【摘要】：OFDM技術(shù)由于具有高頻帶利用率、參數(shù)靈活可調(diào)的特點(diǎn)在帶寬受限的水聲通信領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。信道估計(jì)技術(shù)作為OFDM系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的信道估計(jì)對(duì)于接收端的數(shù)據(jù)解調(diào)恢復(fù)具有重要意義。與無(wú)線(xiàn)通信相比,水聲信號(hào)受多途時(shí)延擴(kuò)展以及信道時(shí)變特性的影響更大,盡管可以通過(guò)改變通信參數(shù)設(shè)置使OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間短于信道相干時(shí)間以減小信道時(shí)變特性對(duì)通信信號(hào)的影響。但此舉也會(huì)放大多途衰落的影響,傳統(tǒng)信道估計(jì)方法必須通過(guò)增大導(dǎo)頻數(shù)量才能保持性能不變。但隨著研究的深入,水聲信道多途分布現(xiàn)已被證實(shí)具有稀疏性,通過(guò)利用壓縮感知理論可將水聲信道估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為稀疏信號(hào)重構(gòu)問(wèn)題,在不增加導(dǎo)頻數(shù)量的前提下可有效提高信道估計(jì)性能。然而現(xiàn)有的水聲壓縮感知信道估計(jì)方法大多采用逐符號(hào)方式進(jìn)行,往往存在如下兩個(gè)問(wèn)題:一是目前的壓縮感知重建算法普遍復(fù)雜度高,硬件實(shí)現(xiàn)難度大,因此難以應(yīng)用于信道跟蹤等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合;二是絕大多數(shù)的現(xiàn)有研究?jī)H考慮了水聲信道在靜態(tài)時(shí)間上的內(nèi)在稀疏性,較少考慮動(dòng)態(tài)信道下的情況,忽略了相鄰前后時(shí)間稀疏多徑信道存在的相關(guān)性,未能充分發(fā)掘壓縮感知理論的潛能。本文圍繞上述兩個(gè)問(wèn)題,研究了處理時(shí)變稀疏信號(hào)的動(dòng)態(tài)壓縮感知理論,并將水聲信道的動(dòng)態(tài)變化與時(shí)變稀疏信號(hào)相關(guān)聯(lián),以O(shè)FDM水聲通信為應(yīng)用背景,發(fā)展了兩種符合時(shí)變信道特征的稀疏信號(hào)模型。在此基礎(chǔ)上,分別針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題所處的情境,在水聲信道逐符號(hào)變化的假設(shè)下,充分挖掘了水聲稀疏信道多徑結(jié)構(gòu)存在的時(shí)間相關(guān)性特點(diǎn),提出了兩種改進(jìn)的壓縮感知算法。理論分析與仿真結(jié)果均表明,所提兩種算法很好地適應(yīng)了上述兩種情景。本文所提兩種算法的創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、改進(jìn)SOMP算法:研究分布式壓縮感知理論,旨在將時(shí)域內(nèi)連續(xù)多個(gè)時(shí)隙內(nèi)的信道沖激響應(yīng)估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分布式壓縮感知可以處理的空間內(nèi)多個(gè)稀疏信號(hào)的聯(lián)合恢復(fù)問(wèn)題。根據(jù)水聲信道緩慢時(shí)變特點(diǎn),所提算法是基于SOMP算法的改進(jìn)算法,通過(guò)選取JSM1模型聯(lián)合恢復(fù)信道,增加在各時(shí)隙內(nèi)獨(dú)立抽頭的檢測(cè),從而達(dá)到更高的估計(jì)性能。2、動(dòng)態(tài)OMP算法:利用水聲信道沖激響應(yīng)的時(shí)域相關(guān)性,通過(guò)AR過(guò)程模擬信道變化,建立動(dòng)態(tài)稀疏觀(guān)測(cè)模型。該算法僅在初始時(shí)刻進(jìn)行一次完整的OMP信道估計(jì)獲取信道支撐集,之后通過(guò)連續(xù)跟蹤前一時(shí)刻信道支撐集的變化來(lái)跟蹤信道,因此有效降低了算法復(fù)雜度,能較好地應(yīng)用于信道跟蹤。
【圖文】：

圖 2.1 典型海洋聲速剖面及其對(duì)應(yīng)的海洋截面Fig.2.1 Typical ocean sound speed profile and its corresponding ocean cross section2.1.2 傳播損失由于海水并非理想的無(wú)損耗介質(zhì)，聲信號(hào)在水下傳播時(shí)其能量會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸減弱。通常利用傳播損失來(lái)表征海洋中聲信號(hào)能量的損耗。而傳播損失又主要包括兩部分，即擴(kuò)展損失和衰減損失。擴(kuò)展損失是指聲波從聲源向外傳播時(shí)信號(hào)能量有規(guī)律衰弱的幾何效應(yīng)，因此也被稱(chēng)為幾何損失。根據(jù)聲傳播過(guò)程中海洋介質(zhì)的不同，擴(kuò)展類(lèi)型也不盡相同，對(duì)于理想的無(wú)限均勻介質(zhì)，擴(kuò)展類(lèi)型為球面擴(kuò)展，擴(kuò)展損失是距離的平方；但在實(shí)際的海洋中，由于水聲信道常呈現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)，并且考慮到聲速分布的不均勻性，擴(kuò)展類(lèi)型通常呈柱面擴(kuò)展特性，相應(yīng)的擴(kuò)展損失是傳播距離的一次函數(shù)。衰減損失包括聲能量的吸收、散射以及聲能泄露，其中聲能量的吸收損失是造成衰減損失的主要原因。聲能吸收主要表現(xiàn)為海水介質(zhì)的吸收和海面海底邊界的吸收，，海水介質(zhì)的吸收實(shí)際是由于海水中存在的 B(OH)3、MgSO4等化學(xué)離子的弛豫效應(yīng)造成的。除此之外，海水中的聲吸收損失還與聲波頻率密切相關(guān)，下圖 2.2 給出了海水的

圖 2.2 聲吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系Fig.2.2 Relationship between acoustic absorption coefficient and frequency途效應(yīng)于陸地?zé)o線(xiàn)電信號(hào)，聲波在水下傳播時(shí)存在多途效應(yīng)。也就是說(shuō)，波將沿不同路徑到達(dá)接收端，在此過(guò)程中，由于各路徑長(zhǎng)度不同以造成各路徑到達(dá)接收端的時(shí)間不盡相同，從而引起接收端信號(hào)波形洋水聲通信中，造成水下聲傳播多途效應(yīng)的主要原因有兩個(gè)：一是及水中物體的反射；二是水下聲波跨層傳輸時(shí)聲速梯度引起的折射海水聲信道，由于海面波浪起伏具有隨機(jī)性，因此淺海水聲信道中反射影響較大；后者主要發(fā)生于深海水聲信道，由于海水介質(zhì)的不速梯度的不同，聲波總是從聲速高的區(qū)域向聲速低的區(qū)域彎曲，從的折射引起多途。深海水聲信道，淺海由于海底海面邊界情況復(fù)雜，水中散射體多，
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2617103