基于残余自干扰获取的带内全双工水声通信系统结构方案与仿真

强自干扰抵消是带内全双工(In-Band Full-Duplex,IBFD)水声通信系统工程实现中的最大挑战。 近端接收端需结合模拟域及数字域进行联合干扰抵消才可将干扰强度降低至可接受水平。提出一种基于残余干扰获取的带内全双工水声通信系统结构设计方案,其特征为具备主、辅双采集链路,通过辅助采集链路实现对干扰信号的获取,并利用辅助采集链路与消干扰信号在数字域上的抵消结果作为主采集链路数字域上的线性滤波器的输入参考信号,以实现对残余干扰的抵消。该系统结构方案与现有系统结构方案相比,在有效克服功率放大器非线性影响的同时,可降低模拟域及数字域干扰抵消系统结构复杂度;仿真数据处理结果表明,该方案可实现公里级带内全双工水声通信。     

基于训练序列的水声信道多普勒频移估计

由于水声通信媒介(声波)速度远远小于陆地通信媒介(无线电波)速度,水声通信多普勒频移比陆地无线通信多普勒频移要大几个数量级,因此多普勒频移估计是水声通信的一个重要问题。文中提出了一种水声通信系统中基于训练序列的多普勒频移估计方法。在接收端先由已知训练符号构造无噪声干扰下的理论接收信号;再根据理论接收信号与实际接收信号之间的误差平方和最小,得到含有信道衰减因子A和多普勒因子Δ的双变量目标函数,根据此目标函数的曲面图以及对其的分析,发现A的不同取值基本不影响Δ的寻优,从而可将双变量目标函数变成单变量目标函数;然后利用全局优化理论中求解有限区间内多峰值函数最值的区间斜率算法,求解多普勒因子的最小二乘估计值,从而得到多普勒频移的估计值。文中还分析了区间斜率算法的收敛性,且仿真结果显示所提算法优于现有算法。     

一种针对深海远程信道的M元扩频接收算法

深海远程水声信道具有多径时延长、信道非最小相位等特点,当扩频增益不足以抑制多径干扰时,信道均衡是必要的。将双向判决反馈均衡技术应用于M元扩频水声通信系统,减小判决反馈均衡错误传播概率,提高常规符号判决反馈均衡器输出信噪比。通过正交M元扩频解扩结果比较正向和反向信道特性,调整分集合并权重因子。和等增益合并正反向均衡输出结果的传统双向判决反馈均衡方法相比,该算法可进一步提高接收处理增益。通过仿真深海远程水声信道获得的试验结果证实了算法的有效性。     

带内全双工水声通信空间域自干扰抵消方法

针对带内全双工水声通信的自干扰抵消技术,目前常通过模拟域或数字域自干扰抵消方法进行自干扰信号消除,但由于硬件设备问题,自干扰抵消性能存在上限。而空间域自干扰抵消常采用吸声障板或具有指向性的换能器完成,虽增加了自干扰抵消上限,但在工程应用中较为复杂,方法具有设备依赖性,且抵消能力有限。为进一步增加自干扰抵消上限并减少空间域自干扰抵消方法复杂度,基于阵列信号处理技术完成空间域自干扰抵消,并针对带内全双工水声通信中独有问题设计波束形成器,利用空域滤波抑制自干扰信号并增强期望信号,通过仿真及水池实验验证了本方法的实用性及抵消效果。     

一种针对小多普勒扩展水声信道的OFDM接收算法

在水声正交频分复用(OFDM)通信系统中,水声信道中的多径时延扩展会带来频域选择性衰落,多普勒效应会带来子载波间干扰(ICI)。传统接收算法需要开展复杂的二维(时延/多普勒)信道估计, 再进行复杂的信道均衡和符号检测。针对有限多普勒扩展的信道条件下多普勒矩阵元素变化缓慢、ICI 干扰范围有限的特点,借鉴多项式拟合思想,提出了一种创新的接收算法。该算法将多普勒矩阵元素近似为多项式函数,迭代进行多项式拟合和数据符号频域均衡。和传统方法相比,该算法无需进行信道多普勒估计,仅需信道的一维(时延)估计即可实现较好的性能。利用 Bellhop 产生的水声信道仿真结果验证了该算法的可行性。     

基于带乘性噪声模型的水声通信字符估计算法研究

水声信道多途效应明显,而且存在衰落、散射、损耗以及随机时变等特性,使得水声通信系统的接收信号存在严重的码间干扰.利用带乘性噪声系统模型来刻画随机信道,在建模基础上利用最优滤波递推算法实现状态估计.由于状态向量中的第一维与接收信号之间存在一一对应关系,进而可实现水声信号的估计.该算法在最小方差意义下是最优的,能有效克服码间干扰和噪声污染.2种信道的仿真结果表明,在信噪比(SNR)为18db时,误码率(BER)均已经降低到10-4数量级,验证了算法的有效性.     

水声通信半物理仿真平台设计与应用

信道自身的复杂性和现场级试验的高投入、高风险限制了水声通信技术的发展。针对高效率水声通信技术研究的需求,提出1种水声通信半物理仿真平台水声通信半物理仿真平台(A Hardware-in-Loop Simulation Platform for Underwater Acoustic Communication)。水声通信半物理仿真平台以可配置水声Modem为核心,包括现场测试采集系统、算法仿真评估系统、算法实现装载系统、水声波形存储播放系统。基于建立的水声通信半物理仿真平台,进行水声直接序列扩频通信系统的半物理仿真研究,结果表明水声通信半物理仿真平台可有效提高水声通信技术的研究效率。     

基于声学宽带扩频信号的抗多径测距技术研究

为研究宽带扩频信号在复杂水声信道下的测距精度,提高水声定位系统的抗多径性能,以BELLHOP模型的多径干扰冲激响应作为水声信道环境基础,通过构造不同传播距离、海洋环境特征的多径水声信道,对宽带扩频编码进行同步相关测距仿真;提出一种基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,利用载波携带的宽带特征信息进行相关同步以提高理论测距精度。实验结果表明：在有直达声且不考虑声线弯曲条件下,浅海多径信道条件测距精度可达厘米级,中深水信道维持分米级测距精度,较基带同步方法的抗干扰性能有所提升,基于宽带扩频信号载波域同步的抗多径测距方法,能够为声学定位系统的高性能测距技术提供理论依据。     

面向长时水声通信数据采集与评估的浮标设计与实现

复杂海洋环境导致水声信道呈现随机时-空-频变特性,特别是浅海信道受界面、人为干扰的严重影响,对水声通信造成极大困难。近年来人工智能领域机器学习等技术飞速发展,为提高复杂环境下水声通信可靠性提供了新思路。但是,由于水声信道复杂多变、缺乏普适模型,从机器学习角度而言水声通信数据样本严重不足,传统单次、短时水声通信实验采集的数据无法充分表征水声信道空间、时间特性。通过长期部署水声通信及信号采集设备,可望在一定程度上丰富通信数据,为典型海域下人工智能水声通信研究提供数据支持。 设计并实现了一种浅海水声通信浮标,搭载水声通信系统可实现长时浅海水声通信数据采集、性能评估,同时依托北斗系统具备远程状态显示、功能控制功能。厦门港海域实验表明,依托浮标采集的长时水声通信数据可开展水声通信性能评估、信道特性与通信性能关联度分析,为下一步工作打下了良好的基础。     

时变水声信道中基于BEM的迭代信道估计技术

水声信道的多径时延扩展和时变特性对信道估计和均衡技术的研究带来了很大的挑战,同时也决定了水声信道是一种时频双扩展信道,提出一种水声OFDM通信系统中基于软信息的迭代信道估计技术,利用基于复指数基扩展模型(CE-BEM)进行信道估计。OFDM系统本身可以消除由于多径引起的符号间干扰(ISI)。基于导频的BEM信道估计,可以实现对时变信道的估计,结合基于软信息迭代的迭代均衡模块,将每次迭代生成的符号软判决信息作为辅助导频用于信道估计。同时,为了防止由于信道时变引起的信道子载波间干扰(ICI)对导频符号的影响,采用基于保护间隔的导频插入法插入导频。仿真结果显示基于BEM的软信息迭代信道估计性能较非迭代信道估计时明显提升。