淺水起伏環(huán)境中模型-數(shù)據(jù)結(jié)合水聲信道均衡技術(shù).pdf

1、水聲通信是海洋中通過(guò)聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信。由于水中聲傳播速度慢、可利用帶寬窄等特點(diǎn)，水聲通信面臨眾多不同于陸地?zé)o線電通信的技術(shù)難點(diǎn)。特別是淺海環(huán)境，由于其邊界及介質(zhì)起伏效應(yīng)，造成多徑時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移擴(kuò)展嚴(yán)重，且表現(xiàn)出快速時(shí)變特性，使傳統(tǒng)的高速通信信號(hào)處理技術(shù)性能不佳，甚至無(wú)法工作。
　　 論文針對(duì)淺海起伏環(huán)境下具有延時(shí)、多普勒擴(kuò)展及時(shí)變特點(diǎn)的信道，以聲傳播環(huán)境-聲通信信道-通信信號(hào)處理為主軸，采用基于水聲傳播互易性這一物理機(jī)

2、制發(fā)展的時(shí)間反轉(zhuǎn)處理方法，結(jié)合單載波、多載波相干水聲通信信號(hào)體制，發(fā)展模型與數(shù)據(jù)相結(jié)合的信道估計(jì)和均衡技術(shù)，旨在深入研究淺水水聲通信信號(hào)傳播物理模型的同時(shí)，探討現(xiàn)實(shí)起伏環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃曂ㄐ判盘?hào)處理方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　 因地理位置、溫度、鹽度等的不同，聲速在不同淺海環(huán)境中呈現(xiàn)不同的梯度模式，水聲通信的信道沖擊響應(yīng)也千差萬(wàn)別。目前并沒(méi)有一個(gè)通用的淺海水聲通信信道統(tǒng)計(jì)模型可用于描述所有淺海環(huán)境，這就要求我們?cè)谘芯克?/p>

3、信道時(shí)將模型和數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用模型的一般性和數(shù)據(jù)的特殊性設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的水聲通信系統(tǒng)。時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)是基于聲在時(shí)不變環(huán)境中傳播的互易性提出的一種信號(hào)處理方法，即若環(huán)境時(shí)不變，將接收到的信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)發(fā)射，信號(hào)將在最初的發(fā)射位置實(shí)現(xiàn)空間聚焦和時(shí)間壓縮。論文的主要思想就是基于聲信號(hào)時(shí)反的特性開(kāi)展理論和實(shí)驗(yàn)研究，并應(yīng)用于相干水聲通信中。
　　 然而淺海起伏環(huán)境中，時(shí)變是造成通信接收機(jī)性能下降的主要因素。這就引出論文的一個(gè)重要研究方向：起伏環(huán)

4、境對(duì)水聲通信信道的影響，以及如何在起伏環(huán)境中跟蹤信道變化。論文首先建立了基于散射信道物理模型的狀態(tài)空間時(shí)變信道模型，并采用卡爾曼濾波和擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)信道的估計(jì)和跟蹤。由于信道時(shí)延擴(kuò)展嚴(yán)重，隨時(shí)間變化明顯，造成估計(jì)算法運(yùn)算量巨大。論文提出了估計(jì)并跟蹤時(shí)反信道--經(jīng)過(guò)被動(dòng)時(shí)反處理后的相關(guān)信道函數(shù)。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察，時(shí)反信道時(shí)廷擴(kuò)展明顯小于信道沖擊響應(yīng)，且結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)時(shí)反信道的跟蹤明顯可降低待估計(jì)參數(shù)的更新頻率和算法計(jì)算量。

5、
　　 對(duì)時(shí)反信道特性的研究為設(shè)計(jì)被動(dòng)時(shí)反均衡方法提供了基礎(chǔ)。由于信道的時(shí)變，被動(dòng)時(shí)反后的時(shí)反信道并不是理想的單位沖擊函數(shù)，仍然存在著時(shí)間擴(kuò)展及通信信號(hào)間的碼間干擾。因此在被動(dòng)時(shí)反處理后可級(jí)聯(lián)一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)域判決反饋均衡器，用于消除殘余的碼間干擾。當(dāng)環(huán)境時(shí)變嚴(yán)重時(shí)，近似單位沖擊函數(shù)的時(shí)反信道會(huì)隨時(shí)間發(fā)生擴(kuò)展，這種情況就需要更新用于時(shí)反操作的參考信道響應(yīng)。在設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)時(shí)，論文提出通過(guò)檢測(cè)估計(jì)時(shí)反信道的卡爾曼濾波的誤差變化，判斷是否

6、需要更新參考信道響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析驗(yàn)證了方案的可行性。
　　 論文同時(shí)研究了單載波頻域均衡系統(tǒng)在水聲通信中的應(yīng)用，在揭示其數(shù)學(xué)表達(dá)式與被動(dòng)時(shí)反結(jié)合時(shí)域均衡非常相似的基礎(chǔ)上，論文將兩者從理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩個(gè)方面進(jìn)行了比較。兩者在時(shí)不變環(huán)境中，是等價(jià)的。而在時(shí)變環(huán)境中，單載波頻域均衡需要更頻繁地更新信道沖擊響應(yīng)函數(shù)。頻域均衡的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于基于快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)，其每一塊用于快速傅立葉變換的數(shù)據(jù)前需要加入循環(huán)前綴，以保證序列

7、可周期擴(kuò)展，且循環(huán)前綴的長(zhǎng)度必須大于信道響應(yīng)擴(kuò)展的最大長(zhǎng)度。這種信號(hào)形式產(chǎn)生很多信號(hào)冗余，降低了平均通信速率。
　　 利用時(shí)反信道的特點(diǎn)，論文進(jìn)一步嘗試了將被動(dòng)時(shí)反技術(shù)與多載波通信體制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了被動(dòng)時(shí)反結(jié)合正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)通信系統(tǒng)。基于被動(dòng)時(shí)反處理后的時(shí)反信道時(shí)延擴(kuò)展小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符號(hào)時(shí)間寬度短、子載波較寬的OFDM信號(hào)，使得OFDM