一种基于DSP的实时水声跳频通信系统研究

水声信道是一种极其复杂的时空频变信道,在进行水声通信中,必须克服强多途和大起伏等干扰.抗干扰能力强、隐蔽性好的跳频通信技术应用于水声通信领域,具有独特的优势,是近年来高稳健性水声通信技术研究中的一个热点.本文构建了一种基于DSP硬件平台的实时水声跳频通信系统,给出了系统编解码技术的实现方法.发射的帧信号由粗同步信号、细同步信号、时延信号和m序列生成的跳频信号组成,采用补零FFT的方法进行解码,提高了鉴频分辨率.通过实验室水池实验,验证了所设计系统在低信噪比条件下的可行性和稳定性.由于m序列生成的跳频图案隐蔽性强,该系统也可用于水声保密通信.     

STLFM在水声通信系统同步测算中的应用

通过对对称三角线性调频(STLFM)信号在分数阶傅里叶域能量汇聚性的分析,提出了采用STLFM信号作为同步码,基于分数阶Fourier变换(FRFT)的正交多载波水声通信系统的联合同步算法,并以同步误码率(BER)作为评价指标,在有噪声、多径传输和多普勒效应三种环境组合下与传统OFDM系统采用线性调频(LFM)信号作为同步码进行仿真分析比较.仿真结果表明,在复杂的水声环境中,该算法在低信噪比时可以获得更精确的同步性能和更低的误码率.     

基于截获因子的直序扩频水声通信隐蔽性能分析

研究了对数正态衰落水声信道条件下直接序列扩频通信的隐蔽性能.首先建立水声隐蔽通信系统模型,提出了基于可检测距离的截获因子作为衡量水声通信系统隐蔽性的方法.理论研究了直接序列扩频信号经过对数正态衰落水声信道传输后,截获接收机能量检测工作特性以及通信接收机同步相关检测特性和扩频通信误码性能.仿真分析了不同的信道衰减参数及信号参数、调制方式等对水声通信系统隐蔽性能的影响.仿真结果表明:在对数正态衰落水声信道条件下,直序扩频通信具有低截获通信能力;在一定条件下,降低发射载波频率、增大信号时间带宽积、降低调制阶数和通信速率将有利于提升水声通信隐蔽性;浅海信道比深海信道更利于隐蔽通信,近程水声通信比中远程通信更容易实现隐蔽.     

水雷上浮弹道水声脉冲编码跟踪定位技术研究

根据同步水声脉冲测距定位原理,利用水下多信道GPS声纳浮标阵-雷载3D段定位技术,对上浮水雷进行跟踪定位。利用多频水声脉冲编码技术扩展水声脉冲发射周期,解决了测量周期模糊与测量数据量匮乏的问题。利用水雷状态感知和节能技术设计的雷载3D,段具有工作状态转换和长时间水声信号发射功能。利用球面交汇定位解法建立了系统跟踪定位精度仿真模型,通过仿真预测出系统同步精度、水声信号时延检测精度、GPS定位精度、水听器位置精度和声速测量精度对系统定位精度的影响,为此项技术的可行性和相关系列测控装备的研制提供了依据。     

鲸类声信号的分类系统设计

针对传统的水声信号分类技术处理方法复杂、特征提取时间长以及特征量多等问题,提出了一种基于稀疏表示的分类系统,先利用正交匹配追踪法(OMP)算法提取与水声信号最为匹配的少数原子作为目标特征,再采用支持向量机(SVM)进行分类.对鲸类声信号进行仿真实验,实验结果表明,不仅提高了压缩效率和运算速度,而且识别率高,在水声信号的实时处理中具有较高的实用价值.     

去斜率方法在水声通信帧同步的应用及实现

针对Chirp 信号的帧同步处理, FRFT(Fractional Fourier Transform)变换或匹配相关方案计算量过大、难以在stm32 等硬件平台实现实时处理的问题, 对在复杂水声信道条件下获得信号帧的精确同步基准进行研究,通过检测连续的3 个单频信号实现粗同步, 利用去斜压缩方法处理Chirp 信号实现细同步的帧同步。仿真测试该帧同步方案在不同信道下同步时刻误差, 并对采用匹配相关和FRFT 变换进行细同步处理的方案进行比较,去斜压缩方案虽性能不如匹配相关方案, 但却有更小的计算量。用icroe2 平台等硬件实现去斜压缩帧同步方案, 通过噪声衰减和水池环境进行测试, 验证了该方案的可行性。     

基于被动时间反转的差分循环移位扩频水声通信

针对在时变的水声信道中系统的精确同步十分困难,而传统循环移位扩频系统在没有精确同步的条件下,很难准确判决的问题,提出一种差分循环移位扩频水声通信方法.该方法采用差分方式调制,能够在系统粗同步的条件下准确解调信息;在接收端采用被动时间反转方法解调,抑制多径效应产生的影响,并降低系统的复杂度.湖上试验结果表明:所提方法在1.8km的通信距离下实现无误传输;对试验数据附加噪声和同步误差处理后,在信噪比为-8dB、同步误差为5/4移位单元情况下的误码率达到10-5.     

基于鲁棒主成分分析的低频水声信号降噪方法

由于海洋环境噪声的复杂性,接收到的信号往往具有较低的信噪比,导致水声信号处理难度大等问题.针对此问题,采用基于鲁棒主成分分析的降噪方法,建立将含噪信号表示为低秩、稀疏和噪声的分解模型,研究了对低频水声信号的降噪问题.首先通过Godec算法将含噪信号表示为低秩、稀疏和噪声3部分,然后运用非负矩阵分解算法对低秩部分进行分解,得到噪声字典,最后根据得到的噪声字典从含噪信号中提取出初始水声信号.通过对不同海况下即不同信噪比的仿真信号进行降噪处理,结果表明该方法在水声信噪分离中具有较好的降噪效果.     

多功能水声信号发生及数据采集显控系统设计

 针对水声信号复杂多变和数据采集卡价格昂贵等问题,提出基于声卡采集及虚拟仪器技术的多功能水声信号发生和数据采集显示控制系统设计方法,并以LabVIEW为设计平台,利用声卡及NI-DAQ设备实现对多功能水声信号的控制、发射、显示和对音频信号的采集、显示.系统不仅能够作为虚拟信号源产生所需信号用于水声发射机,而且能够利用声卡采集测量模拟音频信号并实时显示.将系统产生发射信号作用于水声功率放大器,结合实际应用验证,表明该系统能够有效实现对所需实际信号的发生与控制.本研究设计的控制输出及采集输入模块集成度高,通用性强,且减小了硬件开销,界面友好、价格低廉、操作简便,便于推广应用.     

基于门限估计的水声通信接收机自动增益控制

为了使用自动增益控制对接收信号的幅度进行动态压缩,采用统计接收端信号过门限瞬时值次数的方法,判断是否要调整原信号和基于对数或指数信号的变步长调整自动增益控制算法。在对数或指数信号变步长调整中,对数或指数信号之间是可以互相转换的,步长和收敛因子的选取受水声信道特性、信号幅度、噪声种类的影响。该方法已应用于水声信号接收系统,可较好地对输入信号的幅度进行动态压缩,还滤除了部分噪声的影响,达到了设定的期望值。实验结果表明,该方法抑制噪声能力强,跟踪速度快,适合在水声通信系统中应用。     

高速自适应水声语音系统的设计与实现

根据水声通信的复杂信道特性,设计了基于数字信号处理(DSP)的高速数字自适应多载波水声语音通信系统,采用MFSK调制技术、数据精确同步技术以及低噪PGA技术,有效地降低了误码率.通过对其关键技术的性能仿真和分析,以及在2km长、1.5m深的恶劣环境中实测,该系统表现出很好的实时性和良好的语音恢复性能,传输距离大于2km,误码率小于10-3.     

凸组合实时判决反馈稀疏水声信道盲均衡算法

针对高速水声通信信道稀疏特性,提出了一种凸组合实时判决反馈盲均衡算法。将盲均衡器分为保持均衡器支路和稀疏均衡器支路,以保持均衡器能量和权系数的瞬时梯度为判据,对稀疏均衡器支路对应抽头进行实时稀疏化处理。算法中避免设置稀疏化阈值,对不同稀疏水声信道和通信信号具有通用性,且对于时变稀疏水声信道可以利用保持均衡器支路恢复稀疏均衡器支路置零抽头系数,使算法对信道具有较强跟踪和冷启动能力。典型稀疏水声信道条件下的仿真结果证明,凸组合实时判决反馈稀疏水声信道盲均衡算法性能稳健,与全阶判决反馈盲均衡算法相比,计算简单,收敛速度快,稳态剩余误差小,有利于算法在水声通信系统中的推广应用。     

基于VMD和HSA的水声跳频信号时频分析方法

针对水声通信中低信噪比条件下的水声跳频信号检测和参数估计问题,提出了一种新的基于变分模态分解(VMD)和希尔伯特谱分析(HSA)相结合的水声跳频信号时频分析方法。VMD是一种新开发的自适应信号分解技术,可以完全不递归地将多分量的信号分解成许多准正交的固有模式函数。首先重点分析了VMD算法,然后简单介绍了HSA方法,最后将VMD和HSA相结合的方法应用于水声跳频信号分析。利用数值模拟的水声跳频信号进行实验仿真,结果表明本文的方法可以获得高清晰度、高聚集性的时频图。     

基于粒子群算法的认知水声通信多信道联合频谱感知技术研究

水声信道可用通信带宽极其有限,如何实现对水下频谱资源的有效共享成为亟需解决的问题,认知水声通信的提出为其指明了新的方向。考虑到水声信道严重的频率选择性衰落和多径效应等特殊性,将多信道联合频谱感知技术应用于认知水声通信中,研究了适用于水下的多信道联合感知的数学模型,并将此模型转换为以认知水声通信系统总吞吐率最大化为目标的带约束优化问题,进而提出了基于粒子群优化方法的多信道联合感知算法。仿真实验表明在相同的干扰条件下,新算法比传统未使用优化而取一致判决门限的水下频谱感知方法能取得更高的系统总吞吐率。     

基于定点DSP的浅海水下通讯控制技术

介绍了一种应用于浅海的基于定点DSP的跳频水声遥控通讯及控制技术.在浅海环境水声信道的多途效应造成水声通讯质量急剧下降的情况下,利用跳频编码抗多途干扰的优势及DSP芯片强大的实时数据处理功能,实现低误码率的水声遥控和控制.目前该技术已成功地应用于相关试验控制系统中.     

基于同步导频复用技术的OFDM水声通信

针对正交频分复用水声通信中,为实时同步和多普勒补偿而频繁加入辅助数据使通信速率降低的问题,通过设置导频的相位和幅度,把导频转变为首尾相位连续的线性调频信号,该方法使同步与导频复用,同时可以进行多普勒估计,从而节省了额外加入线性调频信号所占用的时间.湖上试验结果表明:系统通信速率为0.25 bit/(s.Hz),未经纠错编码的最低误码率为2.68%,验证了该方法的可行性和有效性.     

基于ARM的水下目标定位系统的通信模拟系统设计

水下目标定位系统被广泛应用于水下目标的定位和跟踪、水声对抗等水声领域,其系统主要由水声浮标阵、中继站和基站等构成,浮标与基站的通信通过无线网桥进行传输。为了提高该系统的通信可靠性和智能性,采用ARM板作为中继站和通信服务器,以一台电脑作为基站的显控机,一台电脑模拟浮标,设计了一种水下目标定位系统通信模拟系统,其中ARM板搭载LINUX嵌入式系统。该模拟系统可以实现基站和浮标之间的中继通信,完成从基站显控端发送各种命令和参数到ARM板,ARM板进行中继转发给浮标,浮标收到命令后进行响应,并回传相关数据至基站显控端的功能。     

存在多流干扰的水声信道信号检测初探

为提高海洋水声通信系统的传输速率,采用并行多发射源技术是可行方案之一,其存在的困难是接收信号存在多流干扰,海洋水声信道又存在比较严重的多途径干扰,因此须对接收端信号检测器的抗多流及抗多径性能进行全面考察.初步研究了正交动态滤波器的抗多流和多径干扰的能力,在无多径干扰的情况下,理论分析和仿真结果均显示其在检测信号的同时可以完全抑制多流信号的干扰,在存在多途径干扰的情况下,仿真结果显示其信号检测能力及抗多流干扰能力虽有所下降,但是,在多途径效应不是特别严重的情况下,仍可正确地检测出所需信号.