水声数据独立多源并行传输跳频通信研究

摘要

水声通信是目前在海洋中实现有效通信的最主要方式，因此水声通信技术研究在军事领域及经济领域都有非常重要的意义。海洋水声信道具有噪声高、带宽窄、存在严重的多途径延迟现象等特点，它是在时-空-频域随机变化的稀疏多途径信道，其中浅海域水声信道的多途径效应尤为严重，在如此恶劣的信道中构建快速、可靠、有实际应用价值的水声通信点对点系统及网络系统，是一项非常具有挑战性的研究工作。本论文提出将独立多源并行传输与跳频调制相结合的水声通信系统，其设计目标就是一个满足上述要求的水声通信系统，其在水声自组织通信网络中的应用将具有十分重要的意义。
　　 本研究首次创新性地提出独立多源并行传输跳频调制水声通信系统。它采用跳频调制方式，用n个发射端同时各自独立地发送数据，每个发送端分配相互正交或准正交的跳频序列簇中的一个跳频图案，对各个源实现跳频码分多址FH-CDMA通信。跳频频点的选用采取正交多载波方式，一个源节点在每一个跳变时隙分配一个正交子载波，故又可看成是另类的正交频分复用(OFDM)系统。由于各发射端各自独立工作，因此可以免于采用大功率线性功放，而只需多套简单的小功率饱和激励功放，这给实现正交多载波并行传送带来了极大方便。当构成点对点通信系统时，理论上可提高通信容量至n倍，同时，因为各发送源的布置在满足大于相干距离的前提下仍然可以相互比较靠近，所以多发射源可以共用一个同步信号，以简化系统设计。当把n个发送端赋予n个不同的通信节点（用户）时，可构成水声自组织通信网络，即为跳频扩频通信水声自组织网络。
　　 这种网络的主要优点:(1).各个独立源节点可以独立地“零时延”接入单一共享水声无线信道;(2).网络中的小区内允许多对节点并发通信，以及多源点可以同时并发对同一个目的节点通信，并能够解调、区分出不同源节点的信息，或任择所需要的源节点信息，这将给水声自组织网中的多跳中继带来极大方便，可提高转发的效率，进而提高通信容量;(3).对“远近效应”不敏感，无需功率控制。它与DS-CDMA水声通信网络以及当前水声主流信道接入方式动态TDMA接入方法相比较，有着显著的优势，故本研发的FH-CDMA通信系统非常适用于浅海域水声自组织网络。
　　 本研究还研制出适用于本系统的信号调理电路.独立多源并行传输跳频调制水声通信系统在工作时，由于多个源同时发送信号，存在着多流干扰问题，而水声信道中又存在严重的多途径现象，因此，系统接收端的信号检测部分应具备在此恶劣环境中可靠地、高性能地解调信号的工作能力。文中分析了动态滤波器作为信号检测器对多流及多径信号的响应，指出若能满足正交性，多流信号不会对信号检测输出造成影响，但是，多途径传播现象会造成信号正交性被破坏，引起检测器的输出误差，经过对多种不同情况下信号检测器输出误差大小的分析和比较，较全面地掌握了其工作特性。在此基础上本研究创新性地提出，在由动态滤波器构成的解调器的前端，插入能够大幅度降低正交性被多途破坏了的子载波所产生的干扰的处理器，它与动态滤波器组合成为适用于浅海域的正交多载波解调器，对本系统的实现具有重要意义。
　　 通过初步搭建的本系统的简化样机，经实验室水池试验验证了本研究构想的可行性。
　　 本研究的应用目标是为水声自组织网络提供一种通信系统，这种系统允许多个源节点独立地“零时延”信道接入，为自组网的多跳中继带来极大方便和高效率，多个源节点可同时并发对一个目的节点通信，目的节点能解调出区分各个源点的信息，即可以同时接收或转发多路的信息，这对提高水声自组网的性能具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 选题出发点和研究意义

1．2 水声通信研究发展的历程及现状

1．3 本论文的结构和主要内容

第二章 海洋水声信道的传输特性

2．1 声波在海水中的传播

2．1．1 传播损耗

2．1．2 海水中的声速与声道

2．1．3 海洋噪声

2．1．4 混响

2．1．5 海洋的内部结构及对声传播的影响

2．2 水声信道特性

2．2．1 多途径传播现象

2．2．2 信道的分类

2．2．3 时间相干性、频率相干性及空间相干性

2．2．4 时间色散信道的完整信道特性函数

2．2．5 随机衰落信道

2．2．6 信道模型

2．3 水声信道对通信系统的制约和挑战

第三章 独立多源并行跳频传输方式及其应用研究

3．1 关于水声通信中提高通信速率的讨论

3．2 关于独立多源并行传输方式的讨论

3．2．1 依据和优势

3．2．2 在水声通信中的可实现性

3．2．3 其应用对通信系统提出的要求

3．3 关于跳频调制应用于水声通信的讨论

3．3．1 跳频通信基本原理

3．3．2 在浅海域通信中采用跳频技术的优点

3．3．3 利用正交频分方案增加跳频点数

3．4 独立多源并行传输方式用于水声自组织网络的研究

3．4．1 关于隐藏终端和暴露终端的问题

3．4．2 信道接入的控制方法与多址方式

第四章 海洋水声信道中抑制多流干扰的信号检测

4．1 正交动态滤波器

4．1．1 实现方案1及工作原理

4．1．2 工作特性

4．1．3 实现方式2及工作原理

4．2 对多流信号的响应

4．3 对多途径信号的响应

4．3．1 存在多途径效应的多个不同频点子载波所造成的误差影响

4．3．2 进一步的讨论

4．4 关于动态滤波器实质的讨论

4．4．1 与普通带通滤波器的比较

4．4．2 与谱分析的比较

4．5 本研究的抑制多流干扰的方法和实现技术

4．5．1 抑制多流干扰的方法研究

4．5．2 抑制多流干扰的实现技术

4．6 小结

第五章 构建独立多源并行跳频通信实验样机

5．1 独立多源并行跳频通信实验样机的设计

5．1．1 基本思路

5．1．2 发送端的设计及实现

5．1．3 接收端的设计及实现

5．2 实验过程及分析

5．2．1 调试阶段试验

5．2．2 验证阶段试验

第六章 工作总结及对未来研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间的科研情况

致谢