水声通信的多普勒频移估计

发布时间：2019-12-02 03:57

【摘要】：由于水声通信媒介（声波）速度远远小于陆空通信媒介（电磁波）速度，换而言之，水声通信的多普勒频移比陆空无线通信的多普勒频移要大几个数量级，水声多普勒频移量已经大到不可忽略了，因此水声多普勒频移的估计与补偿已经称为水声通信的一个重要研究方向。水声通信系统是一个复杂的通信过程，声波在水下传播时，会受到传播损耗、多径与延迟、环境噪声和多普勒的影响，而且在不同区域和不同海水深度下，声波速度也会不同，因此水声信道是一个复杂多变的信道。而且在海洋中，发送端和接收端之间一般都存在相对运动，从而造成了多普勒效应。在水声信道中，收发端的相对运动和较小的声波速度（相对于电磁波来说），，决定了在时间上的多普勒扩展量或多普勒压缩量不可忽略。为了保证水下通信的准确性，减少误码率，需要采取一定的措施或方案来消除多普勒的影响。一般的方法是，先对通信系统建模后求解多普勒因子，再在接收端重采样进行多普勒补偿。因此，多普勒因子估计是水声通信中非常重要的一部分。本文提出了一种水声通信系统中基于训练序列的多普勒频移估计方法。在接收端先由已知训练符号构造无噪声干扰下的理论接收信号；再根据理论接收信号与实际接收信号之间的均方误差最小，得到含有信道衰减因子和多普勒因子的双变量目标函数，根据此目标函数的曲面图以及对其的分析，发现信道衰减因子的不同取值基本不影响多普勒估计因子的寻优，从而可将双变量目标函数转化为单变量目标函数；然后利用全局优化理论中求解有限区间内多峰值函数最值的区间斜率算法，求解多普勒因子的最小二乘估计值，从而得到多普勒因子的估计值。本文的创新点主要有两个方面，一个是在求解过程中应用了数学方法中的多峰值函数求解全局最值的方法——区间斜率算法；另一个就是在双目标函数转化过程中，将双目标函数转化为嵌套关系的两个单目标函数。
【图文】：

示意图,目标函数,曲面,示意图

10,21 010{ , } arg min ( , )1( , ) ( )sin ((1 ) )1AMn MNkA J AJ A r n A s k c n kM M 0 1 ,M 的取值范围需满足0 11 M M N。目标函数包含多个未知参数，且容易看出此目标函数是非线性的。因优化问题是比较困难的。在本章下一节我们将简化目标函数，并引入解此优化问题。法假设训练序列为 BPSK 信号。这种情况下，A是实数。我们的求解过，即在实际系统中的是非常小的。图 3-2 是 J ( A, )的一个例子，这 0.6optA 。通过观察图 3-2 可以看到，在寻优过程中 A 的不同取值基。也就是说，我们可以将和的寻优过程分开进行。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.3

【参考文献】