水下传导电流场混沌通信技术的研究

发布时间：2020-07-16 01:16

【摘要】：水下传导电流场通信技术是以水为媒质利用电偶极子天线感应场变化来获取信息的一种通信方式,但是由于接收信号衰减程度与通信距离的三次方成反比,当通信距离较远时,一般数字接收机很难在信噪比较低的情况下接收到信号。DUFFING混沌振子这类振子具有对特定频率信号的极高的敏感性和很强的带外信号滤除能力,能够在很低的信噪比下探知到信号,并且由于水媒质的电导率较大,高频干扰信号都被衰减掉了,背景噪声要比空间干净许多,非常有利于对频率敏感的混沌通信。因此本文利用DUFFING混沌振子这类振子的特性,来提高水下传导电流场的通信距离,提高系统的抗干扰性能并降低系统的误码率。本课题主要完成了以下内容:(1)分析了水下传导电流场通信的数学模型和通信原理。针对在通信距离较远时,数字接收机很难在信噪比较低的情况下接收到信号的问题,提出结合混沌通信的手段,通过分析多种混沌通信模型,引出一类比较特殊DUFFING混沌振子模型去解决相应的问题。针对现有的DUFFING混沌振子模型进行MATLAB仿真分析,并在此基础上提出一种改进的DUFFING混沌振子数学模型,对其进行MATLAB仿真分析以及利用MULTISIM进行模拟实现,通过相图充分证明了其确实具备混沌特性。具体分析了改进DUFFING混沌振子模型的动力学行为,在理论上以及通过MATLAB对改进DUFFING混沌振子模型的抗噪声性能进行了分析与仿真。(2)针对利用以FSK为调制方式的水下传导电流场通信系统,采用改进DUFFING混沌振子模型作为解调手段,提出两频率同相位滤波计数方法,即用本地两路不同频率的改进DUFFING混沌振子同时处理,低通滤波,取模抽样软判决,利用统计值消除干扰,将两路进行码判决的方法获取准同步信号,最终实现通信。此种方法实现简单,易于芯片化实现,通过误码率曲线分析此通信系统的性能,仿真表明在信噪比(S/N)为-16dB情况下可以实现误码率为3*10~(-4)的信息速率为39.2bps的2FSK通信,可以证明其能有效的提高水下传导电流场通信的距离和可靠性。设计对应的硬件实现系统,针对硬件实现系统中载波信号频率和本地振子频率存在误差的问题,提出了基于两频率四相位的滤波计数方法。使用硬件描述语言Verilog完成对应调制解调程序的编写,进行物理实现。(3)针对利用以PSK为调制方式的水下传导电流场通信系统,采用和以FSK混沌解调方式相似的做法,即使用单频率两相位滤波计数的方法,通过误码率曲线分析仿真表明,在信噪比(S/N)为-16dB情况下可以实现误码率为6*10~(-5)的信息速率为39.2bps的2PSK通信。在有频差的情况下,提出了两种方式,其中一种为基于跳变点的八相位滤波计数方法,即八相位同时解调,将解调数据或运算,利用处理后的数据数值跳变判断信号的方法获取原始信息,最终实现通信。另一种与前一种类似,只不过仅需四相位同时解调,通过判断不到一半时间长度的周期态来判断跳变点。用MATLAB进行仿真分析并利用FPGA进行物理实现,实现水下传导电流场语音信号和数字信号的传输。本文设计的以FSK为调制方式和以PSK为调制方式的水下传导电流场混沌通信系统,可以在较低信噪比的条件下通信,提高了水下传导电流场通信的距离和可靠性,同时还保留了水下传导电流场通信适应环境能力强,灵活性高等特点。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O415.5;TN91
【图文】：

模型图,传导电流,无线通信,模型

图 2.1 水下传导电流场无线通信模型信号经调制以及功率放大后由作为天线的电偶质中传播，到达接收端后，由接收端的电偶极子，帧同步模块得到所发送的信号，完成通信。

示意图,电偶极子,电场强度,示意图

图 2.2 电偶极子电场强度示意图端放置两电偶极子，两电偶极子的中心定位于示极子尺寸相对于两者间距足够小，发射端两电偶极媒质是一个无限大的均匀导电介质，可以在观测角

相图,混沌振子,混沌状态,周期态

图 2.5 DUFFING 混沌振子处于混沌状态图 2.6 DUFFING 混沌振子处于大尺度周期状态当 ω =1rads， k =0.5，γ =0.9时，DUFFING 混沌振子处于大尺度周期态，其相图和两路时域图如图 2.6 所示。判断 DUFFING 混沌振子处于混沌态还是周期态是判断发送的基带数据是 1 还是 0

【参考文献】