多用户水声FH-MFSK通信技术理论与实现研究

摘要

水声通信网络在军事及民事领域中受到了愈来愈多的关注；水声通信信道具有带宽窄并表现出明显的双扩特性（即多途扩展和多普勒扩展），这给水声多用户通信带来了极大的挑战；论文针对多用户水声通信面临的相关问题，开展了水声多用户 FH-MFSK技术的研究，并针对水声通信网络的需求实现了一套多用户水声通信的样机。
　　首先，研究了点对点的跳频水声通信技术，理论研究内容包括：（1）抗多途干扰跳频图案选取问题；（2）FH-MFSK系统设计过程中的系统通信速率、抗多途能力以及抗多普勒的能力的相互制约问题；（3）卷积码编码的Viterbi译码器及MAP译码器基本原理；（4）二元及多元 LDPC码的编译码技术。仿真研究表明相比于卷积码的维特比软判决译码和MAP译码而言，LDPC码最小和译码能够获得3dB译码增益，且比维特比硬判决译码有5dB的译码增益；同时松花湖试验的数据处理分析结果表明二元或多元LDPC码的FH-MFSK通信系统的性能均优于卷积码编码的系统性能。
　　其次，研究了多用户跳频水声通信技术，理论研究内容包括：（1）基于RS码的时频域防碰撞多用户跳频图案的生成方法；（2）基于跳频信号的多用户信号同步技术，包括短时傅里叶变换，Goertzel算法，恒虚警概率检测等算法；（3）跳频信号用作多普勒估计的方法。仿真研究了多用户跳频图案对于多用户通信质量的影响以及CFAR参数对于检测性能的影响。在松花湖进行的跳频多用户通信的试验结果表明，基于跳频码片的多用户检测算法，能够比较稳定的检测两个用户；在各个用户的能量基本一致时可以在松花湖区分四个用户，并进行精确同步，正确解算出用户信息，当用户与接收点距离差异较大时，受远近效应的影响，当远处的用户与近处的用户的信噪比差大于23.0dB时，只能够稳定的检测较高信噪比的用户。
　　最后，依据水声通信网络的物理层需求，在以TI公司OMAP-L138芯片为核心的硬件平台上，设计并实现了同时支持两个用户检测的FH-MFSK物理层，其内容包括：（1）与物理层的信号采集及发射相关的外设驱动配置，ARM核以及DSP核的双核信息调度；（2）物理层与网络层接口协议设计、物理层实时实现工作逻辑设计；（3）调制解调、编译码等相关算法模块的选择和实现，多用户检测算法的实现和计算速度的优化。该物理层同时检测两个用户，能够在仿真和松花湖试验中支撑通信网运行ALOHA协议，并且根据松花湖试验的结果进一步改进了物理层的检测算法。

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第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 水声跳频通信技术发展历史和研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

第2章 水声跳频通信技术

2.1 跳频通信技术

2.2 纠错码理论

2.3 松花湖试验分析

2.4 本章小结

第3章 多用户跳频通信技术

3.1 多用户跳频图案设计

3.2 跳频多用户同步

3.3 恒虚警概率检测

3.4 跳频信号多普勒估计

3.5 系统性能分析

3.6 本章小结

第4章 水声通信网跳频FSK物理层设计

4.1 硬件平台

4.2 系统方案设计

4.3 算法实现与优化

4.4 水声通信网试验

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢