高速水声通信中OFDM的关键技术与应用研究

【摘要】： 水声通信技术在国防上具有重大的战略意义，同时也越来越多地被应用到海洋环境考察、资源开发等民用领域。水声信道高速率数据传输更成为水下通信技术的前沿热点研究课题之一，也是一项刻不容缓的任务。 高速水声通信面临最困难的问题就是多途干扰，其中码元的自多途引起接收信号的幅度衰落，码元间的互多途引起接收信号的码间干扰；再加上海洋环境的高噪声背景、低的载波频率、极为有限的带宽以及传输信道的时间-空间-频率变化特性，使水声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道；正因为如此，高速可靠的水声通信已成为世界性的难题。 近年来，由于正交频分复用(OFDM)技术具有频谱利用率高、抗多径和脉冲噪声能力强、在高效带宽利用率情况下的高速传输能力以及简单的实现方法，使其成为高速水声通信中的研究重点和热点之一。 本论文主要针对高速水声通信中OFDM的关键技术与应用进行了研究，所做的工作主要有： 1．高速水声通信中OFDM的关键技术研究。论文针对高速水声通信中OFDM的部分关键技术进行了仿真研究，并通过湖上和海上试验数据进行了验证。主要研究的关键技术有： 1)保护间隔：本文就保护间隔对OFDM系统的影响进行了分析，并结合深海水声信道的特点提出了一种可适合于深海水声通信的保护间隔结构，仿真结果表明该结构具有较好的效果。 2)信道估计：本文主要讨论了导频辅助信道估计方法，比较了梳妆导频与块状导频的性能，特别研究了水声信道中导频插入间隔对系统性能的影响。 3)频率同步：本文针对频率同步对OFDM系统的性能影响进行了分析，提出了一种频偏估计方法，仿真结果表明该方法具有较高的估计精度，并通过试验数据验证了该方法在移动水声通信中的可行性。4)相位噪声：本文进行了相位旋转的理论分析，并针对采样时钟偏差导致的相位噪声进行了研究；提出了一种基于双符号块状导频的补偿采样时钟偏差的相位补偿方法，并通过仿真和试验数据进行了验证。 2．高速水声通信中OFDM技术的试验研究。本文结合OFDM关键技术分别进行了高速水声通信中OFDM技术的湖上和海上试验研究，试验研究结果表明，采用OFDM技术进行高速水声通信是切实可行的，具有较高的通信速率和较低的误码率；同时也验证了各关键技术在水声信道中的实用性。 3．高速水声通信中OFDM技术的系统应用研究。本文设计实现了两个基于OFDM技术的高速水声通信系统： 1)基于OFDM技术的水下转发器系统。本文简要介绍了系统的设计与实现，并进行了系统的湖上试验研究，达到了较好的效果；并针对系统设计中存在的不足提出了改进建议。 2_基于OFDM技术的超高速水下图像水声传输系统。该系统主要应用于水下高分辨率图像传输甚至视频传输，本文针对系统软硬件设计与调试中的问题进行了阐述，并完成了系统的联调。