水下时变信道中的信号处理技术研究

发布时间：2020-10-23 03:22

　　 随着人们对海洋的开发和探索,水声通信技术在过去的十几年中得到了快速发展。然而水声信道作为水下声波传播的物理媒介,被认为是自然界中最具挑战的无线信道之一。水声信道的复杂性是由海洋环境的物理性质决定的,主要受到三个因素制约:声波在水中的传播速度较慢(1500m/s);路径损耗会随着信号频率的增加而增加,导致可用带宽严重受限;以及时变的多径时延和多普勒扩展,这些因素导致水声信号处理面临许多技术难点。首先水声信道的容量可能是十分有限的,这取决于通信的距离,然而传输信号较低的中心频率同样是不可忽略的,因此水声通信系统本质上是宽带的,传统适用于窄带的信号处理方法并不能直接用于水声通信。其次基于单载波的水声通信系统通常采用判决反馈均衡器来抵抗由于时延扩展导致的符号间干扰,但是均衡器设计的复杂度会随着通信速率的提高而提高。多载波调制技术中的正交频分复用(OFDM)技术,作为一种低复杂度的高速通信技术,具有很强的抗多径和噪声的能力,但是OFDM技术的缺点是对频偏十分敏感,由于时变水声信道使信号在传输中产生多普勒扩展,导致各子载波间经历了不同的频率偏移,破坏了子载波之间的正交性,产生了子载波间干扰。因此精准的多普勒补偿技术和信道估计技术对于实现高速、稳健的水声通信系统至关重要,本文研究的水声信道时变抑制技术也主要关注这两个方面,下面是本文研究的主要内容。论文研究了水声通信中的多普勒抑制技术,由于声波较慢的传播速度,水声通信系统中的多普勒扩展现象比无线电系统更为严重,而且多径信道不同路径还会受到不同的多普勒影响,传统的多普勒补偿技术通常无法区分多径信号不同的多普勒扩展,导致多普勒扩展不能有效的补偿。为了解决这个问题,本文提出了一种基于正交角域子空间投影算法的接收机设计。首先根据水声信道的特性对信道建模,推导出信道的输入输出关系,随后利用阵列接收机具有的角域分辨力,通过正交投影变换将接收到的多径信号划分为几个子空间信号,利用不同子空间中的角域信息分别对子空间信号进行多普勒估计和补偿。仿真结果验证了相比于传统方法本文方法可以更为有效的估计和补偿不同传播路径的不同的多普勒扩展,使系统性能得到了有效的提高。水声OFDM系统的性能同样还依赖于信道估计的性能,由于水声信道的稀疏性,将压缩感知用于信道估计,可以在导频数量较少时也能得到准确的估计结果。本文分析了几种基于压缩感知理论的常用算法,并利用时延-多普勒参数的稀疏性推导了信道估计的系统模型,然后针对水声信道的簇稀疏特性,提出一种基于块正交匹配追踪(BOMP)的低复杂度信道估计算法。本文针对传统恢复算法计算复杂度高的问题,首先注意到内积运算中大量重复计算的部分,利用分组FFT运算的思想,降低了内积运算的复杂度。其次通过在算法每次迭代中选取多个匹配块,使算法收敛速度更快,减少算法的迭代次数。最后仿真结果表明,在匹配块选取个数小于3时,算法性能没有损失,然而算法复杂度相比原算法有较大的降低。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.3
【部分图文】：

信道特性可以用作无线通信的介质主要有电磁波、光波、声波等。由于电磁波在导电的海快，即使是用低频长波无线电，传播距离也超不过 10 米。而光通信也不适用于大境，海水中的随机物质悬浮物等对光波也有大量衰减。因而声波被认为是最适合水下通信的传播媒介。然而选用声波也会面临一些挑战，其中最重要的是声波的慢，带宽严重受限，使得传输和接收之间的延迟较大并且通信速率不高。其次是复杂性，尤其是浅海环境对声传播带来较大影响。浅海环境由于对声波传播的吸成的传播损失较大；在多方向传播中边界对声波的多次反射造成的多径效应极为的不均匀性以及起伏的海面使得水声信道时变性较强[33]。图 2.1 给出了浅海水声

可通过如下经验公式求得声速c：2 3c 1449.2 4.6T 0.055T 0 x 00029T (1.34 0.01T )( S 35) 0.016zT 为海水的温度（单位℃），z 为海洋深度（单位 m），S 为盐度（单位 ppt）。在海声速大约有 1520m/s，而且声速会随着温度、盐度和深度的增加而增加，水温上升大约会增长 4m/s，盐度增加一个单位，声速大约会增长 1.4m/s，深度每增加 1km长 16m/s[34]。一种典型的声速与海洋深度的关系图如图 2.3 所示。图 2.2 环境参数与海水深度关系图

图 2.4 水声信道时延多普勒扩展示意图海洋传播介质本身的变化外，还有就相关，引起时间选择性衰落。如图符号长度为T ，接收的信号的符号长运动，声波在水中的传播速度为c， / c )T 。收发平台的相对运动会引起水频率较低的和带宽受限的水声信号，是简单的多普勒频移，是不同频率的多普勒比例因子定义多普勒扩展vac 于多普勒因子，相对于无线通信系统的无线通信系统为例，高速列车以 3水声通信系统，其收发平台相对运
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本文编号：2852491