水声信道的多普勒处理及分集方法研究

论文摘要

随着人类海洋活动的日益频繁,无论是军事领域还是民用商用领域都对水下通信产生了巨大的需求,尤其是对高速水声通信的需求。水声信道是典型的时变窄带随机信道,调制带限,传输多路径及多普勒效应均非常显著。这些特性使得水声信道,尤其是浅海声信道成为最困难的无线通信信道。对于目前的水声信道的传播环境研究而言,主要从水声信道模型开始,在射线声场模型和本征声线搜索方法所对应的水声信道数学模型基础上,从两个研究方向展开:围绕水声信道时变特征的抗衰落技术研究,以及提高窄带水声信道传输数据率的高效调制技术研究。本文针对适应水声信道的高效调制解调技术展开深入研究,并从信道和信源两个角度对相关技术进行优化。本文从被动消除噪声的角度,重点讨论了在窄带水声信道所引发的高多普勒效应的工作环境中,在信道估计求解冲激响应的基础上,有效分离水声信道多径特征,并利用数字方法补偿频域偏移,获得稳定的处理效果。针对水声信道中高多普勒效应的特性,研究了一种宽带多普勒频偏估计与补偿的方法,并将其应用于水声ZP-OFDM系统中。从仿真结果可知,该方法具有较高的估计精度和补偿效果。本文还从主动增加调制效率的角度,利用水声信道频率独立特性,在发射端引入发射分集,接收端引入频率分集,以及通过反馈信道的方式引入自适应调制编码方案,通过对这些方式的技术比对,详细说明了不同技术方案的性能特征,以及在实际环境中的适用性,从而达到提高水声通信系统调制效率的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩略语说明表
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 水声信道的主要特点
• 1.2.1 水声信道的带限特性
• 1.2.2 水声信道的多途径效应
• 1.2.3 水声信道的多普勒效应
• 1.2.4 水声信道中背景噪声特性
• 1.3 水声通信研究现状和发展思路
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 水声信道模型
• 2.1 引言
• 2.2 水声信道数学模型
• 2.2.1 相干多途信道模型
• 2.2.2 时变相干多途信道模型
• 2.3 水声声场模型
• 2.4 本征声线声场分析
• 2.4.1 射线模型的基本方程
• 2.4.2 声场重要参数计算
• 2.4.3 传播损失计算
• 2.4.4 本征声线搜索算法
• 2.5 水声信道本征路径模型
• 2.6 水声信道仿真
• 2.6.1 本征声线仿真
• 2.6.2 传播损失计算
• 2.6.3 多途信道参数计算
• 2.7 本章小结
• 第三章 水声通信中多普勒估计与补偿技术
• 3.1 引言
• 3.2 水声通信中的ZERO PADDED OFDM
• 3.2.1 ZP-OFDM与CP-OFDM的选择
• 3.2.2 系统模型
• 3.3 多普勒频移因子估计
• 3.3.1 模糊度函数估计法
• 3.3.2 块多普勒估计法
• 3.3.3 自循环移位序列估计法
• 3.4 多普勒补偿技术
• 3.4.1 常用的多普勒补偿方法
• 3.4.2 Farrow滤波器多普勒补偿技术
• 3.5 仿真结果
• 3.5.1 块多普勒估计仿真结果
• 3.5.2 自循环移位序列估计法
• 3.5.3 估计算法性能对比
• 3.5.4 多普勒补偿仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 水声通信分集技术的研究
• 4.1 引言
• 4.2 分集技术概述
• 4.2.1 无线通信中常用的几种分集技术
• 4.2.2 分集合并技术
• 4.3 水声信道中接收分集处理方案
• 4.3.1 频率接收分集
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 水声信道中的信源分集处理方案
• 4.4.1 空频编码系统模型
• 4.4.2 译码算法
• 4.4.3 仿真结果
• 4.5 基于反馈信道的自适应调制编码方案
• 4.5.1 自适应调制编码原理
• 4.5.2 门限选取
• 4.5.3 仿真结果
• 4.6 分集方案与自适应编码方案的对比
• 4.7 本章小结
• 第五章总结与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文和专利
• 附件