张战争[1]2007年在《高速水声通信技术研究》文中研究说明随着海洋开发和信息产业的发展，高速水声通信系统的需求日益扩大。针对水声信道的特性，实现高速、大容量和高可靠性的通信是水声通信研究的热点。目前对多种不同情况下的水声通信己作了大量的研究工作，其中许多技术已经很成熟，而对高速率的水声通信技术的研究和应用，因为水声信道的特殊性显得相对滞后，适应不了海洋经济和军事技术发展的要求，因此本文以抑制多径传播效应，实现高速、可靠的水声通信为出发点，系统深入地研究了正交频分复用技术和单载波频域均衡技术在水声通信中的应用。 在研究OFDM基本原理基础上，提出了高速OFDM水声通信系统，在信道特性分析的基础上，确定了与信道匹配的保护时间，然后研究了MQAM调制时的不同星座形式，在块状导频分布方案下的信道估计LS算法，LMS算法及其改进算法，仿真研究了多径衰落信道中这些信道估计算法的性能。 在研究和分析单载波频域均衡(SC-FDE)系统基本原理的基础上，首次把该技术引入到水声通信中来，提出了高速SC-FDE水声通信系统。根据水声信道的特性确定系统相应长度的循环前缀，研究了适合做特殊字(UW)的叁种序列，接着着重研究了SC—FDE系统的导频插入方法，基于导频的信道估计算法，迫零均衡和最小均方准则下的均衡方法，在多径衰落信道对估计算法和均衡方法进行了仿真验证和比较。仿真结果表明，OFDM和SC-FDE两种技术在水声通信中具有良好的抗多径能力。在西工大航海学院水池进行了水声通信试验，试验证明了基于OFDM的通信方案可以有效克服信号多途传输造成的影响，达到很好的通信效果。
张益德[2]2011年在《OFDM水声通信系统中的多普勒频移补偿方法研究》文中研究说明水声通信是将信源信息经过水声信道高速、可靠地传输到信宿。因此随着水声通信技术在国防以及海洋资源开发等方面的广泛应用,该技术被越来越多地进行研究。但是由于水声信道具有严重的时变性和频率选择性衰落等特点,使得水声通信一直以来受到信道带宽有限、信号多径和多普勒效应的影响。所以选取合适的技术保证在水声信道中进行高速率数据传输更成为水下通信技术的前沿热点研究课题之一。OFDM(正交频分复用)技术是多个正交载波并行调制的高数据率传输方式,由于这种技术有对抗多径效应以及带宽利用率高等方面的优势,因此对OFDM技术在水声通信中的应用与研究具有很高的理论价值与实用价值。但当传输距离的增加,信道条件恶劣,多径、多普勒频移影响加剧时,需要设计相适应的OFDM系统并采取有效手段改善系统性能。论文的主要内容如下:首先对OFDM技术原理和该技术在水声通信中的应用进行了研究,通过对OFDM技术在水声通信中的应用仿真,发现OFDM技术对于频率的偏移敏感,而信号发送端与接收端的相对运动会造成水声通信中的多普勒频移十分严重,从而造成OFDM在水声通信中的性能极大下降。然后针对这个问题提出了解决方案,即在基于并行相关器匹配运算方法的基础上结合OFDM信号的循环前缀的特点对多普勒频移进行初次估计与补偿,通过少量的自相关器来进行多普勒因子的估计,然后利用估计的多普勒因子进行初次补偿,接下来进行的是多普勒频移的二次补偿。最后通过VC++与MATLAB混合编程来完成仿真实验平台的搭建,该实验平台是为了进行OFDM系统在水声通信中的应用以及多普勒频移估计与补偿算法的实现,便于今后对OFDM在水声通信中的应用进行研究以及对相关算法进行验证。通过仿真发现,文中提出的算法能够保证接收端具有较低的误码率,使系统性能得到很好的提升。而仿真实验平台的搭建也对进一步的研究提供了很大的帮助。
张洁[3]2007年在《LDPC-COFDM系统在水声通信中的应用研究》文中认为水声信道是一个极其复杂的时间-频率-空间变化,强多径干扰,带宽有限且噪声干扰严重的信道,在这样的信道环境下实现通信系统的高速、可靠传输是极具挑战性的。正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术,它是一种实现高速无线数据通信的良好方法,但将OFDM技术应用于水声通信中,在国内的研究尚处于起步阶段。OFDM系统可以避免ISI并减小ICI,然而信号经过水声信道的传输后,各子载波的幅度仍然会产生服从瑞利分布的衰落,有些子载波由于深度衰落可能完全被噪声淹没。因此,为了保证系统的可靠传输,必须引入信道纠错编码,许多纠错编码技术被应用于OFDM系统中,如卷积码、R-S码、Turbo码等等。近年来,低密度奇偶校验码(LDPC)已经在纠错码领域引起广泛的注意,LDPC码是Gallager在1962年提出的,之后在Turbo码的巨大成功的带动下,Mackay等人重新研究了它,并发现LDPC码具有逼近香农限的特性。现在,LDPC码已经成为纠错领域的研究热点,将LDPC编码应用于OFDM系统在B3G移动通信中的应用已经有相关的研究和探讨,本文尝试探讨结合LDPC编码的OFDM系统在水声通信系统中的应用。本文的主要工作为:结合水声信道的特点,在MATLAB中建立一个LDPC-COFDM系统,然后在建立的信道模型下,进行以下几方面的仿真:①对结合不同构造方式和映射方式下的LDPC-COFDM系统性能进行分析;②LDPC码应用于OFDM系统与其它编码应用于OFDM系统的性能比较;③采用交织与否对LDPC-COFDM系统性能的影响;④采用实验室自行研制的OFDM水声通信系统DSP硬件平台,在实验室水池中实现LDPC-COFDM系统的水声传输,对实验结果进行分析。本研究的仿真及实际测试结果说明:选择性能优越的LDPC码作为OFDM水声传输通信系统的信道编码方案是可行的,经过进一步的深入研究获得良好的系统性能也是可期待的。
王巍[4]2014年在《MIMO-OFDM水声通信关键技术研究》文中指出多径干扰、低载波频率加之浅海水声环境的高背景噪声以及信道结构的时变特性,使得浅海水声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道。此外,水声通信中可利用的带宽资源非常有限,通过提高发射功率以增加信道容量的方法已经接近饱和。因此,高频谱利用率的OFDM技术结合不需要增加可利用带宽或提高发射功率而能使信道容量获得本质提高的MIMO技术,成为近年来水声通信的新热点。本论文主要针对浅海水声通信中MIMO-OFDM的关键技术进行了研究,主要工作有:1 MIMO-OFDM水声通信中的发射分集和接收分集技术。分析了接收分集技术中合并技术在水声通信系统中的应用;研究了空时码技术在浅海水声中的应用,并通过仿真结果和试验结果进行比较,给出了多输入多输出系统分集算法的选择依据。2.MIMO-OFDM水声通信中的信道估计技术。比较分析了几种信道估计与补偿算法,并给出了选择具体算法的依据。在水声信道的条件下,对基于辅助导频的信道估计算法进行了仿真,并对不同导频间隔进行了性能分析。针对判决反馈信道均衡算法所存在的误码遗传缺陷,结合浅海水声信道的稀疏特性,提出了两种改进的信道估计与补偿技术。仿真和水池实验结果证实:两种改进的MMSE判决反馈追踪信道估计算法不仅可以有效的抑制误码遗传,对抗突发噪声,跟踪信道的缓慢时变,同时可以大幅度降低导频占用率,提高通信质量。3.MIMO-OFDM水声通信中的峰均比抑制技术。分析比较了不同种类的峰均比抑制算法。针对图样选择峰均比抑制算法需要额外传递图样选择信息的缺点,并结合浅海水声信道的稀疏特性,提出一种无需传送边带信息的图样选择峰均比抑制算法,并给出了叁种具体的算法实现手段。仿真和实验结果表明,改进的无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法可以在不损失PAPR抑制性能的前提下,准确解算出传输图样,对抗突发噪声,实现无边带信息传输的可靠水声通信。
王巍[5]2010年在《OFDM水声通信分集与多普勒补偿》文中研究表明水声通信核心目的是为实现在水声信道环境下将信源信息高效、可靠地传输到信宿。正交频分复用(OFDM)技术其具有高频谱利用率、抗多径和脉冲噪声能力强、高传输能力并且实现方法简单的优势,成为近年来高速水声通信中的研究热点之一。本文主要研究OFDM水声通信系统中的多普勒估计与补偿技术,设计了两种基于单频信号实时跟踪测频的OFDM系统的多普勒估计与补偿算法,并进行了基于OFDM的移动水声通信的外场试验,试验验证了所设计的两种算法的有效性。本文还讨论了OFDM水声通信中的时间和频域分集技术。分析了分集技术的3种基本的合并方式,并结合OFDM具体技术和移动通信的特点设计了适合水声通信的多带时频交织OFDM系统,进行了仿真和试验。通过对仿真和试验结果进行分析,给出了分集方法的选择依据。
陈韵[6]2012年在《分数阶Fourier变换在水声通信中的应用研究》文中认为水声信道因其特殊时空频变特性，严重的信道衰落效应和复杂的水下环境噪声而成为最为复杂的无线信道。因此，追求一种可靠有效高速的水下信息传播的调制解调方法成为水声通信的主要内容。分数阶Fourier变换是近年来兴起的一种针对chirp类信号的处理算法，可以理解成为基于chirp基分解或者是时频面的旋转过程，在合适的分数阶域能够实现chirp类信号的能量聚集出现峰值的现象。因而将分数阶Fourier变换技术引入到水声通信中，发展基于分数阶Fourier变换的水声通信方案能够在应对复杂水下噪声环境和抑制水声信道衰落效应方面具有积极的意义。传统的正交多载波(OFDM)技术具有通信速率和频带利用率高的特点，且借助于FFT技术可以实现快速的调制解调，简化系统复杂度，成为未来第四代无线通信技术的基础。但是OFDM技术引入到水声领域之后，水声信道较窄的可利用频带范围和梳状的幅频响应特性不仅使得OFDM的优点没有得到充分的发挥，还受到频率选择性衰落的影响而降低性能。针对这些问题，本文提出基于分数阶Fourier变换的正交多载波(FRFT-OFDM)水声通信方案，采用正交的LFM信号作为子载波信号，利用分数阶Fourier变换作为信息的调制解调方法。宽带的LFM子载波相比于基于正弦信号子载波，不易于被信道所形成的深陷频率零点所衰落，因而可以可靠的传输信息。且LFM信号具有较大的多普勒容限，相比OFDM技术，FRFT-OFDM具有一定的抗多普勒效应的能力。分数阶Fourier变换的chirp基分解特性说明，一个LFM信号在其对应的阶次的分数阶域上会出现能量聚焦而形成冲激函数，在除此之外的分数阶域均不会产生这种效果。外界干扰只有在具有与LFM信号近似的时频分布特性时才会产生干扰作用，且噪声可以认为均匀散布在整个时频面中，任何阶次的分数阶域均不会形成干扰，因此本文提出基于分数阶Fourier变换的脉冲位置调制(FRFT-PPM)技术，将要传输的信息调制到分数阶域的峰值位置当中，具有较强的抗噪声和抗干扰性能。在此基础上，根据正负斜率的LFM信号只会聚焦于相对应的正负阶次分数阶域而不会产生相互之间的干扰，提出正负斜率LFM信号作为载波的分数阶域脉冲位置调制技术，在不额外占用系统带宽的前提下倍增FRFT-PPM系统通信速率，在保证了系统稳健性的前提下提高了系统有效性能。水声信道严重的多途扩展效应是通信系统产生码间干扰(ISI)的主要原因，因此采用接收均衡技术能够有效的抑制多途效应，减少误码的产生。多途效应对信号实际上是增加了时间延迟，根据分数阶Fourier变换的时移特性，当信号在时间域上发生移动时，信号变换的象函数在分数阶域上也会发生移动。为了减少干扰，本文提出了在系统中添加时域保护间隔和分数阶域保护间隔，以减少这种码间干扰的影响。然而这种方法在一定程度上降低了系统的效率，且水声信道多途扩展十分严重，完全依靠保护间隔抑制ISI将使系统性能变得不可接受，因此本文提出采用Rake接收机和时间反转镜技术来抑制水声信道的多途影响。Rake接收机是一种特殊的路径分集技术，而分数阶Fourier变换的时间移动特性完全能够在分数阶域分离出信号的独立衰落路径，因此将Rake接收机应用于基于分数阶Fourier变换的水声通信系统具有理论基础，并且本文讨论了各种合并方式的性能。相对于Rake接收机，时间反转镜技术无需知道信道的确切信息，通过探测信号估计出大致的时反信道和接收信号进行卷积，达到去除多途信道影响，突出主要路径的能量，提高接收信号的信干噪比，从而实现减小误码的产生。通信平台的相对运动产生了多普勒效应，使得接收信号在时间尺度上产生压扩效应，在频域上出现频率弥散。根据分数阶Fourier变换的尺度变换特性，信号在时间尺度的变换造成其在分数阶域的尺度的变换，根据这个性质可以得知，多普勒效应并不改变LFM载波在分数阶域正交特性，只是产生统一的分数阶域偏移和尺度变换，因此本文提出分数阶域的多普勒效应补偿方法，通过测定多普勒因子，从而在分数阶域实现多普勒效应的补偿。通过大量的仿真实验和湖试试验验证基于分数阶Fourier变换的水声通信方案的有效性与可行性，具有较为广阔的应用前景。
邢娜[7]2011年在《纠错码在水声通信体制中的应用》文中进行了进一步梳理水声信道是一种极其复杂多变的时-空-频变参信道,声线弯曲和界面反射引起的多途扩展导致了码间干扰。想要实现高速率、低误码率的水声通信,除了选择合适的传输模式、先进的信道均衡技术和增加发射功率等措施来增强系统的性能外,采用强有力的调制方式并结合信道编码技术是很有效的方法。信道编码可以进一步降低误码率,保证恶劣信道环境下的通信质量,纠错码在水声通信中有着很高的重要性。论文研究了包括RS码、卷积码、Turbo码、LDPC码在内的四种纠错码方案,根据Matlab仿真给出的性能曲线,通过不同参数的比较、分析,论述了码字的性能,最后给出了在选择、设计纠错编码方案时应该考虑的关键问题。正交频分复用(OFDM)技术频谱利用率高、抗多途能力强、无需均衡的特点,正好解决了高速水声通信中存在的带宽有限、强多途干扰、信道结构快速时变等问题,使其成为高速水声通信中的研究热点。论文结合同步、信道估计和降低峰值平均功率比等关键技术,在仿真实现OFDM系统的基础上,采用信道编码技术构建COFDM系统,对上面提到的四种纠错码分别进行仿真和水池试验。Pattern时延差编码(PDS)通信体制,以其占空比小、节省功耗、抗码间干扰能力强的优点,可以有效地降低多途衰落及噪声干扰,在水声通信领域有着很强的适用性。水声信号处理中的时间反转镜技术,可以在没有任何先验知识的情况下自适应匹配声信道,通过仿真给出单阵元被动式时间反转镜PDS通信系统性能。最后将前面提到的各种纠错编码方案与PDS相结合构成CPDS系统,针对仿真出的性能曲线展开分析,并进行水池试验。
朱昂昂[8]2016年在《OFDM技术在水声通信中的应用研究》文中研究说明OFDM是一种多载波调制技术,其主要思想在于将高速串行的数据变换为多个并行的、正交的低速子载波上进行传输,如果保证每个子载波的带宽均不大于信道的相干带宽,则避免了频率选择性衰落,加入循环前缀即可有效克服多径效应的影响；子载波之间存在部分重迭,因此可以提高系统的频带利用率。作为一种可以有效对抗频率选择性衰落的技术,OFDM技术适应用于多途现象严重、频带资源极为有限的水声通信系统。本文主要研究OFDM技术在水声通信中的应用,重点研究了OFDM中的信道均衡和宽带多普勒效应的补偿。首先,分析了海洋水声信道的特点,介绍了水声信道建模的方法,并分别对浅海水声信道和深海水声信道进行了仿真；介绍了OFDM系统的调制、解调的基本原理和OFDM中的一些关键技术,对水声OFDM系统的正交性、循环前缀以及OFDM系统应用于水声通信的优缺点进行了分析,同时介绍了OFDM系统的参数设置的方法,并给出了仿真得到的浅海水声信道和深海水声信道进行了参数设置。其次,研究了水声OFDM系统中的信道均衡技术,主要研究了基于导频的信道估计和均衡以及基于虚拟时间反转镜技术的信道估计和均衡。其中,针对虚拟时间反转镜技术,比较了LFM信号、m序列、gold序列应用于虚拟时间反转镜的效果,探究了虚拟时间反转镜中循环后缀的作用；针对基于导频的信道均衡技术,分析了导频插入的不同方式、导频位置的几种信道估计准则和由导频恢复完整信道信息的不同插值准则。最后,研究了水声OFDM系统中宽带多普勒的补偿方法。分析了多普勒效应对OFDM系统造成的影响,然后针对OFDM系统中的多普勒效应介绍了利用时域相关法估计多普勒因子、用抽取插值方法进行补偿的方法,并分别在浅海信道和深海信道中对方法做了仿真分析。最后,对本文的主要工作做了总结,指出了本文研究所存在的局限性,并对未来的工作进行了展望。
郭铁梁[9]2014年在《OFDM水声通信系统相关问题研究》文中认为水声信道的多径时延会引起严重的码间干扰;水声信道的窄带宽、快速时变性及水下通信设备和水介质的相对运动等因素会产生明显的多普勒效应;水声信道的介质构成、水体运动形式及水下环境的复杂性等因素会造成大的水下噪声。水声信道的上述特点最终导致了水声信号的严重失真和快速衰减。因此如何解决水声通信系统中与多径现象、多普勒效应及水下噪声相关的问题,已成为水声通信领域所面临的重要课题。正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波并行传输技术,由于其不但具有良好的抗多径性能和高的频谱利用率,而且可以根据信道条件对子载波进行灵活调制及功率分配,因而已被广泛应用于陆上无线电磁通信和水声通信系统中。与陆上无线电磁通信相比较,将OFDM技术应用于水声通信系统中会出现更为严重的问题。首先,OFDM信号容易出现高的峰均比(PAPR),这更加不利于水下无线低功率通信设备的正常使用;第二,OFDM系统对于载波频率偏移非常敏感,而水声信道中显着的多普勒效应更容易导致这种频偏;另外,由于水声信道的时变特性和高噪声,要求OFDM系统在进行相干解调时,信道估计器不但要有更好的信道跟踪能力以满足系统实时性的要求,而且还要有更强的抗噪声能力。因此,解决高峰均比、多普勒频移及信道估计等相关问题是OFDM水声通信系统所面临的重要任务。本文结合水声信道和水声通信设备的特点,针对OFDM水声通信系统中出现的高峰均比、多普勒频移及信道估计等相关问题作了进一步的研究,以提高水声通信系统的高速实时处理性能为目标,提出了创新算法,并通过理论分析和计算机仿真验证分析了这些算法的性能。论文的主要研究工作包括以下四部分:首先,分别从带宽、噪声、多径及多普勒效应等方面分析介绍了水声信道的特性;再针对上述特性对水声信道进行了建模和仿真;最后概括了 OFDM水声通信系统的优缺点,并提出了信号的峰均比、多普勒频移及信道估计等叁个与OFDM水声通信系统密切相关的问题。其次,考虑到水下无线通信设备的低功率特点,在传统限幅算法的基础上,针对限幅噪声问题对OFDM水声通信系统的峰均比进行了研究,提出了一种计算复杂度较低的降低限幅噪声的新算法。该算法对超过限幅门限的数据采用分段式的不同的限幅幅度,再用限幅记录保存这一处理结果,然后接收端可以利用这一记录恢复相应数据的原始幅度。从而大幅降低限幅噪声对于系统性能的影响。理论分析和仿真结果均表明,这种限幅算法在较低误码率的前提下能够有效提升水声发射机功率放大器的工作效率。第叁,针对OFDM水声通信系统对于多普勒频移敏感的问题,从多普勒因子(DSF)估计、采样率转换及载波频移(CFO)估计叁方面提出了一种多普勒频移估计和补偿的新算法。首先在接收端对接收数据进行过采样,然后利用线性调频信号估计出多普勒因子的初值;再利用上述过采样数据结合多普勒因子的估计初值,通过线性插值的方法进行采样率转换;最后根据系统精度要求,以上述多普勒因子估计初值作为中心数据,列出若干多普勒因子的候选值,结合空载波能量代价函数对多普勒因子进行快速搜索实现二次估计,以完成由多普勒效应引起的载波频移(CFO)的估计。通过理论及计算机仿真对新算法的性能进行了分析,结果表明该算法和传统的多普勒频移估计及补偿算法相比具有较低的运算复杂度,能够有效改善OFDM水声通信系统的多普勒频移问题。最后,结合水声信道的快速时变性和高噪声特性,针对频域最小二乘(LS)信道估计算法(性能受噪声影响大)和离散傅立叶变换(DFT)算法(性能受空载波影响大)各自的误差问题,提出了一种LS-DFT联合信道估计新算法。首先在频域对导频子载波进行LS信道估计,再通过DFT对上述LS导频信道估值作降噪处理,得到另一组频域导频信道估值,然后将两组导频信道估值作误差对比和数据替换,取误差较小者组成一组新的导频信道估值,最后在频域作线性插值运算,以获得数据子载波处的信道估值。无论是理论分析还是计算机仿真结果,均表明这种联合信道估计算法能有效克服LS算法和DFT算法各自的缺点,且该算法能以小的计算复杂度从整体上有效提升OFDM水声通信系统信道估计的实时性能和抗噪声性能。
王迈[10]2008年在《基于OFDM技术的水声通信研究》文中研究指明人们利用海洋资源的渴望为水声通信技术的发展提供了巨大的动力。目前,水下通信则仍然处于起步阶段。混响与多普勒效应是水声信道最为显着的两个特点。我们必须针对水下环境的特殊性来开发水下通信技术。正交频分复用(OFDM)是近几年兴起的一种在无线信道上实现高速数据传输的新技术。它属于多载波调制技术,其最大的特点是传输速率高,对码间干扰和信道选择性衰落具有很强的抵抗能力。因此,对OFDM技术在水声通信中的应用与研究具有很高的理论价值与实用价值。本论文就是以这个为背景,研究和设计一个基于OFDM技术的水声通信发射端子系统。论文的主要内容如下:1.给出了水声通信的发展现状和OFDM技术在水声通信中的应用现状;同时对OFDM技术原理进行了详细的讨论以及给出了通用的OFDM系统框图。2.对OFDM系统的主要缺点之一的高峰值平均功率比(PAR)问题进行了基本的分析,并且介绍了一种能降低PAR的解决方案:部分发送序列(PTS)方法。3.通信系统硬件平台的设计采用TI公司TMS320C5000系列DSP芯片中的TMS320VC5509A完成发射系统中OFDM信号的调制及其它基带信号处理功能。功率放大电路采用Tripath公司的T类数字音频功率放大器TK2350,这类放大器同时具有AB类功率放大器的高保真度和D类功率放大器的高效率。4.通信系统的软件实现的算法或者程序有快速傅立叶逆变换(IFFT)、比特交织算法、PTS和QPSK比特映射等。
参考文献：
[1]. 高速水声通信技术研究[D]. 张战争. 西北工业大学. 2007
[2]. OFDM水声通信系统中的多普勒频移补偿方法研究[D]. 张益德. 中国海洋大学. 2011
[3]. LDPC-COFDM系统在水声通信中的应用研究[D]. 张洁. 厦门大学. 2007
[4]. MIMO-OFDM水声通信关键技术研究[D]. 王巍. 哈尔滨工程大学. 2014
[5]. OFDM水声通信分集与多普勒补偿[D]. 王巍. 哈尔滨工程大学. 2010
[6]. 分数阶Fourier变换在水声通信中的应用研究[D]. 陈韵. 哈尔滨工程大学. 2012
[7]. 纠错码在水声通信体制中的应用[D]. 邢娜. 哈尔滨工程大学. 2011
[8]. OFDM技术在水声通信中的应用研究[D]. 朱昂昂. 东南大学. 2016
[9]. OFDM水声通信系统相关问题研究[D]. 郭铁梁. 哈尔滨工程大学. 2014
[10]. 基于OFDM技术的水声通信研究[D]. 王迈. 哈尔滨工程大学. 2008
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