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基于OFDM-MFSK的水声通信技术研究

王永恒  
【摘要】:水声通信作为水下唯一远距离信息交互的技术途径是确保水下平台工作过程中信息传递的关键技术。水声信道是随机时-空-频变的无线信道,其严重的多途扩展、多普勒扩展以及复杂的环境噪声给高质量水声通信带来极大的困难,而水下移动平台工作场景多变和随机的运动状态,则对水声通信技术提出了更大的挑战,因此研究复杂环境下稳健高速水声通信技术有着重要的现实意义和广阔的应用前景。本文采用多载波OFDM-MFSK作为通信体制,针对实际应用中面临的工程问题,对高精度信道估计技术、时频域联合处理技术、时变环境下宽带多普勒估计与补偿技术以及宽带高效低失真发射系统设计方法展开研究。OFDM-MFSK作为一种多载波技术,保留了OFDM系统中良好的抗多途、抗频率选择性衰落、高通信速率和实现简单的优点,并采用非相干的方式实现MFSK信号的检测,具有更好的抗多普勒和抗相位噪声的性能。本文从理论和仿真两方面,研究了定时同步偏差,循环前缀长度以及载波频率偏差对系统性能的影响,分析了系统的频带利用率,提出了一种OFDM-MFSK-DPSK高频带利用率的水声通信方案,并研究了概率类PAPR抑制技术在OFDM-MFSK系统中的应用性能。OFDM-MFSK调制方式灵活,可以很好地平衡通信速率和稳健性能,非常适合应用于复杂多变的水下环境。针对浅海水平信道严重的多途扩展和频率选择性衰落而导致水声通信系统受到符号间干扰(ISI)和部分子载波信噪比过低的问题,提出了一种时频域联合处理技术。该技术首先利用压缩感知(CS)技术对稀疏水声信道进行精确估计,由于OMP重构算法在使用中存在噪声环境下估计效果不佳以及求解最小二乘(LS)时矩阵求逆数值不稳定的问题,提出一种MMP-DCD算法,通过树形搜索和残差最小的原则获得最优支撑集,并采用DCD技术避免了数值不稳定的产生;然后采用信道短化技术实现信道均衡,有效压缩信道长度,抑制ISI,提高系统信噪比;最后利用频率分集技术来避免频率零点引起的子载波能量损失。论文对比分析了基于单阵元的被动时间反转镜、虚拟时间反转镜和频域MMSE信道短化技术的原理,研究了分集信号合并方法,并提出一种基于分组信噪比置信度的分集信号合并方式。仿真和湖试试验结果均证明,时频域联合处理技术可以有效抑制多途干扰,提高系统性能。水下移动平台的随机运动给OFDM-MFSK通信系统带来严重的多普勒,破坏了子载波间的正交性,造成载波间干扰。由于水声信道的超宽带特性,不同子载波的多普勒频偏是非一致的,给多普勒的估计带来困难。论文研究了采样率频偏和多普勒频展对系统性能的影响,对协方差谱矩技术和多普勒补偿技术进行了论述。针对目前常规多普勒估计与补偿算法由于时变多途环境影响导致稳定性差和精度低的问题,提出一种子载波能量的改进两阶段多普勒估计与补偿算法,先采用脉冲对实现多普勒的粗估计并完成初步补偿,并利用每个符号自身固有的子载波能量信息来高精度估计残余多普勒并完成精细补偿。本文结合OFDM-MFSK符号频谱的稀疏特性,又提出一种已知子载波频率的频域过采样逐块式多普勒估计与补偿算法,仅通过对符号的一次频域过采样处理即可完成多普勒的估计与补偿,在保证估计精度的同时降低了算法的运算量。仿真、水池和湖上试验证明了所提两种算法能够适应时变水声信道环境,具有较好的多普勒估计精度和稳定性能。针对目前水声通信系统中多谐振换能器宽带匹配效果不佳且不同方位发射波形失真度较大的问题,本文提出一种联合预均衡和实频数据技术的宽带通信发射系统设计方法。该方法在确保系统具有较高工作效率和较宽工作带宽的同时,有效改善了发射波形的失真度,提升了系统性能。论文分析了当前通信发射系统设计中面临的问题,重点研究了直接实频技术(RFDT)和简化实频数据技术(SRFT),详细给出了预均衡设计的核心思想,并对均衡器的实现方式进行了研究。仿真和水池试验结果均证明所提联合设计方法的有效性。实频数据技术作为计算机辅助技术,无需选定网络拓扑结构且避免了换能器等效模型的建立与参数分析,具有很好的应用前景。


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1 王永恒;基于OFDM-MFSK的水声通信技术研究[D];哈尔滨工程大学;2017年
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