基于LFM和STLFM信号的扩频水声通信方案研究

摘要

随着世界各国对海洋资源越来越重视，越来越多的学者投入到了水下通信的研究之中，为了能够更高效可靠地对海洋资源进行开发利用，人们对水下通信系统的速率和可靠性提出了更高的要求。但是水下声信道是一个极其复杂的信道，这就为可靠高速的水下通信系统研究提出了挑战。
　　线性调频信号（Linear Frequency Modulation，LFM）因其本身就具有一定的时宽带宽积，在水下通信系统中通常被用做同步信号。传统水声通信中对同步信号的检测通常是匹配滤波法。由于分数阶Fourier变换（Fractional FourierTransform，FRFT）是一种以LFM信号作为基底的时频变换方法，因此利用FRFT对LFM信号进行检测与估计的方法比传统的时域上的能量检测方法更有优势。而对称三角线性调频(Symmetrical Triangular Linear Frequency Modulation，STLFM)信号作为LFM信号的一种扩展，也具有与LFM信号相同的时宽带宽积特性，目前被广泛应用于雷达领域，对于该信号同样可以使用FRFT方法进行检测和估计。本文首先对基于LFM信号的多载波及并行组合扩频水声通信方案进行了分析讨论，对LFM多载波扩频通信方案中的载波信号进行了优选，并将优选依据推广运用到并行组合扩频方案中。然后提出了基于STLFM信号的多载波及并行组合扩频水声通信方案。在厦门大学实验水池对上述两类通信方案进行了实验。实验结果表明，上述两类方案在实验水池环境中，当系统速率为200bps时，系统误码率可达到10-4量级，可见两类方案具有较高的可靠性和有效性，为水声通信提供了备选的技术方案。
　　本文的主要工作如下:
　　1.分析了国内外关于LFM扩频和STLFM扩频系统的研究现状，简要介绍了水声信道主要特性及分数阶Fourier变换。
　　2.利用LFM信号在分数阶傅里叶域所具有的能量聚集特性，在LFM二进制正交键控(Binary Orthogonal Keying，BOK)系统的基础上，对LFM多载波扩频水声通信方案进行了研究分析，得到了LFM扩频方案的载波信号的优选方案，并在此基础上，分析了并行组合扩频水声通信方案的性能。
　　3.提出了基于STLFM信号的多载波及并行组合扩频水声通信方案。
　　4.通过仿真及水池实验，验证了上述两类水声通信方案的有效性和可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及其意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 LFM扩频技术研究现状

1．2．2 对称三角线性调频信号扩频技术研究现状

1．3 论文主要内容及章节安排

第二章 水声信道主要特性及分数阶Fourier变换

2．1 水声信道主要特性

2．1．1 传播损失及受限带宽

2．1．2 多径效应

2．1．3 信道噪声

2．1．4 多普勒效应

2．2 分数阶Fourier变换

2．2．1 分数阶Fourier变换的定义和基本性质

2．2．2 LFM信号在分数阶傅里叶域的特性分析

2．2．3 分数阶Fourier变换的离散化算法

2．3 本章小结

第三章 LFM多载波及并行组合扩频通信方案研究

3．1 LFM多载波扩频方案概述

3．1．1 多载波调制方案

3．1．2 多载波解调方案

3．2 LFM并行组合扩频方案概述

3．2．1 LFM并行组合扩频基本原理

3．2．2 LFM并行组合扩频调制及解调方案

3．3 系统仿真及结果分析

3．3．1 LFM多载波扩频系统在不同参数条件下的仿真

3．3．2 LFM并行组合扩频系统仿真分析

3．4 本章小结

第四章 对称三角线性调频多载波及并行组合扩频通信方案研究

4．1 对称三角线性调频信号概述

4．2 STLFM多载波扩频通信方案概述

4．2．1 STLFM BOK系统

4．2．2 STLFM多载波扩频调制及解调方案

4．3 STLFM并行组合扩频通信方案概述

4．3．1 STLFM并行组合扩频调制方案

4．3．2 STLFM并行组合扩频解调方案

4．4 系统仿真及结果分析

4．5 本章小结

第五章 水池实验数据分析

5．1 LFM扩频系统水池实验分析

5．2 STLFM扩频系统水池实验分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要研究工作总结

6．2 下一步研究工作展望

参考文献

致谢