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水声语音通信抗多普勒及信道估计技术的研究与实现

王志欣  
【摘要】:作为探索与开发海洋资源不可或缺的技术之一,水声通信已逐渐成为人们研究的热点。而语音通信作为一种最直接、有效的通信方式,在水声通信中占据着重要地位。水声信道可用带宽有限,且存在严重的噪声、多途时延和多普勒频移等特点,对水声语音通信的研究与实现带来了很大困难。正交频分复用(OFDM)技术以其频带利用率高和抗多途能力强的特点,被广泛的应用于水声通信领域,但OFDM技术对载波频偏十分敏感,而多普勒频移破坏了 OFDM子载波间的正交性,严重影响了其性能和通信质量,因此,研究和实现一种能够消除多普勒频移影响的OFDM水声语音通信至关重要。本论文主要研究了在多普勒频移存在的情况下,进行高质量水声语音通信所采用的关键技术,并对其进行了硬件实现。论文主要完成了以下工作:1.对水声语音通信中的关键技术进行了研究。首先,研究了 0.6kbps混合激励线性预测(MELP)语音编码技术,并对其进行了算法仿真,验证了该算法的合成语音具有较高的清晰度和可懂度。然后,对OFDM技术进行了研究,并对信道编码中的卷积编码进行了算法仿真,对比研究了不同码率下卷积编码的性能。2.对OFDM的多普勒估计与补偿技术进行了研究。首先,分析了多普勒频移对OFDM系统的影响,并对多普勒估计与补偿的原理进行了说明。然后,通过比较不同多普勒估计方法的优缺点,提出了一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计算法,并对多普勒补偿方法进行了研究。最后,通过对上述算法进行仿真及水池试验,验证了基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计算法的优越性。3.对OFDM的信道估计与均衡技术进行了研究。首先,分析了 OFDM的系统模型,并对传统的LS信道估计算法进行了研究。然后,利用水声信道的稀疏特性,对压缩感知中的正交匹配追踪(OMP)算法用于信道估计进行了研究,并对该算法进行了改进,研究了一种基于噪声方差的OMP信道估计算法。最后,通过仿真对比验证了上述信道估计算法的优缺点。4.在DM642处理板上实现双工、实时、高质量的水声语音通信系统。通过电联调试验及水池试验对该系统的性能进行了验证,结果证明该系统能够进行高质量的语音通信,其恢复的语音具有较高的清晰度与可懂度。


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