一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究

OFDM(正交频分复用)是一种适合于在多径衰落和受限带宽信道中进行高速传输的技术。论文把OFDM技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OFDM的高速水声通信系统,阐述了OFDM水声通信系统中同步和信道估计的方法。海上试验证明了系统的有效性。     

OTFS水声通信技术研究现状与展望

正交时频空调制是近年来提出的一种用于高速移动无线通信场景的调制技术,通过将时变多径信道转换到时延–多普勒域,使得所有符号都经历几乎相同且变化缓慢的稀疏信道。与正交频分复用系统相比, 正交时频空技术具有较低的峰均功率比,且能够有效抵抗多普勒效应,在高时延、高多普勒的信道条件下具备性能优势。简要介绍了正交时频空技术的基本原理,以及目前无线电及水声通信领域正交时频空技术研究与应用现状,梳理了正交时频空技术在工程应用中亟待解决的关键问题,如波形设计、信道估计和均衡以及接收机结构设计等。最后对正交时频空技术在水声通信系统中面临的挑战和应用前景进行了分析和展望。     

基于软件无线电技术的高速水声通信实验系统设计

水声信道的频带极其有限和多径干扰严重是目前制约水声通信数据率提高的主要瓶颈。正交频分复用(OFDM)技术因具有抗多径干扰和频谱利用率高等特性而被大量通信标准采用。同时,软件无线电技术可简化系统的硬件结构、节省成本且便于升级。结合两种技术的优势,设计了一种基于软件无线电技术的高速水声通信系统。论文详细描述了系统框架、软硬件设计和信号处理流程。最后通过水声实验,验证了该系统具有可靠的传输性能。     

一种轻小型S波段卫星中继通信机的设计与实现

针对远海无人值守浮标与岸基站间的实时、可靠和高速率通信需求,研制了一种轻小型S波段卫星中继通信机。通过采用高集成度的零中频接收单元和25 W高效率GaN功放发射单元,实现了对岸站遥控指令(2 kbps)的接收和浮标载荷数据(2 Mbps)的实时回传。通过提高收发隔离度和实时解算接收信噪比,确保了海上卫星通信的高可靠性。通过射频前端和信号处理单元等硬件的一体化设计,实现了整机的轻小型化(尺寸约为192 mm×134 mm×92 mm,质量小于2.0 kg)和低功耗(低于80 W)。四级海况下的海上试验表明,S波段中继通信机能够满足复杂海况条件下远海浮标的实时高速率双向通信需求,大回路数据通信误码率Pe10-5。     

自主回收UUV水声定位与遥测遥控导引技术研究

针对 UUV 任务结束或能源不足时自主回收的需求,深入研究了 UUV 中远程水声定位与遥测遥控导引技术,完成了水声定位与遥测遥控导引系统方案设计,重点研究了 MFSK、OFDM、扩频等水声遥测遥控调制方式。 通过分析和对比,设计了一种正交混合扩频调制方式,并采用相干二维搜索技术,提高扩频技术多普勒补偿能力。 开展了湖上静态与动态跑船试验,试验数据结果表明:水声水平定位精度优于 0. 5%,水声遥测遥控系统解算误码率达到了 10^-3 数量级,可有效引导 UUV 回收作业。     

水声信道中一种抗多途跳频通信的研究

水声通道系统是当代海洋开发和海洋环境立体监测中的重要技术组成部分，广泛应用于海洋监测、海洋资源勘探和开发等方面。然而，水声信道的随机起伏、时－空－频变的多途特征使水声通信技术成为当代最为复杂的通信技术之一。本文介绍近年来在高速水声通信方面的一些研究进展，讨论了一种利用高速数字信号处理器（DSP）实现水声信道跳频通信的方案，并探讨了该方案在调制信号设计及信号处理实现上所采用的关键技术。     

基于形态滤波的水声通信信号同步检测方法

针对水声通信过程中拷贝相关同步检测在不同信道环境下相关峰值差距较大,通过单一固定门限同步检测导致信号误检率、漏检率高的问题,设计了一种信号同步检测帧结构,在传统拷贝相关同步检测信号前加入三单音信号,结合形态学滤波技术,提出了一种新的水声通信信号同步检测方法,实现了不同信道环境和通信距离下单一固定门限检测值的水声通信信号同步检测,降低了信号同步检测的误检和漏检概率。 实际海试结果表明：在 5 km,7 km,10 km 不同通信距离和信道环境下该方法均可实现信号同步检测,信号的误检概率和漏检概率均为 0。     

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。     

宽码率Polar码浅海水声通信实验研究

浅海水声信道的随机时–空–频特性给数据的可靠传输带来了重大挑战,低复杂度和理论上证明能到达香农限的极化码(Polar code)可以增强水声通信系统的鲁棒性。水下传输的图像、语音、文本、海洋监测数据和遥控指令具有不等重要性的特点,宽码率 Polar 码能够适应不同水声信道和不等重要性的信息传输。 目前 Polar 码在水声通信中的实验研究多为仿真分析,设计了宽码率 Polar 码在厦门港海域海试验证,在不同信噪比的实录环境噪声下进行分析。海试结果表明：在良好的信道条件下,宽码率 Polar 码的性能优异,0.25 码率的 BPSK 和 QPSK 在实录环境噪声信噪比为–1 和 4 时实现零误码,其低复杂度信道编译码机制和宽码率与水声信道相匹配,可有效提高水声数据传输的可靠性和有效性,为基于 Polar 码的稳健可靠水声通信系统提供海试实验验证。     

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。     

水声数据通信系统研究

提出一种基于并行传输体制的水声数据通信系统设计方案,发射端采用纠错能力很强的级联码和MFSK调制,分集技术采用抑制载波的双边带调制方式,接收端对接收信号利用快速频谱分析进行解调,并进行硬判决Viterbi译码和BM迭代译码。实验表明,该水声数据通信系统的传输波特率为200bits/s。误码率达到10^-5～10^-6以下。     

一个水声扩频通信系统设计与实现

严重的多途衰落、多普勒频偏是水声通信中引起误码的主要原因。低功耗、远距离、高隐蔽性、低信噪比检测、高可靠性的数据传输是水声通信的一个发展方向。设计并实现了一个水声扩频通信系统,有效地解决了以上问题,并采用快速相关算法,代替传统的矢量与矩阵相乘运算,极大地减少了程序的运行量,从而实时地处理接收信号。通过湖试和海试,验证了此通信系统的优良性能。     

北海狮水下声信号类型分析

以水族馆内圈养的北海狮为研究对象,利用长达29 h的连续被动声学观测数据,对北海狮水下声信号类型进行了研究。共检测出22 689个水下声信号,对时长、最小频率、最大频率和峰值频率这4个声学参数采用聚类分析方法将信号分为10种类型:单脉冲(SP)、哨声(WS)、咕咕声(GG)、咚咚声(DS)、狗吠声(BK)、吼叫声(WY)、嗡嗡声(BZ)、撞击声(BG)、单频声(SF)以及咩咩声(BT)。该分类方式涵盖了北海狮92.6%的水下发声。北海狮水下声信号时长的均值为5~1 244 ms,峰值频率一般小于10 kHz。10种类型信号的占比各有不同,BK,BT和BG信号的比例较高;SP,WS和BZ信号的比例次之;DS,WY,SF和GG信号的比例较低。对北海狮水下声信号类型的分析能帮助了解北海狮的声行为特征,对野外北海狮的声学观测具有重要的指导价值。     

A Variable-Rate Spread-Spectrum System for Underwater Acoustic Communications

A key research area in underwater acoustic (UWA) communication is the development of advanced modulation and detection schemes for improved performance and range-rate product. In this communication, we propose a variable-rate underwater data transmission system based on direct sequence spread spectrum (DSSS) and complementary code keying (CCK), particularly for shallow-water acoustic channels with severe multipath propagation. We provide a suboptimum receiver that consists of a bidirectional decision feedback equalizer (BiDFE) to cancel both postcursor and precursor intersymbol interference (ISI). We also develop iterative signal processing and time-reversal (TR) diversity processing to mitigate the effect of error propagation in BiDFE. We present performance analysis on bit error rate (BER) for different data rates. Our works show that this new variable-data-rate DSSS-CCK is a suitable candidate for UWA communications over varying channel conditions and distance.      

水声通信及组网的现状和展望

水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。文中面向海洋环境监测领域,从水声通信物理层技术、网络技术及组网应用等方面进行介绍,并对未来技术趋势进行展望。     

Recent advances in high-speed underwater acoustic communications

In recent years, underwater acoustic (UWA) communications have received much attention as their applications have begun to shift from military toward commercial. Digital communications through UWA channels differ substantially from those in other media, such as radio channels, due to severe signal degradations caused by multipath propagation and high temporal and spatial variability of the channel conditions. The design of underwater acoustic communication systems has until recently relied on the use of noncoherent modulation techniques. However, to achieve high data rates on the severely band-limited UWA channels, bandwidth-efficient modulation techniques must be considered, together with array processing for exploitation of spatial multipath diversity. The new generation of underwater communication systems, employing phase-coherent modulation techniques, has a potential of achieving at least an order of magnitude increase in data throughput. The emerging communication scenario in which the modern underwater acoustic systems mill operate is that of an underwater network consisting of stationary and mobile nodes. Current research focuses on the development of efficient signal processing algorithms, multiuser communications in the presence of interference, and design of efficient modulation and coding schemes. This paper presents a review of recent results and research problems in high-speed underwater acoustic communications, focusing on the bandwidth-efficient phase-coherent methods. Experimental results are included to illustrate the state-of-the-art coherent detection of digital signals transmitted at 30 and 40 kb/s through a rapidly varying one-mile shallow water channel     

黑潮流套脱落反气旋涡对声传播的影响研究

黑潮在冬季常以流套的方式入侵南海,并多伴随着反气旋涡的脱落,脱落的反气旋涡将黑潮高温、高盐水带入南海,影响南海东北部水文要素和声速场的空间分布,目前尚未有对黑潮流套脱落反气旋涡声学效应的研究。利用2009～2020年卫星高度计数据和再分析数据,在南海东北部选取了6个冬季黑潮流套脱落反气旋涡,研究了其水文和声场结构,并应用Bellhop高斯射线模型仿真给出了其对声传播的影响。结果表明:(1)6个黑潮脱落反气旋涡平均半径为110～135km,垂向深度可达1 000～1 200 m,最大旋转速度为0.4～0.6 m/s。反气旋涡中心暖水下沉,温度异常均为正异常,暖核位置位于100～250 m处,最大正异常达到2.5°C。中心盐度异常呈现负-正-负的三核结构。反气旋涡在100～900 m深度声速为正异常,最大正异常超过8 m/s,出现在400 m左右。(2)声波从涡外穿过涡旋和从涡内向外传播,当地形不会影响声线的反转时,会聚区的位置发生后移,后移的距离在5～10 km;当地形阻碍声线的反转时,声线与地形接触的位置不同,会聚区可能出现前移或后移,后移最大为29km,前移最大可达23km。(3)当...     

基于Visual C和PC的软件水声调制解调系统

介绍了一种DS/DBPSK调制解调技术方案,该方案采用了具有较强抗干扰、抗衰落和抗多径性能的扩频技术,并结合与信道适应性较好、不需载波恢复的差分相位调制技术,对浅海水声信道造成的干扰进行抑制.在此方法上,基于Visual C(VC)及PC平台设计了一个通用性好的软件水声调制解调系统,利用双缓冲邋和多线程技术机制实现算法实时处理,同时可通过串口通信提供上层应用接口.实验系统验证了扩频和差分调制技术在浅海水声通信中的性能,为水声组网提供了底层支持.海试实验结果表明了系统的有效性.