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高效率水声扩频通信技术研究

于洋  
【摘要】:声波是唯一一种能在水下进行远距离传输的信息载体,因此水下声通信技术成为水下信息交互的最主流的技术。由于海水介质的不均匀,气泡,水声生物,洋流,内波和表面波等因素造成了水声信道的特殊及易变的特性。水声通信的特殊性在于水声信道的特殊性,由于海水介质对高频的衰减较为严重,而在较低的频段,海洋环境存在着较高的噪声谱级。这使得适合水声通信的频段极为有限,而换能器工艺的制约又减少或降低了水声频段的使用和效率。信号所使用的中心频率和带宽是随距离变化的函数,通常来讲,随着距离的增加,最优的中心频率和带宽都随之下降。多普勒,多径扩展,时变,频变和空变特性也使水声通信面临着巨大的挑战。扩频水声通信技术通过牺牲了通信的有效性换取了可靠性,其在水声信道这种严重时变和衰落的信道下有着较为稳定和可靠的表现。其应用的在鲁棒水声通信,中远距离水声通信,功率受限的水声通信,保密水声通信和低探测可能性水声通信中,并为多用户通信提供了多址接入的能力。但是传统的扩频水声通信方式有着较低的通信速率,已经逐渐不能满足水下大规模信息交互的需要。本文主要研究的是高速率扩频水声通信技术,文章从四个角度:广义M元扩频,多通道扩频,多载波扩频和基于不同序列的扩频水声通信系统来探讨实现高速率扩频水声通信技术的可能性。传统的M元扩频和码元移位键控(CSK)扩频都是广义M元水声扩频通信技术的一种,它们和直接序列扩频(DSSS)水声技术相比,都在一定程度上改善了扩频增益对通信速率的限制,在同等的抗噪声能力下获得了通信速率的提高。本文提出一种基于两种技术相结合的M元CSK扩频水声通信技术。通过将两种技术的结合,在扩频增益对通信速率的制约上获得了比传统M元扩频和CSK技术更好的效果,并且更充分的使用了序列的自相关特性和互相关特性,提高了水声通信系统的通信速率。多通道扩频技术将成倍的提高扩频水声通信系统的通信速率。本文研究了正交双通道技术和M元多通道技术。本文提出了一种基于m序列联合利用码元相位信息的正交双通道技术,并在CSK和M元CSK两种技术上得到了应用。结果显示,通过正交双通道和联合利用码元相位信息的方式能够在最小化干扰的情况下有效的提高通信速率。多载波扩频技术能够有效的提高频谱的利用率,在频域使用高效的信号处理和均衡算法,能够更灵活的设计频谱并根据信道情况进行有效的功率分配。本文主要对载波交叠的多进制频移键控(MFSK),频域扩频水声通信和广义多载波扩频水声通信进行了研究。结果显示,多载波系统在同等的功率下可以获得更好的性能。每一种扩频水声通信方式都有与之对应的最优伪随机序列。首先根据使用m序列的CSK系统不能有效的利用码元相位信息这个特点,从改进序列的角度出发,提出了基于Legendre序列的CSK扩频水声通信系统,并获得了较好的效果。根据脉冲位置调制(PPM)水声通信系统利用的是序列的非周期自相关特性的特点,提出了基于N-H序列的PPM扩频水声通信系统。在此基础上,加入了虚拟时间反转镜技术。其次,也研究了不同码相位对扩频水声通信的影响,并讨论了一种基于不同码本的变速扩频水声通信系统。


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