水声电子邮件传输研究

论文摘要

声波是目前海中实现中、远距离无线通信唯一有效的信息载体,因此水声通信对于国防安全和海洋资源开发都有着极其深远的意义。但是由于水声信道是一个十分复杂的时?空?频变参随机多径传输的信道,再加上它的噪声高、带宽窄、载波频率低、传输时延大等特点,这诸多不利因素给可靠有效的水声通信带来很大的困难,其中多途径效应是最主要的困扰因素,它会导致信号幅度衰落和码间干扰。本论文是在厦门大学水声通信课题组水声图象传输和水声数字语音通信研究的基础上,研究水声电子邮件传输技术,采用数字通信方式实现水下信息的传输,实现无线中继接入,进而达到与移动通信网和Internet网的互联的目的,研制成具有自主知识产权的水声电子邮件收发系统,为将来海洋水下组网打下良好的基础。本文建立了水声信道的确定性模型,对浅海声信道进行了建模与通信仿真。由多途径效应产生的机理可知,通信距离的拓展将使多途径效应的影响更加严重,所以必须研究水声通信中抗强多途径干扰的各种可能措施。由于扩频技术在抗码间干扰方面具有优良的特性,因此在分析了各种扩频技术在本研究应用的可行性之后,确定了跳频技术作为具体实现方案;分集技术是抗自多途引起的信号衰落的有效手段,时频分集既可以提供频率分集,又不存在功率分散的问题,非常适用于水声通信;在恶劣的水声信道的条件下进行数据通信,快速、准确、有效的检测到同步信号成为水声跳频通信系统的关键,根据水声信道自身的特点提出一种结合同步头法和匹配滤波器法的同步方案。声波在海水中传播时由于海水的吸收以及传输的损耗,会使其发射信号在接收端严重衰落,在分析了几种常用的信号检测方法及它们之间的关系后,提出一种适合水声通信的相关匹配检测弱信号的方法。同时研究一种比较适合于窄带信号的谱分析方法――线性调频Z变换(Chirp z transform,简称CZT),创新性地采用DSP实现了CZT频谱细化算法实现跳频数据解调;分析了电子邮件的数据结构和收发协议,利用MSComm控件通过PC机的串口来收发单片机存储的数据,完成与水声通信系统的接口。在上述理论及实验研究的基础上,最后设计并实现了一套能适用于浅海域的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义和选题背景
• 1.2 国内外研究的进展和现状
• 1.3 论文各部分的主要内容
• 第2章 浅海水声信道的物理特性
• 2.1 浅海水声信道的主要特点
• 2.1.1 浅海水声信道的复杂性
• 2.1.2 浅海水声信道的多变性
• 2.1.3 浅海水声信道的强多途特性
• 2.1.4 浅海水声信道的有限频带
• 2.2 浅海水声信道对数据传输的影响
• 2.2.1 声波传输损耗的影响
• 2.2.2 多途传播的影响
• 2.2.3 海洋环境噪声的影响
• 2.2.4 多普勒频移的的影响
• 2.3 水声信道和无线信道的比较
• 2.4 结论
• 第3章 浅海水声信道的模型和分析
• 3.1 水声信道的仿真基础
• 3.1.1 海中声波
• 3.1.2 定解条件
• 3.1.3 浅海模型的声场（波动方程的求解）
• 3.2 浅海水声信道建模
• 3.3 时不变的浅海水声信道模型
• 3.3.1 N 径确定性模型建立
• 3.3.2 浅海水声信道N 径确定性模型的仿真和分析
• 3.4 小结
• 第4章 水声通信中的均衡、分集以及差错控制技术
• 4.1 均衡技术
• 4.1.1 自适应均衡器
• 4.1.2 盲均衡器概述
• 4.2 分集技术
• 4.2.1 空间分集
• 4.2.2 频率分集
• 4.2.3 时间分集
• 4.2.4 联合分集
• 4.2.5 分集技术中的接收方法
• 4.3 时频分集技术的实现
• 4.3.1 同步的时频分集实现
• 4.3.2 数据的时频分集实现
• 4.3.3 时频分集的判定准则
• 4.4 差错控制技术
• 第5章 水声扩频通信
• 5.1 扩频通信概述
• 5.1.1 扩频技术的理论基础
• 5.1.2 扩频技术的典型方式
• 5.1.3 扩频技术的处理增益和抗干扰容限
• 5.2 跳频通信基本原理
• 5.2.1 跳频系统的组成
• 5.2.2 跳频系统的数学模型分析
• 5.2.3 跳频通信系统的主要性能参数
• 5.2.4 跳频系统的关键技术
• 5.3 跳频系统的技术优点
• 5.4 水声跳频通信系统设计方案
• 第6章 水声跳频通信中的同步技术
• 6.1 通信系统的同步概述
• 6.2 水声跳频通信同步技术
• 6.2.1 跳频同步的内容
• 6.2.2 跳频图案的同步过程
• 6.3 水声跳频通信中同步信号的捕获和跟踪
• 6.3.1 同步信号捕获
• 6.3.2 同步信号跟踪
• 6.4 水声跳频通信系统的同步方案
• 第7章 水声通信中的微弱信号检测
• 7.1 匹配滤波器法
• 7.1.1 定义
• 7.1.2 匹配滤波器的具体实现方法
• 7.2 相关检测
• 7.2.1 相关函数
• 7.2.2 自相关检测
• 7.2.3 互相关检测
• 7.2.4 具体实现方法
• 7.3 谱分析方法
• 7.3.1 谱分析方法
• 7.3.2 具体实现方法
• 7.4 几种检测方法的比较
• 7.4.1 匹配滤波器与相关器的比较
• 7.4.2 匹配滤波器法与谱分析法的比较
• 7.5 线性调频Z 变换（Chirp-Z 变换）算法
• 7.5.1 CZT 算法的基本原理
• 7.5.2 CZT 算法具体实现的方法
• 7.5.3 CZT 与几种频率细化方法的比较
• 第8章 水声电子邮件（Email）收发机制
• 8.1 电子邮件的通信协议
• 8.1.1 SMTP 协议
• 8.1.2 POP3 协议
• 8.2 电子邮件数据结构
• 8.2.1 邮件头的格式
• 8.2.2 邮件信体的类型
• 8.2.3 邮件编码的方法
• 8.3 PC 机与电子邮件水声通信系统接口
• 第9章 水声电子邮件传输通信系统的实现
• 9.1 水声电子邮件通信系统的结构组成
• 9.2 水声电子邮件通信系统发送部分研制
• 9.2.1 水声电子邮件通信系统发送部分原理方框图
• 9.2.2 电子邮件数据的串口发送
• 9.2.3 时频调制分集设计
• 9.2.4 跳频图案和频率合成
• 9.2.5 发送部分单片机程序流程
• 9.3 水声电子邮件通信系统接收部分样机研制
• 9.3.1 水声电子邮件通信系统接收部分方框图
• 9.3.2 信号调理模块设计
• 9.3.3 同步捕获模块设计
• 9.3.4 数据解调模块设计
• 9.3.5 接收电子邮件显示和转发
• 9.4 实验结果分析
• 9.4.1 三种实验环境下A 组实验结果分析
• 9.4.2 三种实验环境下B 组实验结果分析
• 9.4.3 海上3km 距离A 组CZT 谱分析实验结果
• 9.5 结论
• 第10章 工作总结和展望
• 10.1 研究工作总结
• 10.2 论文创新之处
• 10.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致 谢
• 附录 1 水声电子邮件通信系统样机实物照片
• 攻读博士学位期间发表的学术论文