强多途干扰下全部正确解码)。结果表明,所提算法能有效解决时变强多途干扰问题,实现时变强多途水声信道下的可靠水声通信。