基于双曲调频信号的移动水声通信技术研究

发布时间：2019-08-09 14:03

【摘要】：随着人类海洋活动的日益频繁,以及诸如自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等移动平台技术的迅猛发展,人们对于水下无线通信的要求也不断提高。水声信道作为公认最复杂的无线信道之一,在移动场景下存在不可忽略的多普勒效应以及时变的多径干扰的特点。现阶段水声通信研究的热点聚焦在信道均衡、多载波调制、空间调制等方向,但基于双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulation,HFM)信号的非相干水声通信方法凭借其实现简单、通信稳定可靠、通信功耗低等优点,适合应用于AUV移动通信场景。本文主要研究基于HFM信号的移动水声通信关键技术,包括多普勒估计方法和调制解调技术。本文首先介绍了水声信道的基本特性,尤其关注移动场景带来的信道条件恶化情况,并利用Bellhop射线模型对实验水声信道进行建模,用以后续的水声通信系统仿真。然后研究基于正反扫频HFM信号的多普勒估计和帧同步方法。推导HFM信号的模糊函数主脊表达式,并以此为依据给出正反HFM方法估计多普勒因子的表达式,最后提出一种新的多普勒估计方法,称为“正反HFM联合M序列方法”。通过与两种目前常用的多普勒估计方法进行仿真对比,本文提出的方法具有计算开销小并且支持实时在线处理的优势。接下来研究基于HFM信号的适用于移动水声通信的调制解调技术。结合Chirp 调制(Chirp Modulation,CM)、跳频(Frequency Hopping,FH)技术和 Pattern时延差编码(Pattern Time Delay Shift Coding,PDS)技术,提出一种可以有效对抗多普勒扩展效应、噪声干扰和强多径干扰的通信制式,称为PDS-FH-CM方法,并通过仿真对比验证其稳定性和可靠性。最后介绍移动水声通信实验的过程和结果。基于AUV平台开展了多普勒估计实验,通过对比搭载在AUV上的测速传感器数据与正反HFM方法估计出来的相对运动速度,验证了正反扫频HFM方法估计多普勒的有效性;还开展了基于移动小船的湖上和海上通信实验,通过统计实验的误比特率结果,验证本文提出的调制方式的有效性,并将实验结果与仿真结果进行了对比印证。
【图文】：

AUV在海面上航行

ａ（ｆ）邋＝邋０Ａｌｆ邋＋逦４４邋ｆ邋－邋＋２．７５邋ｘｌＯ＾／２＋邋０．００３逦（２．２）逡逑ｌ＋ｆ２邋４１００＋／２逡逑其中／为声波频率，单位为ＫＨｚ。图２．２表示吸收系数（１０１ｇａ（／），单位为逡逑ｄＢ／ｋｍ）与声波频率的关系，可以看到吸收系数随声波频率的增大而增大，，因此为逡逑了保证远距离传输，采用的声波信号频率不宜过大。逡逑８逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.3

【参考文献】

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本文编号：2524828