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.     

有色噪声背景下的水声跳频信号参数估计

针对现有跳频信号参数估计方法未考虑有色噪声的影响,且估计精度与速度难以兼得的问题,提出了一种有色噪声背景下的水声跳频信号参数估计方法.该方法首先根据水声信号有色噪声背景的特点,对有色噪声进行白化处理;然后,在详细推导分析跳频信号短时傅里叶变换时频脊线的特征的基础上,给出了跳频信号跳周期和起跳时间的估计方法;最后,基于估计得到的跳周期和起跳时间,进一步估计跳频频率.理论分析和仿真结果表明,该方法计算量小,工程实用性强,在有色噪声背景下可以实现跳频信号参数的快速稳健估计.     

水声自适应混沌概率跳频通信方法研究

为了提高水声跳频系统的可靠性和保密性,提出了水声自适应混沌概率跳频通信新方法.该方法通过信道映射函数将各跳频信道的误码率映射成概率密度函数,依据此概率密度函数分配每个跳频频点的使用概率.根据混沌密钥序列和特定的随机数产生器产生满足此概率密度函数的随机跳频序列,并由此生成跳频图案,进行跳频通信.仿真结果表明该方法的误码率性能优于传统混沌跳频和传统自适应跳频方法,且具有更强的保密性.     

基于m序列的差分跳频通信G函数设计

基于通信保密、安全可靠的考虑,提出将差分跳频技术应用于水声通信并给出了系统模型,可以克服传统跳频通信的数据率不高和同步困难等不足。从CHESS电台G函数产生跳频图案的缺点出发,结合m序列提出新的G函数设计方法,并将新的G函数产生的跳频图案与简单相加G函数、m序列控制G函数法进行了对比分析和性能检验。仿真结果表明,新的G函数产生的跳频序列有良好的均匀性、随机性,应用于水下通信可以更好的抗水下干扰和多途。     

变分模态分解与Cohen核结合的时频分布交叉项抑制方法

在非平稳信号时频分析中,使用Cohen核所得时频分布的交叉项抑制与时、频分辨率难以兼顾。针对此,提出一种将变分模态分解(VMD)与Cohen核相结合的时频分析方法。首先对信号进行VMD分解,得到一组具有不同频率成分,相互独立的变分模态函数(IMF)分量;然后对每个IMF分量进行Cohen核时-频变换;再线性叠加重构出原始信号的时频分布。通过仿真分析,结果表明:该方法可以在保持时频分布中较高时、频分辨率的基础上,有效消除交叉项的干扰。     

内燃机优化VMD-CWD时频表征与BSNMF编码识别诊断方法

针对内燃机振动响应信号强耦合、弱故障特征的问题,提出一种基于参数优化VMD-CWD内燃机振动时频表征与BSNMF分块编码识别的故障诊断方法.利用变分模态分解(VMD)将内燃机振动信号分解成一组本征模态函数(IMF),并叠加IMF分量信号的Choi-Williams分布(CWD)获得时频聚集性良好,无交叉项干扰的振动谱图像.针对VMD分解过程中的参数选取问题,引入功率谱熵作为目标函数,对VMD的分解参数进行网格寻优,提高了VMD分解的自适应性.为了实现内燃机振动谱图像的自动识别诊断,在稀疏非负矩阵分解(SNMF)的基础上提出一种更容易收敛的分块稀疏非负矩阵分解算法(BSNMF),用来对内燃机振动谱图进行特征提取,并采用支持向量机对提取的特征参数直接进行模式识别.将本文方法应用于内燃机故障诊断实例中,结果表明:该方法能有效提取内燃机振动信号中的微弱故障特征,实现内燃机气门机构故障的自动诊断.     

VMD与Cohen核结合的时频分布交叉项抑制方法

在非平稳信号时频分析中,使用Cohen核所得时频分布的交叉项抑制与时、频分辨率难以兼顾。针对此,提出一种将变分模态分解（VMD）与Cohen核相结合的时频分析方法。首先对信号进行VMD分解,得到一组具有不同频率成分,相互独立的固有模态函数（IMF）分量,然后对每个IMF分量进行Cohen核时-频变换,再线性叠加重构出原始信号的时频分布。通过仿真分析,结果表明：该方法可以在保持时频分布中较高时、频分辨率的基础上,有效消除交叉项的干扰。     

浅海水声通信网的FH-CDMA方案研究

首先简要介绍了水声通信网的概念和设计要求，然后对水声通信网的多址技术进行了探讨，提出了一种稳健的、适用于浅海水声通信网的跳频码分多址(FH-CDMA)方案．通过对浅海水声信道进行建模仿真，并在此基础上构建网络仿真系统，分析并比较了FH-CDMA方案在不同传输条件下的水声信道中的性能．仿真实验表明：在浅海信道环境下该方案具有较强的适应性．     

一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路

介绍一种适用于移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路,电路采用初级放大—滤波—次级放大(反馈至初级放大)的闭环信号调理机制,可将调理后的输出信号稳定在某期望量值附近,能有效解决移动水声跳频通信中由于收发端相对距离变化、声传播衰减、信道频率选择性衰落、收发端电路频率响应不均匀等因素引起的接收声信号幅度随频率大起伏变化的问题.海上试验结果表明,该电路具备良好的幅度均衡性能,能大幅度提高信号检测准确度,明显提高水声通信质量.     

水声OFDM系统多普勒频移和信道的联合估计

水声通信是近年来研究的热点,但由于水声信道本身的问题,如多径延迟、多普勒频移、信号衰减、窄带宽、时变等特点,使得水声通信传输数据速率低,传输误码率(BER)高.正交频分复用(OFDM)在水声通信中具有很大优势,但它对载波频率偏移(CFO)敏感.基于循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)的水声通信系统,对多普勒引起的CFO进行补偿,同时利用延迟-多普勒域中的稀疏性对水声双选信道进行压缩感知信道估计.通过计算机仿真和水池实验,验证了这种双选信道估计的有效性和可靠性.     

基于相空间重构和核主分量的水声信号增强

多径衰落是水声信道的主要特征,利用多径衰落信道具有的混沌行为,提出一种新的抗多径干扰的方法.建立基于混沌相空间的水声信道模型,利用核技巧φ(x)·φ(y)=k(x,y),通过核主分量分析提取相空间数据中累积贡献率达到90%的非线性核主分量,然后利用核主分量逆向投影回原相空间,通过去掉噪声干扰等次分量,提高水声衰落信号的信噪比.基于实测水声数据的仿真实验结果表明,该方法能将chirp水声信号信噪比提高7.76 dB,达到对多径衰落水声信号增强的目的.      

基于VMD改进算法的气体管道泄漏检测

为提取气体管道声波信号中的泄漏成分并进行重构,提出一种结合VMD( VMD: Variational Mode Decomposition) 和误差能量算法的特征提取方法。该方法首先利用油气管道泄漏检测系统模拟气体管道的微小泄漏,并采集泄漏声波信号; 然后利用VMD 算法将采集到的泄漏声波信号分解为一系列带宽受限的固有模态;随后,使用误差能量算法选择有效模态; 最后,利用有效模态进行信号重构。通过仿真分析发现,该改进算法可以提取有效模态,利用该方法处理气体管道微小泄漏声波信号,能有效滤除噪声并重构原始信号。     

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。     

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.     

多输入多输出浅海水声信道响应的盲估计

提出一种在频率域实现的MIMO（multi—inputs multi—outputs）盲解卷积算法，可以在较低信噪比下求解得到浅海水声信道冲激响应的逆滤波器响应，不受时间域的原始信道阶数很长且稀疏的影响，经过求逆后得到原始MIM0浅海水声信道的冲激响应．最后采用合理的声场仿真模型验证了算法的有效性．     

基于表面波变换的水声瞬态信号降噪方法

为提高对水下目标信号检测的有效性和可靠性,对水声基阵信号的干扰噪声进行分析,提出对含噪信号进行三维表面波变换的降噪方法.通过设置适当的阈值,对变换后的系数进行舍取处理,得到表征信号及微量残余噪声的重构系数;对其进行表面波逆变换后得到降噪后的水声基阵信号.对实际水声信号的降噪实验表明:该方法实现了对基阵信号的并行处理,取得了较好的降噪效果.     

基于TMS320C5416的CZT鉴频系统的实现

为了满足水声跳频通信对鉴频系统分辨率的要求,本文提出了利用线性调频变换的方法进行频谱分析,给出了基于TMS320C5416芯片线性调频变换(CZT)快速实现的硬件和软件解决方案,并对工程实现中遇到的几个具体问题进行了详细说明.研究表明,该系统满足水声跳频通信对鉴频速度和分辨率的要求,并已应用于水下E-mail传输系统中.     

水下爆炸的一些声学特性分析

为了验证水下爆炸所产生的声信号能否作为一种干扰源并用于鱼雷的水声干扰对抗,进行了高能炸药装药的水下爆炸试验及其测试.根据测试数据曲线分析了冲击波的传播和衰减、气泡脉动、持续时间、声压级以及功率谱.结果表明,水下爆炸作为一种强水声干扰源,可在反鱼雷干扰对抗中发挥重要作用.     

利用激光从散射光中提取水下声信号的探测技术

提出了一种从散射屏的散射光中提取水下声信号的方法，建立了一套采用这种方法探测水下声信号的实验装置，利用此装置能够从散射屏的散射光中提取到水下声信号。验证了从激光的散射光中提取水下声信号是可行的，这为直接从水表面散射光中提取水下声信号建立了一定的实验基础。     

云相似度测量的变分模态分解去噪方法

为区分VMD( Variational Mode Decomposition) 分解后高低频段模态分量,提高VMD 算法的去噪效果, 提出一种基于云相似度测量的VMD 去噪方法。首先,对信号进行VMD 分解,通过计算各个模态分量与信号之 间的云相似度值,区分有效分量与噪声分量,然后对噪声分量进行小波滤波,最后将滤波后的分量与有效分量 进行重构。通过仿真和实际实验,将提出的去噪法与基于相关系数的VMD 去噪法和基于互信息的VMD 去噪 法对噪声信号进行处理,该方法去噪后所得信号信噪比相对较高,为28． 214 1 dB,均方误差相对较低,为 6． 12 × 104 ,验证了该方法去噪效果的优越性和对油气管道泄漏信号去噪的可行性。