基于Chirp扩频的移动平台水声通信技术研究

摘要

水声通信技术是水下信息交互的主要手段，水声信道尤其是浅海水声信道是目前最为困难的无线信道之一，水声信道是时变、空变的。近年来，移动平台如自主水下航行器(AUV)的迅速发展对水声通信提出了新的需求，在移动情况下，多径干扰和多普勒效应是水声通信的主要障碍之一。因此为了实现移动平台可靠、低功耗的水声通信，必须克服多径干扰和多普勒效应，而Chirp扩频技术的特点正好符合移动水声通信的要求。
　　本文首先分析了浅海移动水声信道的特点，并针对移动平台着重分析了多普勒效应的影响，并给出了浅海移动水声信道模型，为后续通信系统的仿真奠定了基础。
　　然后对移动水声通信中的多普勒估计和帧同步技术进行了分析研究，对正反扫频的双曲调频(HFM)信号方法进行了着重推导分析，并与其他基于线性调频(LFM)信号和HFM信号的方法进行了性能对比分析，结果表明正反扫频HFM方法性能最好。
　　接着对Chirp扩频技术不同方式进行了研究，主要分析了三种调制方式，一种是二进制正交键控方式，另外两种是直接调制方式，分别为Chirp-PSK调制和Pattern时延编码(PDS)调制，并着重对直接调制方式在抗多径和多普勒的性能进行分析，并在此基础上给出了新的接收机解调方案，通过仿真表明本文提出的利用相邻码元进行时间反转卷积得到编码时延差值的PDS系统的性能最好。
　　最后，对Chirp扩频系统进行了实验验证。基于AUV移动平台设计了一套移动水声通信实验数据采集系统，在莫干湖进行了移动平台水声通信实验，结果表明在发送节点与接收节点存在相对运动时，本文中给出的PDS系统性能表现良好，进一步验证了仿真的结论。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

2 浅海水声信道

2．1 浅海水声信道特点

2．1．1 声传播衰减

2．1．2 海洋环境噪声

2．1．3 通信带宽

2．1．4 多径传输

2．1．5 多普勒效应

2．2 水声信道建模

2．2．1 简正波模型

2．2．2 浅海移动多径水声信道模型

2．3 本章小结

3 多普勒估计和帧同步技术

3．1 Chirp信号特性分析

3．1．1 LFM信号特性

3．1．2 HFM信号特性

3．1．3 LFM和HFM信号特性对比

3．2 多普勒估计和帧同步方法

3．2．1 块估计法

3．2．2 正反扫频LFM信号多普勒估计和同步方法

3．2．3 HFM与单频脉冲信号联合多普勒估计和同步方法

3．2．4 正反扫频HFM信号多普勒估计和同步方法

3．2．5 多普勒估计和帧同步性能仿真

3．3 本章总结

4 Chirp扩频通信系统

4．1 CSS-BOK方式

4．1．1 BOK调制方式

4．2 CSS-DM方式

4．2．1 Chirp-PSK调制与解调

4．2．2 PDS调制与解调

4．3 CSS通信系统仿真分析

4．3．1 CSS通信系统参数设计

4．3．2 仿真性能对比

4．4 本章总结

5 Chirp扩频移动水声通信实验

5．1 移动水声通信实验数据采集系统

5．1．1 主控模块设计

5．1．2 FPGA协处理板设计

5．1．3 系统电源模块

5．2 移动水声通信系统实验研究

5．2．1 实验环境及过程

5．2．2 湖上实验方案及性能分析

5．3 本章总结

6 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的研究成果