希尔伯特黄变换在水声通信中的应用

论文摘要

希尔伯特黄变换（Hilbert-Huang Transform,简称HHT）是1998年由Huang等人首次提出的一种新的非线性、非平稳信号的分析方法。其关键部分是经验模态分解方法（Empirical Mode Decomposition,简称EMD）,任何复杂信号都可以由EMD方法分解成有限个本征模态函数（Intrinsic Mode Function,简称IMF）,对每个IMF进行Hilbert变换就可以获得有意义的瞬时频率,从而给出频率变化的精确表达式。HHT作为一种新的信号分析方法,已逐步应用到非线性系统、生物医学、地震信号、桥梁健康监测、故障诊断、重力波、海洋环流、环境工程和语音信号处理等领域。而将HHT应用于通信领域还未见文献报道。本文将HHT方法应用于水声通信中,研究这种方法的可行性是本文的重点。本文首先详细阐述了HHT的思想和实现方法及HHT中的相关问题。然后结合具体实例分析了傅里叶变换（FFT）和HHT在信号处理时的差别,揭示了HHT在处理信号时的优势。利用HHT方法能够给出非平稳信号的瞬时频率这一特点,提出了一种新的调制方法——HHT调制解调方式。这种调制方式的优点是保密性好。以本文提出的新方法作为调制方式,结合RAKE接收技术和RS纠错编码,构成HHT水声通信系统。通过MATLAB软件仿真给出HHT水声通信系统的仿真结果,结合误码率曲线讨论了HHT水声通信系统的性能,并分析了RAKE接收机和RS码对环境干扰的改善情况以及该系统适合工作的环境。为了进一步验证HHT水声通信系统针对实际通信环境的有效性、稳定性,做了水池试验和湖上试验,文中分析了水池试验数据和湖上试验数据。综合理论研究、仿真分析及试验数据,验证了将HHT方法应用在水声通信中是可行的。最后,本文给出了基于定点数字信号处理器（DSP）的HHT调制解调过程的实现步骤。结合DSP的内存和实时性的考虑,合理选取HHT算法中的边界处理、曲线拟合、终止条件等各个算法,并结合实际编程总结了DSP的优化方法。最后给出算法在CCS环境下在TMS320VC5509A上运行的仿真结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 水声通信的发展史与研究现状
• 1.2.1 水声通信的发展简史
• 1.2.2 国外水声通信现状
• 1.2.3 国内水声通信现状
• 1.3 时频分析和希尔伯特黄变换（HHT）
• 1.3.1 时频分析回顾
• 1.3.2 HHT的提出和研究现状
• 1.4 论文研究的内容
• 第2章 HHT信号处理方法
• 2.1 时频分析中的基本概念
• 2.1.1 时间描述和频率描述
• 2.1.2 解析信号
• 2.1.3 平稳信号与非平稳信号
• 2.1.4 Heisenberg测不准原理
• 2.2 HHT的基本原理
• 2.2.1 瞬时频率
• 2.2.2 特征尺度参数
• 2.2.3 本征模态函数
• 2.2.4 经验模态分解
• 2.3 HHT中相关问题的研究
• 2.3.1 终止条件的设定
• 2.3.2 采样频率的设定
• 2.4 Hilbert时频谱和Fourier谱的比较分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 HHT水声通信系统
• 3.1 HHT在调制解调中的应用
• 3.1.1 HHT在调制中的应用
• 3.1.2 HHT在解调中的应用
• 3.2 改善多径干扰和噪声干扰的技术
• 3.2.1 抗多径技术
• 3.2.2 RS码编译码方法简介
• 3.3 HHT水声通信系统仿真分析
• 3.4 HHT水声通信系统试验
• 3.4.1 水池试验研究
• 3.4.2 湖上试验研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 HHT调制解调方式在DSP上的软件实现
• 4.1 TMS320VC5509A简介
• 4.1.1 TMS320VC5509A概述
• 4.1.2 软件开发环境
• 4.2 算法实现过程
• 4.2.1 HHT调制的实现
• 4.2.2 HHT解调的实现
• 4.3 程序的DSP优化
• 4.4 DSP仿真结果
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢