隨著人們對(duì)海洋的開發(fā)和探索,水聲通信技術(shù)在過去的十幾年中得到了快速發(fā)展。然而水聲信道作為水下聲波傳播的物理媒介,被認(rèn)為是自然界中最具挑戰(zhàn)的無線信道之一。水聲信道的復(fù)雜性是由海洋環(huán)境的物理性質(zhì)決定的,主要受到三個(gè)因素制約:聲波在水中的傳播速度較慢(1500m/s);路徑損耗會(huì)隨著信號(hào)頻率的增加而增加,導(dǎo)致可用帶寬嚴(yán)重受限;以及時(shí)變的多徑時(shí)延和多普勒擴(kuò)展,這些因素導(dǎo)致水聲信號(hào)處理面臨許多技術(shù)難點(diǎn)。首先水聲信道的容量可能是十分有限的,這取決于通信的距離,然而傳輸信號(hào)較低的中心頻率同樣是不可忽略的,因此水聲通信系統(tǒng)本質(zhì)上是寬帶的,傳統(tǒng)適用于窄帶的信號(hào)處理方法并不能直接用于水聲通信。其次基于單載波的水聲通信系統(tǒng)通常采用判決反饋均衡器來抵抗由于時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致的符號(hào)間干擾,但是均衡器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度會(huì)隨著通信速率的提高而提高。多載波調(diào)制技術(shù)中的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù),作為一種低復(fù)雜度的高速通信技術(shù),具有很強(qiáng)的抗多徑和噪聲的能力,但是OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì)頻偏十分敏感,由于時(shí)變水聲信道使信號(hào)在傳輸中產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展,導(dǎo)致各子載波間經(jīng)歷了不同的頻率偏移,破壞了子載波之間的正交性,產(chǎn)生了子載波間干擾。因此精準(zhǔn)的多普勒補(bǔ)償技術(shù)和信道估計(jì)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)健的水聲通信系統(tǒng)至關(guān)重要,本文研究的水聲信道時(shí)變抑制技術(shù)也主要關(guān)注這兩個(gè)方面,下面是本文研究的主要內(nèi)容。論文研究了水聲通信中的多普勒抑制技術(shù),由于聲波較慢的傳播速度,水聲通信系統(tǒng)中的多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象比無線電系統(tǒng)更為嚴(yán)重,而且多徑信道不同路徑還會(huì)受到不同的多普勒影響,傳統(tǒng)的多普勒補(bǔ)償技術(shù)通常無法區(qū)分多徑信號(hào)不同的多普勒擴(kuò)展,導(dǎo)致多普勒擴(kuò)展不能有效的補(bǔ)償。為了解決這個(gè)問題,本文提出了一種基于正交角域子空間投影算法的接收機(jī)設(shè)計(jì)。首先根據(jù)水聲信道的特性對(duì)信道建模,推導(dǎo)出信道的輸入輸出關(guān)系,隨后利用陣列接收機(jī)具有的角域分辨力,通過正交投影變換將接收到的多徑信號(hào)劃分為幾個(gè)子空間信號(hào),利用不同子空間中的角域信息分別對(duì)子空間信號(hào)進(jìn)行多普勒估計(jì)和補(bǔ)償。仿真結(jié)果驗(yàn)證了相比于傳統(tǒng)方法本文方法可以更為有效的估計(jì)和補(bǔ)償不同傳播路徑的不同的多普勒擴(kuò)展,使系統(tǒng)性能得到了有效的提高。水聲OFDM系統(tǒng)的性能同樣還依賴于信道估計(jì)的性能,由于水聲信道的稀疏性,將壓縮感知用于信道估計(jì),可以在導(dǎo)頻數(shù)量較少時(shí)也能得到準(zhǔn)確的估計(jì)結(jié)果。本文分析了幾種基于壓縮感知理論的常用算法,并利用時(shí)延-多普勒參數(shù)的稀疏性推導(dǎo)了信道估計(jì)的系統(tǒng)模型,然后針對(duì)水聲信道的簇稀疏特性,提出一種基于塊正交匹配追蹤(BOMP)的低復(fù)雜度信道估計(jì)算法。本文針對(duì)傳統(tǒng)恢復(fù)算法計(jì)算復(fù)雜度高的問題,首先注意到內(nèi)積運(yùn)算中大量重復(fù)計(jì)算的部分,利用分組FFT運(yùn)算的思想,降低了內(nèi)積運(yùn)算的復(fù)雜度。其次通過在算法每次迭代中選取多個(gè)匹配塊,使算法收斂速度更快,減少算法的迭代次數(shù)。最后仿真結(jié)果表明,在匹配塊選取個(gè)數(shù)小于3時(shí),算法性能沒有損失,然而算法復(fù)雜度相比原算法有較大的降低。
【學(xué)位單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.3
【部分圖文】：

信道特性可以用作無線通信的介質(zhì)主要有電磁波、光波、聲波等。由于電磁波在導(dǎo)電的�？�，即使是用低頻長(zhǎng)波無線電，傳播距離也超不過 10 米。而光通信也不適用于大境，海水中的隨機(jī)物質(zhì)懸浮物等對(duì)光波也有大量衰減。因而聲波被認(rèn)為是最適合水下通信的傳播媒介。然而選用聲波也會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，其中最重要的是聲波的慢，帶寬嚴(yán)重受限，使得傳輸和接收之間的延遲較大并且通信速率不高。其次是復(fù)雜性，尤其是淺海環(huán)境對(duì)聲傳播帶來較大影響。淺海環(huán)境由于對(duì)聲波傳播的吸成的傳播損失較大；在多方向傳播中邊界對(duì)聲波的多次反射造成的多徑效應(yīng)極為的不均勻性以及起伏的海面使得水聲信道時(shí)變性較強(qiáng)[33]。圖 2.1 給出了淺海水聲

可通過如下經(jīng)驗(yàn)公式求得聲速c：2 3c 1449.2 4.6T 0.055T 0 x 00029T (1.34 0.01T )( S 35) 0.016zT 為海水的溫度（單位℃），z 為海洋深度（單位 m），S 為鹽度（單位 ppt）。在海聲速大約有 1520m/s，而且聲速會(huì)隨著溫度、鹽度和深度的增加而增加，水溫上升大約會(huì)增長(zhǎng) 4m/s，鹽度增加一個(gè)單位，聲速大約會(huì)增長(zhǎng) 1.4m/s，深度每增加 1km長(zhǎng) 16m/s[34]。一種典型的聲速與海洋深度的關(guān)系圖如圖 2.3 所示。圖 2.2 環(huán)境參數(shù)與海水深度關(guān)系圖

圖 2.4 水聲信道時(shí)延多普勒擴(kuò)展示意圖海洋傳播介質(zhì)本身的變化外，還有就相關(guān)，引起時(shí)間選擇性衰落。如圖符號(hào)長(zhǎng)度為T ，接收的信號(hào)的符號(hào)長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，聲波在水中的傳播速度為c， / c )T 。收發(fā)平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起水頻率較低的和帶寬受限的水聲信號(hào)，是簡(jiǎn)單的多普勒頻移，是不同頻率的多普勒比例因子定義多普勒擴(kuò)展vac 于多普勒因子，相對(duì)于無線通信系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)為例，高速列車以 3水聲通信系統(tǒng)，其收發(fā)平臺(tái)相對(duì)運(yùn)
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本文編號(hào)：2852491