基于分数阶傅立叶变换的水声信道多参数估计算法研究

论文摘要

由于海洋经济和海洋军事的战略地位,使得水声通信技术成为当今的研究热点。为了保证水声通信的可靠性和有效性,我们需要对水声信道的多参数进行估计。本论文选用的是数据辅助算法,采用的是Chirp信号。因此研究Chirp信号的检测与参数估计对水下声信道的多参数估计具有很重要的实用价值。本文在FRFT法的基础上进行了深入的研究,采用Chirp信号作为水下的探测信号,针对Chirp信号的两种接收模型(恒k模型和变k模型),根据Chirp信号与FRFT的联系,对水声信道的多参数进行了估计。本文的工作首先是针对恒k模型提出了三种创新的水声信道估计算法。(1)FRFT估计法：该方法的优点是可以准确的估计出多径数,并且时延估计比较准确,频偏估计也比较精确,不足在于只能估计多径频偏都相同的情况,并且需要预先精确知道直达波时延的位置。(2)双Chirp信号估计法：该方法的优点是不管多径频偏如何,我们都能估计出多径数、多径频偏以及多径时延。不足是FRFT快速算法引入了计算误差,造成了频偏和时延估计误差较大,且计算量较大。(3)联合估计法：该方法的优点是不管多径频偏如何,我们都能精确的估计出多径数、多径频偏以及多径时延。不足是FRFT快速算法引入的计算误差,需要进行小范围搜索校正,信号处理算法复杂,计算量较大。其次针对变k模型又创新的提出了一种新颖的水声信道估计算法Chirp基法和两种基于FRFT水声通信系统的数据包结构设计。(1)FRFT的Chirp基解法：该方法的优点是精确的估计出了多径数、多径频偏以及多径时延。采用FRFT的Chirp基特性来估计水声信道多参数,避免了FRFT快速算法带来的计算误差,计算速度快,估计精度高,是一种可以实时处理的算法。(2)第一种数据包结构,适用于水况变化较快的水域,优点是可以做到一包一估,数据传输可靠性更高,不足在于传输效率相对较低。(3)第二种数据包结构,适用于水况变化缓慢的水域,需要每隔一定时间发射一定脉宽的单频信号估计信道的多径频偏,优点是传输效率相对较高,不足在于数据传输可靠性不如第一种数据包结构。最后,本文做了大量仿真,仿真结果验证了上述的算法都是有效的,并且仿真详细解释了两种数据包的处理过程。

论文目录

• 中文部分
• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景及研究意义
• 1.3 水声信道特性及问题描述
• 1.4 国内外的研究现状及发展动态
• 1.5 本文所做的工作
• 2. 三种基于FRFT的水声信道多参数估计算法
• 2.1 水声信道模型
• 2.2 Chirp信号的恒κ模型
• 2.3 立论基础
• 2.3.1 FRFT定义
• 2.3.2 基于FRFT的水声信道多参数估计分析
• 2.4 三种新颖的信道估计算法
• 2.4.1 FRFT估计法
• 2.4.2 双Chirp信号估计法
• 2.4.3 联合估计法
• 2.5 本章小结
• 3. 一种基于FRFT的Chirp基特性的水声信道多参数估计算法
• 3.1 Chirp信号的变k模型
• 3.2 立论基础
• 3.3 测试信号的结构及信号处理算法
• 3.3.1 测试信号的结构
• 3.3.2 信号处理算法
• 3.4 数值仿真
• 3.5 本章小结
• 4. 基于FRFT水声通信系统的数据包结构设计
• 4.1 两种数据包结构
• 4.2 数据包处理算法流程
• 4.3 数据包处理仿真
• 4.3.1 第一种数据包仿真
• 4.3.2 第二种数据包仿真
• 4.4 本章小结
• 5. 总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文与研究成果
• 英文部分
• Abstract
• 1 Introduction
• 1.1 The source of research topic
• 1.2 Research background and significance
• 1.3 The characteristics of underwater acoustic channel and description of the problem
• 1.4 Status quo and development trend of research at home and abroad
• 1.5 The work of this dissertation
• 2 Three multi-parameter estimation algorithms of underwater acoustic channel based on FRFT
• 2.1 The model of underwater acoustic channel
• 2.2 The constant k model of Chirp signal
• 2.3 Rationale
• 2.3.1 FRFT definition
• 2.3.2 The analysis for multi-parameter estimation of underwater acoustic channel based on FRFT
• 2.4 Three kinds of estimation algorithms
• 2.4.1 The FRFT-based estimation algorithm
• 2.4.2 The double-chirp signal estimation algorithm
• 2.4.3 The joint estimation algorithm
• 2.5 Chapter summary
• 3 A multi-parameter estimation algorithm of underwater acoustic channel based on the Chirp-based characteristic of FRFT
• 3.1 The variable k model of Chirp signal
• 3.2 Rationale
• 3.3 The structure and the signal processing algorithm of test signal
• 3.3.1 The structure of test signal
• 3.3.2 The signal processing algorithm of test signal
• 3.4 Numerical simulation
• 3.5 Chapter summary
• 4 The packet structure design based on FRFT underwater acoustic communication system
• 4.1 Two kinds of packet structure
• 4.2 The flow of the first packet processing algorithm
• 4.3 The simulation of packet signal processing algorithm
• 4.3.1 The simulation of first packet
• 4.3.2 The simulation of second packet
• 4.4 Chaoter summary
• 5 Conclusion and future research
• References