高速移动水声通信中的多普勒频移估计方法研究

在利用水声信号进行的水下移动通信中,多普勒频移估计与补偿是一项关键技术,它直接影响着高速移动通信的效果。在分析多普勒效应对水声通信信号影响的基础上, 利用具有多普勒不变特性的双曲调频信号和对多普勒频移敏感的单频脉冲信号,提出了一种适用于低信噪比条件下收发双方存在高速运动时的新型多普勒频移估计与补偿方法,该方法圊时具备接收信号捕获与同步的功能。通过仿真实验对该方法进行了验证,分析了该方法在不同信噪比和多普勒扩展条件下的多普勒频移估计性能。     

FRFT在水声信道时延频移联合估计中的应用

由于水声信道的复杂性和多变性,信号在水声信道传播中将伴随着多径时延与多普勒频移,二者是水声信道估计中两个重要的参数。基于分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform, FRFT)的时延和频移特性,提出一种采用多分量线性调频(linear frequency modulated, LFM)信号的水声信道估计方法,通过分析分数阶傅里叶域上峰值的偏移,联立不同阶次的时延和频移方程,可得到水声信道的时延和频移值。理论推导及仿真结果表明,该方法计算量小,且随着LFM信号分量数和调频率差值的增大,能在一定程度上减小估计的时延误差和频移误差。水池实验中选用具有相反调频率的双LFM信号作为估计信号,估计出多径时延与运动目标的多普勒频移,并给出了水下目标的运动速度。实验结果表明,FRFT估计法简单有效,在水声信道多径时延与多普勒频移估计上具有较好的实际应用价值。     

海洋信道仿真软件HJRAY及其在水声通信中的应用

海洋声信道特性十分复杂，对水声通信信号传输构成严重影响，包括能量衰减、多途扩展以及多普勒频移等。为了具体模拟海洋信道对其中传输的声信号的影响，培出了一个新的海洋信道仿真软件-HJRAY.HJRAY通过对海洋环境中各种物理特性的模拟以及对声线轨迹常微分方程组的解算，合成海洋信道的时变冲激响应，获取通信链路接收水听器端信号，为仿真评估现实信道条件下水声通信系统性能提供基础。结合一个具体的直接序列扩频方案，验证了HJRAY在水声通信仿真中的有效性。     

中低轨卫星信号的多普勒频移估计与补偿

针对中低轨卫星信号的多普勒频移具有大范围快速时变的问题,基于航天动力学理论,计算出卫星和接收平台间的相对位置和速度,从而可预先估计卫星信号的多普勒频移.对频移估计的误差进行了分析,给出了一种多普勒频移的快速估计和实时补偿算法,同时也对卫星的可视时间段分情况进行讨论.计算机仿真和工程实践表明,该算法简单、实用,有利于对快变大频偏的卫星信号进行快速跟踪和解调.     

抗多普勒效应FRFT-PPM水声通信技术

针对现有水声通信系统抗干扰性能不佳和易受多普勒效应影响的问题,提出了基于分数阶Fourier变换的脉冲位置调制(fractional Fourier transform pulse position modulation, FRFT-PPM)的水声通信系统方案及分数阶域多普勒效应补偿方法。FRFT-PPM水声通信系统采用线性调频（linear frequency modulation, LFM）信号作为通信载波,借用PPM原理将信息调制到分数阶域脉冲位置中进行传输,具有通信速率可调,最高可达1.6kbit/s,抗噪声干扰能力强的优点。根据LFM信号较大多普勒容限和分数阶Fourier变换尺度变换特性,采用分数阶域分数阶域峰值位置补偿来抑制相对运动产生的多普勒效应。通过大量计算机仿真和湖试试验,验证了FRFT-PPM通信系统及分数阶域多普勒效应补偿算法的有效性与可行性。     

超声多普勒血流信号平均频移估计的仿真研究

提出了基于Matching Pursuit分解的超声多普勒血流信号平均频移估计方法。通过对合成信号的分析比较，确定了最佳估计性能的相关参数。基于优化的参数对不同噪声水平的100例仿真多普勒信号进行分析并计算估计的与理论的平均频移的均方误差，得到基于Matching Pursuit方法的误差比使用传统声谱分析法小。表明该方法对信号瞬时结构的局部具有较好的自适应性，有效克服了短时傅立叶变换存在的时频分辨率矛盾，提高了超声多普勒血流信号平均频移估计的准确性。     

水声通信中差分相干检测及其相位补偿方法

水声通信中的多普勒(Doppler)频移和水声信道的时变性等因素影响着载波跟踪效果,最终使得接收机性能下降.常规差分相干检测技术能为PSK调制提供天然的载波同步但抗码间干扰能力很差且当载波偏移较大时的性能也受到很大影响.针对这一问题,提出了一种自适应差分相干检测算法及其相位补偿方法.该算法将线性均衡器和差分相干检测器有机结合,降低了检测的均方误差并成功地抑制了多径的影响.利用一种新的相位补偿方法对均衡前的信号先进行相位补偿,跟踪信道引起的相位变化,进一步提高了系统抗载波频偏的能力.在实际湖试信道条件下的4DPSK性能仿真表明:在10Km的距离上,应用常规的相干检测算法无法对存在标准频率偏移在0.01以上的情况进行正确检测,但自适应差分相干检测算法经过相位补偿后,处理存在大频偏(标准频率偏移在0.02到0.04之间)的情况时,同样误码率下比原来节省2～4dB的信噪比.     

基于分数阶Fourier变换的水声信道参数估计

提出基于分数阶Fourier变换(FRFT)对水声信道参数进行估计。分数阶Fourier变换存在相应的最佳分数阶数使给定的chirp信号能量聚集于一最大值,且具有时移、频移特性,使其可适用于存在多途扩展及多普勒频偏的声信道参数估计。通过计算机仿真验证,当存在较大的多普勒频偏时,拷贝相关器将不适用,而FR-FT具有很好的鲁棒性,可估计存在多普勒频偏的多途声信道参数。     

基于OFDM的水声通信非一致多普勒补偿方法

当多径信道各径多普勒因子不一致时,传统的多普勒补偿技术会带来较大的残余误差。针对此问题,通过理论推导提出了一种针对水声多径信道存在非一致多普勒扩展的补偿方法。该方法采用多次内插与快速傅里叶变换相结合的算法,首先通过对接收信号进行单次重采样预处理以降低多普勒因子大小,再利用等效信道参数估计模型,获得信道统计量后进行正交频分复用解调,实现非一致多普勒补偿。仿真结果表明,所提方法在信道信息已知与未知的条件下,都具有较高的补偿性能,特别是在非一致多普勒扩展比较严重的情况下,其优势更加明显。     

单载波频域均衡高速水声通信仿真研究

基于判决反馈均衡器和二阶数字锁相环联合的水声通信接收机结构复杂，运算量大，对均衡器阶教及步长的选择敏感；基于正交频分复周的高速水声通信信号峰平功率比高，对频率偏移和多普勒非常敏感。针对这些问题，提出了单载波频域均衡高速水声通信方法．该方法计算量低，无峰平功率比问题，对频率偏移不敏感。仿真结果表明：单载波频域均衡方法具有抗固定相位偏移的能力，对高速水声通信具有很强的应用价值。     

一种用于多径衰落水声信道的盲均衡算法仿真研究

在水声数字通信中，严重的多径衰落和多普勒频移是影响通信性能的两个主要因素。研究了一种分数间隔判决反馈盲均衡结构，以有效地克服水声信道多径衰落的不利影响。同时，针对水声信道的时变多普勒特性，在分数间隔判决反馈结构的基础上，提出了一种修正常数模分数间隔判决反馈盲均衡与二阶数字锁相环相结合的盲均衡算法，以纠正信道引入的载波相位旋转。最后通过计算机仿真，将该算法与常数模波特间隔判决反馈盲均衡算法进行了性能对比，仿真结果证明了该算法的有效性。因此，该算法具有良好的实用性和应用前景。     

基于复包络的目标回波信号高效仿真方法

目标回波信号是水声探测系统主要的信息来源。在水声对抗仿真系统中，目标回波信号的仿真逼真性和数据量又是制约仿真实时性的关键问题。因此，在仿真中有必要建立一种高效的目标回波仿真模型，既要真实仿真出实际系统中目标回波信号的特征，又要满足仿真实时性的要求。针对这一问题，提出了一种基于复包络的目标回波信号高效仿真方法，它以窄带信号的复包络为基础，综合了实际系统中多普勒频移和频率补偿的影响，更加符合实际目标回波的特征，且实时性好。该方法具有采样频率低，仿真数据量小的优点，能够满足仿真系统逼真性和实时性的要求，并已用于研制成功的水声对抗试验仿真系统，证明了该方法的正确性和有效性。     

基于OPNET的水声网络信道仿真研究

水声网络是实现海洋监测、数据采集以及战略通信等的重要手段,但其受水声信道特性制约严重。为此,从介绍水声信道的特性出发,采用Thorp经验公式模拟海水吸收特性,在此基础上对路径损耗进行仿真解算,并改进Wenz噪声模型使之更好地接近水声信道的特性。进而,通过改进OPNET平台内置的传播时延阶段、接收机功率阶段、背景噪声阶段设计水声信道OPNET模型,使其适合水声信道,基本实现对真实信道的近似模拟。最后,设计OPNET移动网络模型,将模拟的水声信道加进移动网络进行仿真,分析水声信道特性对网络性能的影响。     

面向OFDM-MFSK水声通信的差错控制方法

多进制频移键控正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing multiple frequency shift keying, OFDM-MFSK)调制能抵抗水声信道中的多径衰落和多普勒效应, 且无需复杂的信道估计与均衡, 适合低成本的水声通信机设计。针对OFDM-MFSK水声通信系统, 提出了一种差错控制编码方法, 具体思想为在使用OFDM-MFSK传输原数据的同时调制子载波的相位以传输另一路编码, 接收端结合两种解调方式, 利用编码的差错图样与校验码实现数据的纠错。相比于其他前向纠错编码, 此种差错控制方法的码长短、编解码复杂度低, 结合OFDM-MFSK调制, 能在保证通信可靠性和实时性的同时降低水声通信系统的实现成本, 适用于低速率水声通信系统的设计。     

基于直接序列扩频信号的水声信道辨识仿真

提出了基于直接序列扩频信号(Direct sequence spread spectrum,DSSS)的水声信道辨识方法,建立了水声信道仿真模型,用DSSS信号通过已知参量的仿真信道,然后对水声信道进行辨识。通过分析信道的散射函数求得水声信道主要路径的多普勒展宽与多径强度的估计值。在有、无噪声的情况下都比较精确的估计出了信道参量。算例和仿真结果表明所提出的信道辨识方法是有效和可行的。     

基于压缩传感的MIMO-OFDM水声通信信道估计算法

充分利用水声信道的稀疏特征,提出一种基于压缩传感理论的多输入多输出正交频分复用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing, MIMO-OFDM)水声通信系统信道估计算法。在MIMO-OFDM水声通信系统模型的基础上,考虑Doppler频移的影响设计符合压缩传感理论框架的过完备字典,利用一系列非正交基在过完备字典下描述待重建信号。通过对比分析基追踪降噪、丹茨格选择器以及正交匹配跟踪3种算法的信道估计性能,进一步证明了算法的有效性。仿真实验结果表明,基于压缩传感的稀疏信道估计算法具有优于传统最小二乘算法的信道估计精度,并且在最小二乘矩阵求逆奇异的情况下仍能准确地估计出信道参数;在计及Doppler频移的影响时,直接压缩传感估计优于补偿后的压缩传感估计方法。     

水下跳频通信系统的建模与仿真

水声信道是较为复杂的数据通信信道,为了满足水下安全可靠通信和组网的要求,提出了一种基于跳频技术的水下通信系统方案,建立了系统仿真模型和多径Rayleigh衰落水声信道模型。方案中采用了FH/MFSK调制技术,自适应跳频序列控制,信道纠错编码分别采用RS,卷积码,接收机采用空间分集,跳频序列控制的可控滤波器组以及基于周期图谱分析解码,并通过仿真研究比较了这些技术在水下多径信道中对系统性能的影响。结果表明采用该模型的通信系统水下跳频系统的具有很强稳健性,可以在低信噪比下具有良好的误码率性能。