基于DSP的嵌入式水声跳频通信技术研究

论文摘要

水声通信技术是当代海洋资源开发和国家安全保障的重要组成部分,也是我国海洋高技术急待研究开发的项目之一。随着现代海洋资源开发的迅猛发展和国家海洋安全的迫切需求,水声通信技术的研究越来越受到人们的重视。但是水声信道是一个十分复杂的时空频变随机多径信道,再加上高噪声、窄带宽、载波频率低、大起伏、传输时延大等特点,给水声通信带来极大的困难,其中强多径效应和大幅度起伏是造成水声通信性能较差的主要因素,它会导致信号幅度衰落和严重的码间干扰。近年来实际应用的迫切需求,水声网络通信成为国际水声技术领域研究的热点课题。而在水声通信网络中,实现可靠、稳健的点对点物理通信是水声网络通信的前提。本论文选题正是在这样的研究背景下,结合国家863专项课题“分布式海洋水声通信技术研究”而提出的。论文查阅了国内外大量水声通信相关文献资料,针对浅海水声信道的物理特性,基于射线理论建模,采用了Matlab对水声信道传输特性进行仿真研究。仿真结果表明,多途效应会造成接收信号的幅度衰落、频率扩展和码间干扰等,是影响水声通信有效和可靠性的主要原因,所以在水声通信中必须研究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,论文在分析了各种扩频技术之后,提出了采用跳频技术作为水声通信调制方式。根据水声信道声传输特点和跳频通信系统中同步信号快速、有效检测的重要性,论文设计了一种同步字头与频谱估计相结合捕获同步,互相关检测线性调频信号完成同步跟踪的同步方案。由于高速信号处理技术（DSP）的快速发展,论文研究了基于DSP硬件的嵌入式水声跳频通信系统。在对水声信道进行较为深入分析的基础上,采用DSP设计并实现了跳频水声通信系统中的编解码与同步技术。通过实验室水池及厦门港海上测试,系统可在一定传输速率下、实现高可靠性传输,在浅海海域（2～12m）,距离3km时,传输速率为200bit/s,误码率约为10-3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Catalog
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 水声通信技术研究进展
• 1.2.1 国外水声通信研究进展
• 1.2.2 国内水声通信研究进展
• 1.3 论文的主要内容
• 第二章 浅海水声信道物理特性
• 2.1 海洋声学特性
• 2.1.1 选择声波的原因
• 2.1.2 海水中的声速
• 2.1.3 海洋环境噪声
• 2.2 浅海水声信道的主要特点
• 2.2.1 声能量传播损失
• 2.2.2 随机多途干扰
• 2.2.3 声信号起伏
• 2.2.4 多普勒效应
• 2.2.5 有限的频带
• 2.3 抗多途的有效措施
• 第三章 浅海水声信道建模与仿真
• 3.1 水声信道模型的理论基础
• 3.1.1 波动方程及其定解条件
• 3.1.2 水声传播模型的分类
• 3.2 浅海水声信道建模
• 3.2.1 射线模型的参数设计
• 3.2.2 射线模型的建立
• 3.2.3 接收信号和信号多途比
• 3.3 仿真结果与分析
• 3.3.1 信道的频率选择性衰落特性
• 3.3.2 SMR随发射接收机深度的变化
• 3.3.3 SMR随距离的变化
• 第四章 水声通信中的跳频技术
• 4.1 扩频通信概述
• 4.1.1 扩频技术的理论依据
• 4.1.2 扩频技术的典型方式
• 4.2 跳频通信系统
• 4.2.1 跳频通信的基本原理
• 4.2.2 跳频通信的技术参数
• 4.2.3 跳频通信的数学模型
• 4.2.4 跳频通信的技术优点
• 4.3 水声跳频通信系统设计方案
• 第五章 水声跳频通信信号检测与同步技术
• 5.1 水声跳频通信中的同步技术
• 5.1.1 通信系统的同步概述
• 5.1.2 水声跳频通信同步技术方案
• 5.2 水声通信中的信号检测技术
• 5.2.1 传统的检测方法
• 5.2.2 新的检测方法
• 5.2.3 线性调频Z变换
• 第六章 基于DSP的嵌入式水声跳频通信系统的实现
• 6.1 系统的结构组成
• 6.2 系统各主要部件介绍
• 6.2.1 TMS320VC5416DSP及DSP/BIOS简介
• 6.2.2 计算机与DSP之间的通信
• 6.2.3 跳频序列编码与调制
• 6.2.4 前置放大滤波
• 6.2.5 同步抓取与信息检测
• 6.3 实验结果分析
• 6.3.1 实验室水池实验
• 6.3.2 海上现场实验
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢