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《浙江大学》 2012年
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浅水起伏环境中模型—数据结合水声信道均衡技术

夏梦璐  
【摘要】:水声通信是海洋中通过声信号实现的无线通信。由于水中声传播速度慢、可利用带宽窄等特点,水声通信面临众多不同于陆地无线电通信的技术难点。特别是浅海环境,由于其边界及介质起伏效应,造成多径时延扩展、多普勒频移扩展严重,且表现出快速时变特性,使传统的高速通信信号处理技术性能不佳,甚至无法工作。 论文针对浅海起伏环境下具有延时、多普勒扩展及时变特点的信道,以声传播环境-声通信信道-通信信号处理为主轴,采用基于水声传播互易性这一物理机制发展的时间反转处理方法,结合单载波、多载波相干水声通信信号体制,发展模型与数据相结合的信道估计和均衡技术,旨在深入研究浅水水声通信信号传播物理模型的同时,探讨现实起伏环境中实现可靠高速数据传输的水声通信信号处理方法及系统设计。 因地理位置、温度、盐度等的不同,声速在不同浅海环境中呈现不同的梯度模式,水声通信的信道冲击响应也千差万别。目前并没有一个通用的浅海水声通信信道统计模型可用于描述所有浅海环境,这就要求我们在研究水声信道时将模型和数据相结合,利用模型的一般性和数据的特殊性设计稳定可靠的水声通信系统。时间反转技术是基于声在时不变环境中传播的互易性提出的一种信号处理方法,即若环境时不变,将接收到的信号时间反转发射,信号将在最初的发射位置实现空间聚焦和时间压缩。论文的主要思想就是基于声信号时反的特性开展理论和实验研究,并应用于相干水声通信中。 然而浅海起伏环境中,时变是造成通信接收机性能下降的主要因素。这就引出论文的一个重要研究方向:起伏环境对水声通信信道的影响,以及如何在起伏环境中跟踪信道变化。论文首先建立了基于散射信道物理模型的状态空间时变信道模型,并采用卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波实现信道的估计和跟踪。由于信道时延扩展严重,随时间变化明显,造成估计算法运算量巨大。论文提出了估计并跟踪时反信道——经过被动时反处理后的相关信道函数。根据理论分析和实验数据观察,时反信道时延扩展明显小于信道冲击响应,且结构相对稳定,对时反信道的跟踪明显可降低待估计参数的更新频率和算法计算量。 对时反信道特性的研究为设计被动时反均衡方法提供了基础。由于信道的时变,被动时反后的时反信道并不是理想的单位冲击函数,仍然存在着时间扩展及通信信号间的码间干扰。因此在被动时反处理后可级联一个简单的时域判决反馈均衡器,用于消除残余的码间干扰。当环境时变严重时,近似单位冲击函数的时反信道会随时间发生扩展,这种情况就需要更新用于时反操作的参考信道响应。在设计接收系统时,论文提出通过检测估计时反信道的卡尔曼滤波的误差变化,判断是否需要更新参考信道响应。实验数据的处理和分析验证了方案的可行性。 论文同时研究了单载波频域均衡系统在水声通信中的应用,在揭示其数学表达式与被动时反结合时域均衡非常相似的基础上,论文将两者从理论和实验数据两个方面进行了比较。两者在时不变环境中,是等价的。而在时变环境中,单载波频域均衡需要更频繁地更新信道冲击响应函数。频域均衡的另一个缺点是由于基于快速傅立叶变换实现,其每一块用于快速傅立叶变换的数据前需要加入循环前缀,以保证序列可周期扩展,且循环前缀的长度必须大于信道响应扩展的最大长度。这种信号形式产生很多信号冗余,降低了平均通信速率。 利用时反信道的特点,论文进一步尝试了将被动时反技术与多载波通信体制相结合,设计了被动时反结合正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)通信系统。基于被动时反处理后的时反信道时延扩展小的特点,设计符号时间宽度短、子载波较宽的OFDM信号,使得OFDM对多普勒效应和随机多普勒的宽容性增强。仿真和实验数据分析展示了方案的有效性。
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