浅海水声信道抗多途跳频通信系统研究

论文摘要

浅海水声信道是迄今为止最为复杂的无线通信信道之一。它固有的时-空-频变以及窄带、高噪、强多途干扰、长传输时延、大随机起伏等特征,使得浅海水声通信系统在有效性和可靠性等通信性能的提高上面临着巨大挑战。由于浅海域具有特殊的经济和军事战略地位,涉及到国家的利益与发展,使得浅海水声通信技术成为当今海洋研究的热点。跳频通信是扩展频谱通信的一种重要方式,其具有的抗干扰能力强,特别是抗窄带干扰、抗噪声、抗多途;以及保密性和易于实现码分多址等特点使得跳频通信在复杂浅海水声通信中受到广泛重视。论文基于NI CompactRIO嵌入式模块,利用其具有高速数字信号处理能力和易于编程等优点,针对浅海复杂水声信道特点,构建了抗多途水声跳频通信系统。系统在厦门港浅海域进行了多次海上现场实验,取得了较好的实验结果。论文的主要工作如下:1.系统和全面地介绍了国内外在水声通信技术领域的研究概况,分析了浅海水声信道的特点及其对水声通信性能的影响;2.开展了浅海水声信道传输特性的仿真研究。采用BELLHOP射线模型和快速声场模型分别对台湾海峡水声信道传递函数和浅海脉冲传播多途时延特性进行仿真研究,分析了浅海水声信道中梳状滤波器特性及信道环境参数对水声传输性能的影响;3.基于降低通信系统误码率的需求,进行了信道纠错编码-Turbo码在浅海水声信道中的性能仿真研究;4.针对浅海水声跳频通信中最为关键的同步问题,提出了一种新的基于软件数字信号处理方法的时频编码同步方案,并采用短时傅立叶变换方法实现该方案;5.对于浅海水声通信中面临的信号大幅度起伏和尖脉冲干扰,在数字信号处理方法上采用Hilbert变换及相关算法实现幅度的自动均衡,用小波变换去除突发尖峰噪声,较好的实现了信号调理;6.在上述工作基础上,论文基于NI CompactRIO嵌入式模块,设计并实现了一套浅海水声信道抗多途跳频通信系统。系统在实验室水池和厦门港浅海域进行了多次现场实验。实验结果表明,在距离为6km,水深15m左右,传输速率500bit/s时,传输误码率为10-2-10-3。结合Turbo码技术后,可使通信系统的误码率降至10-4以下,表明系统具有较强的抗干扰能力,能够实现较为稳健的通信性能。本文具有以下创新点:1.提出了基于短时傅立叶变换的一种新的时频联合分析的同步方案;2.采用Hilbert变换和小波变换的软件数字信号处理方法在水声通信接收端中实现幅度自动均衡和去除冲击噪声干扰;3.基于美国NI公司最新开发的CompactRIO嵌入式模块,设计并实现了一套水声跳频通信系统,经厦门港海上实验验证系统具有较高的稳健性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图索引
• 表索引
• Catalog
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 水声通信技术进展概况
• 1.3.1 国外水声通信研究进展
• 1.3.2 国内水声通信研究进展
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 水声信道特性与仿真研究
• 2.1 引言
• 2.2 海洋声学特性
• 2 2.1 海水中的声速
• 2.2.2 海洋环境噪声
• 2.2.3 海水吸收
• 2.3 浅海水声信道的主要特点
• 2.3.1 多途效应
• 2.3.2 起伏效应
• 2.3.3 多普勒效应
• 2.3.4 厦门港水声信道脉冲响应
• 2.4 台湾海峡水声信道传递函数仿真研究
• 2.4.1 水声传播模型
• 2.4.2 传递函数和仿真环境
• 2.4.3 仿真结果
• 2.5 台湾海峡水声信道脉冲多途时延仿真研究
• 2.5.1 等声速剖面的多途结构
• 2.5.2 快速声场模型仿真
• 2.5.3 仿真结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 浅海水声信道Turbo码性能仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 水声通信系统中的信道编码技术
• 3.3 Turbo码的编解码
• 3.3.1 Turbo码的编码器
• 3.3.2 Turbo码的译码器
• 3.4 浅海水声信道下Turbo码的性能仿真研究
• 3.4.1 仿真环境及实现
• 3.4.2 不同水声信道条件下Turbo码的性能
• 3.4.3 不同调制方式的性能
• 3.5 本章小结
• 第四章 水声跳频通信研究
• 4.1 引言
• 4.2 跳频通信概要
• 4.2.1 跳频技术的理论基础
• 4.2.2 跳频通信的技术优点
• 4.2.3 跳频系统的主要参数
• 4.3 水声跳频系统方案设计
• 4.3.1 水声跳频系统组成
• 4.3.2 跳频系统参数设计
• 4.3.3 水声跳频随机数产生
• 4.4 本章小结
• 第五章 水声通信中跳频同步技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 跳频同步概述
• 5.2.1 同步分类
• 5.2.2 自同步法
• 5.2.3 外同步法
• 5.3 水声跳频通信系统的同步设计
• 5.3.1 时频编码同步信号设计
• 5.3.2 时频编码同步的短时傅立叶变换实现
• 5.3.3 双线性调频信号同步头设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 水声通信中微弱信号调理和检测
• 6.1 引言
• 6.2 微弱水声信号调理方案
• 6.2.1 前置放大器
• 6.2.2 带通滤波器
• 6.2.3 基于Hilbert变换的幅度自动均衡设计
• 6.2.4 小波变换除噪方案
• 6.3 信号检测
• 6.3.1 相关检测
• 6.3.2 匹配滤波器法
• 6.3.3 频谱估计法
• 6.3.4 现代检测方法
• 6.4 本章小结
• 第七章 水声跳频通信系统的设计与实现
• 7.1 引言
• 7.2 NI CompactRIO嵌入式系统
• 7.2.1 软件无线电
• 7.2.2 NI CompactRIO嵌入式系统
• 7.3 发射系统设计
• 7.3.1 数据调制和帧结构
• 7.3.2 功率放大器
• 7.3.3 发射换能器
• 7.4 接收系统设计
• 7.4.1 前置放大滤波
• 7.4.2 数字信号处理方案
• 7.5 本章小结
• 第八章 水声跳频通信系统实验结果
• 8.1 实验室水池实验
• 8.1.1 水池图像传输实验
• 8.1.2 水池文本传输实验
• 8.2 海上现场实验
• 8.2.1 实验布置
• 8.2.2 实验结果
• 8.2.3 结果分析
• 8.3 信道编码纠错结果及分析
• 8.3.1 信道编码纠错结果
• 8.3.2 纠错结果分析
• 8.4 本章小结
• 第九章 总结与讨论
• 9.1 主要工作和创新
• 9.2 待进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 本系统主要程序
• 附录2 本研究部分实物照片
• 攻读博士学位期间发表学术论文