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。     

伪码测距系统的多普勒频移补偿

卫星所搭载的再生伪码(pseudo noise,PN)测距系统已广泛应用于测量双星或星地距离,由于星地间的相对运动更为明显导致伪码测距信号存在着较大的多普勒频移,从而影响利用相关运算获得的双程延时测距精度。根据伪码测距系统的实现结构,推导出当多普勒频移存在时的测距延时计算公式,进而提出了一种补偿方法。同时考虑到测距系统的实际应用环境,对补偿公式进行了简化。仿真及实际测试结果表明,经过补偿后的双程延时测量值精度(中强信噪比下)可达到0.14 ns (4 cm),补偿造成的精度影响为0.01 ns (3 mm),同时公式简化及补偿引入的误差可以忽略不计。     

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.     

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。     

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。     

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.     

正交频分复用循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,提出了一种正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术和循环移位键控(cyclic shift keying, CSK)技术相结合的调制方式,该调制能很大程度地提高系统的带宽使用率。从理论上对该方法在高斯白噪声信道条件下的误码率进行了分析。同时,采用Chu序列作为扩频序列,通过理论推导得出其峰均功率比(peak to average power ratio,PAPR)的上限为3dB。利用实际湖试测量得到的多径信道模型,与DSSS-OFDM方法进行了误码率性能的分析比较。结果表明,新提出的方法具有很好的抗多径性能,且具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中、远程及多用户水声通信。     

水声跳频通信系统性能仿真研究

回顾了水声信道的特性,针对其复杂多变和强多途特点,建立了包括时变衰落、多途干扰和加性高斯白噪声干扰的水声信道模型.在此基础上设计了一种采用非相干FSK调制的水下跳频通信系统(FH/MFSK,描述了其仿真实现过程,给出了在不同水声信道条件下的系统性能仿真结果,并对其进行了详细分析,为水声信道中FH/MFSK系统设计的参数选取和性能优化奠定了基础.结果还表明FH/MFSK水下通信系统可以有效克服多途干扰,实现可靠的水下通信.     

基于多普勒频移的双基地声纳目标速度测量

针对单基地声纳仅可获得目标的径向速度以及双基地声纳有大量冗余信息的问题,提出利用单/双基地复合工作的声纳系统求解目标二维速度矢量（速度大小、航向）的方法。为了获得目标的二维速度矢量,在双基地声纳系统中,分析了双基地声纳多普勒频移的特性,并与单基地作了比较;结合单、双基地所获得的多普勒频移特性信息,给出了目标二维速度矢量的两种计算方法;并对目标速度测量误差进行了分析。结果表明,采用单/双基地复合工作的声纳系统,可以完成目标二维速度矢量的测量,而测量误差则与系统的频移分辨力及目标与收、发基地间的相对位置有关。     

基于OPNET的水声通信网络设计与仿真

水声通信网络是实现如海洋数据采集、离岸勘测与战术监测等水下系统无线信息传输的主要手段,但其性能受水声信道特性影响严重.为此,采用oPNET对水声通信网络节点模型与分层协议进行设计与实现,其特征包括基于CDMA的多用户检测以及RTS-CTS-DATA-ACK信道握手流程与网络分配向量(NAV)帧冲突处理机制等.同时建立并测试了一个包含1个主节点与5个传感器节点的水声通信网络,仿真结果表明主节点物理层采用多用户接收技术能够更好的克服冲突,减少数据包重发,从而获得更高水声通信网络的吞吐量,减少端对端传输延时与能量消耗.     

连续爆炸式水声干扰弹对抗仿真系统开发研究

以水下武器对抗作战为背景,设计开发了一种以连续爆炸式水声干扰弹为基础、基于声信号仿真的水声对抗仿真系统。在详细讨论了系统的模块组成及其相应仿真功能的基础上,构建出基于分布交互式体系结构的水声对抗仿真系统,特别给出了连续爆炸式水声干扰弹的声学模型与仿真模型,介绍了系统实现上的关键技术,最后以对抗某型鱼雷为例进行了仿真实验,证实了系统设计方案的可行性和有效性。仿真实例表明,该系统具有很好的实验研究功能。     

水声网络链路层协议的仿真研究

链路层协议的设计是水声网络的关键技术之一。它通过控制数据收发,实现网络数据包的可靠、有效传输,进而为网络层提供服务。针对水声通信系统低速率、高延时和低可靠性等特点,利用网络仿真软件OPNET对采用ALOHA协议和MACAW协议的网络进行了完整建模,给出了对等式网络和主从式网络下两种协议在吞吐量、丢包率、平均时延和能耗四个方面的仿真结果。通过对仿真结果的分析,为实用协议的设计提供了有效的参考数据和策略。     

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。     

水声通信中基于信道估计的稀疏均衡算法研究

为实现相位相干水声通信系统的实时处理,降低由信道大时延多径结构所导致的接收算法复杂度与稳定性问题,提出了一种基于信道估计的多通道稀疏均衡算法.该算法针对水声信道的稀疏特性,采用稀疏算法减小均衡器的阶数,降低了系统复杂度;并且将变步长LMS算法与基于信道估计的完全反馈均衡器相结合,提高了均衡器性能;同时采用多通道可变步长算法,各个通道的步长可以独立的自适应调节,增加了均衡器的稳定性与灵活性.在实际湖试信道条件下的性能仿真表明:在10kin的距离上,与传统四通道DFE-LMS算法相比,此算法在降低稳态误差的同时,参与迭代计算的抽头数减少了78%,从而计算量大为减小,同时系统性能也得到了改善.     

水声环境参数盲估计的仿真研究

针对水声环境参数传统获取方法的缺点及其在非常时期或非合作海域不易获取的情况,提出了水声环境参数盲估计的概念及理论模型,通过对目标函数的选取,采用遗传算法对多个水声环境参数和未知目标的空间位置进行全局寻优,并依此对基于不同信噪比观测数据的水声环境参数盲估计进行了计算机仿真。水声环境参数盲估计的仿真算例表明,水声环境参数盲估计技术是可行和有效的。     

水声环境快速评估建模与仿真

提出了基于最优插值和经验正交函数的水声环境快速重构方法,利用海表遥感数据、实测片段数据以及历史数据,实现了海洋环境剖面的实时重构。针对不同海区的水声传播特点,建立了基于波束位移射线简正波、广义相积分简正波和抛物方程理论的水声环境传播仿真模型。根据声速剖面特征和水声传播计算结果,建立了环境特征参数评估模型,有效提取了实际应用需要的环境特征量。在此基础上,构建了水声环境快速评估仿真系统,与现有海洋环境同化预报模式的延时预报相比,该方法在区域战场环境的实时分析评估以及硬件配置要求方面具有明显优势。实验结果验证了系统的有效性。     

台湾海峡近海水声信道传递函数仿真研究

水声信道传递函数特性对水声通信系统的性能有着重要的影响。采用美国海军GDEM（generalized digital environmental model）中全球气候态月平均声速数据,基于BELLHOP射线传播模型,对台湾海峡近海北、中、南部三个站点在不同季节的声速剖面下的传递函数进行了仿真研究。仿真结果表明,台湾海峡近海浅海声信道的传递函数为锯齿状,间断出现子通带。平均子通带宽度与声速剖面和海水的深度的变化密切相关。