线性调频信号水声调制技术的研究

摘要

水声信道是一种多径效应强、传输延迟高、多普勒效应明显，频率选择性衰落和时间选择性衰落严重的信道。由于水声信道可用的带宽有限，所以通信速率较低，此外，声波在水的介质中传输速率只有1500m/s，即便收发两端发生较小的相对运动也能导致比无线信道更加严重的多普勒效应。
　　按照信息的传输速率，可将水声通信的类型分为高速通信和低速通信，而按照工作频段分，可将分为高频、中频以及低频通信。高速通信主要应用在近距离的场景，工作频率主要在高频段，一般在几十KHz-几百KHz不等，主要采用的是多载波技术，例如OFDM等。低速通信主要应用在远距离场景，工作频率主要在低频段，几百赫兹到几千赫兹，主要采用的是脉冲位置调制、扩频，以及频移键控等等。
　　扩频技术主要采用的是DSSS，可在低信噪比的环境下较好的通信，但通信速率较低。针对DSSS调制方式通信速率较低的问题，国内外一些学者提出了M元混沌扩频通信方式，提高了DSSS系统的通信速率，但系统较为复杂，抗多普勒效应较差。相关学者也提出了基于Chirp信号的Fractional FourierTransform(FRFT)的扩频方式，但计算量较大。本文提出了一种新型的通信方式Chirp-Cyclic Shift Keying(Chirp-CSK)，利用Chirp信号的本身循环移位特性进行调制，通过Chirp信号的分片时长携带比特信息，接收端利用匹配滤波进行解调，单载波的情况下频带利用率可达0.5bps/Hz，在实际的低信噪比海洋环境下具有较高的鲁棒性，误比特率达10-3级。
　　论文的主要工作点如下:
　　(1)介绍了水声信道下扩频技术的相关原理，并分析了常见的水声扩频技术的优点以及缺陷。
　　(2)根据水声信道特性，设计出一套水声通信的帧格式方案、信道估计及时间反转镜处理等，并在海洋环境下获得验证。
　　(3)分析了海洋的背景噪声、多径效应以及强多普勒效应下对Chirp信号的检测造成的影响。根据Chirp信号以及水声信道的传输特性，设计出一套Chirp-FRFT通信方式。
　　(4)根据目前Chirp扩频技术的缺点，提出了Chirp-CSK通信方案，并对其抗多径、抗噪性能进行分析，并在海洋环境下获得了验证。
　　(5)总结与展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要研究内容

第2章 水声通信系统框架

2．1 水声信道

2．1．1 传播损耗

2．1．2 阴影衰落

2．1．3 多径衰落

2．1．4 多普勒效应

2．2 帧格式的设定

2．2．1 唤醒段

2．2．2 保护段

2．2．3 同步段

2．3 信道估计与时反技术

2．3．1 信道估计

2．3．2 主动时反与被动时反

2．3．3 水声稀疏信道虚拟时反的实现

2．4 实验验证

2．4．1 MATLAB仿真

2．4．2 海洋实验

2．5 本章小结

第3章 Chirp-FRFT扩频

3．1 FRFT与Chirp信号检测

3．1．1 Chirp信号

3．1．2 Chirp信号与FRFT变换

3．2 Chirp-FRFT通信系统设计

3．2．1 通信方案设计

3．2．2 通信参数选择

3．3 方案实验论证

3．3．1 MATLAB仿真

3．3．2 无消声水池实验

3．3．3 海洋实验

3．4 本章总结

第4章 Chirp-CSK通信系统

4．1 Chirp-CSK原理

4．1．1 Chirp-BOK通信方式

4．1．2 Chirp-CSK的提出

4．1．3 Chirp-CSK的验证

4．2 Chirp-CSK通信方案设计

4．2．1 Chirp信号参数选择

4．2．2 Chirp-CSK具体实现

4．3 方案实验论证

4．3．1 MATLAB仿真

4．3．2 无消声水池实验

4．3．3 海洋实验

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 主要工作和创新

5．2 下一步研究工作

参考文献

参与项目与发表论文

致谢