参量阵定向声通信关键技术研究

摘要

当前声通信领域面临的主要挑战是多途信道引起的频率选择性衰落和码间干扰问题，如何提高声通信系统的抗多途干扰能力和加强点对点保密通信性能是当前的热门研究课题。本文以声学参量阵理论为基础，结合现代数字通信技术、非线性声学信号处理技术和声波束合成技术，围绕参量阵定向声通信展开研究，为其在声通信领域的应用提供理论参考和实践依据。
　　本文以参量阵声源作为通信载波的生成方式，采用常规的通信载波信号数字调制方法，提出了一种宽带参量阵定向数字声通信系统架构。与传统的声通信系统相比，该声通信系统可在小孔径物理声源条件下实现信息的定向传输和保密通信，大幅降低多途干扰影响。
　　基于“Berktay远场解”理论模型，本文推导和验证了参量阵差频波作为通信载波以及参量阵声源替代全向声源的可行性。围绕宽带参量阵技术中的DSB和SSB两种信号处理方法，探讨了基于MFSK、MPSK和OFDM数字调制方式的通信载波信号和同步信号的生成机理。理论推导和仿真分析结果皆表明，参量阵声源所生成差频波中的基波信号成分与传统声通信载波具有相同的信号形态，可作为定向通信系统的通信载波信号；差频波中的二阶倍频谐波信号成分也具备通信载波信号应有的特征，理论上可作为备选的通信载波信号。
　　基于“Westervelt方程”理论模型，本文对参量阵定向声通信载波的波束合成方法开展了探索性研究。通过研究物理声源阵列和原波参数对通信载波特性的影响，提出了一种基于数字相控阵技术的波束电控偏转方法，并完成了不同波束偏转角度下的仿真分析和实验测试。提出采用道尔?切比雪夫幅度加权的波束赋形方法实现对通信载波的波束形态控制。最后根据通信载波电控偏转方式提出了一种实现信息多点定向传输的多波束合成方法，并通过实验验证了方法的可行性。
　　根据理论研究和仿真分析，以FPGA信号处理平台为核心，压电陶瓷超声波换能器阵列作为物理声源，研制了以空气介质作为信道环境的参量阵定向声通信验证实验系统。实验分别采用DSB和SSB参量阵信号处理方法，8FSK和8PSK两种载波信号数字调制方法，成功实现了图片信息的定向传输，验证了本文提出的宽带参量阵声通信系统架构的合理设计。测试结果表明，采用参量阵定向声通信系统进行信号发射传输时，在相同信道环境中可明显改善信号传输的多途效应，降低信号的多途延时，提高信号传输持续期间的信号质量；载波信号生成过程中SSB法较DSB法更加抑制了谐波信号的生成，通信误码率降低，更有利于通信信息的低失真传输。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2声学参量阵研究现状及发展

1.3声通信技术研究现状及发展

1.4 论文研究目标、内容及意义

1.5 论文章节安排

第二章 参量阵定向声通信理论基础

2.1参量阵定向声通信系统架构设计

2.2 参量阵理论基础

2.3常用参量阵信号处理方法分析对比

2.4声通信载波信号数字调制方法

2.5 本章小结

第三章 参量阵定向声通信信号处理与生成

3.1参量阵定向声通信信道特点

3.2基于DSB法的参量阵通信信号生成机理

3.3基于SSB法的参量阵通信信号生成机理

3.4 本章小结

第四章 参量阵定向声通信系统波束合成研究

4.1 通信载波波束合成模型与设计参数分析

4.2 通信载波波束偏转控制

4.3 通信载波波束形态控制分析

4.4通信载波的多波束合成研究

4.5本章小结

第五章 参量阵定向声通信系统的设计

5.1参量阵定向声通信系统结构组成

5.2 参量阵发射机信号处理平台设计

5.3 发射机信号功率放大设计

5.4参量阵定向声通信系统核心信号处理方法的硬件实现

5.5 本章小结

第六章 参量阵定向声通信测试与分析

6.1实验测试总体方案设计

6.2 参量阵定向声通信系统多途延时测试

6.3 同步信号测试

6.4 基于8FSK调制的通信传输测试

6.5 基于8PSK调制的通信传输测试

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果