基于Chirp扩频的OFDM水声通信技术研究
发布时间：2021-08-20 02:32
进入21世纪后,人们不断加大对海洋探索的力度。近年来,水下自主航行器（AUV）等移动平台的广泛发展和应用,给水声通信技术提出了新的需求和挑战。由于收发端之间的相对运动,一般来说,浅海水声信道可以建模成一种时延-多普勒双扩展信道模型,通信过程中的多径效应以及多普勒效应是制约通信质量的主要因素。为了满足对水声通信的速率和稳健性的要求,本文结合水声OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术和 Chirp扩频技术,研究适用于AUV等水下可移动平台的水声通信技术。本文首先介绍了浅海水声信道的基本特征,然后分别对静态多径水声信道以及时延多普勒双扩展的动态水声信道进行数学建模,为后续仿真分析奠定基础。然后,本文介绍了 CSS-OFDM（Chirp Spread Spectrum OFDM）系统的实现方式,并在接收端引入单阵元的虚拟时间反转镜（Virtual Time Reversal Mirror）技术。静态多径水声信道下的仿真以及水池中的定点通信实验均证明了 CSS-OFDM系统比常规OFDM在抵抗信道频率深衰落点上的优势以及VTRM技术可...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１环境噪声功率谱密度［２］??当得知了传播损失乂?（／，／）以及噪声功率谱密度＃（／）后，我们就可以计算出??
ＳＮＲ（／，ｆ）?＝?—＾—?（２－３）??其中，５（／）为发射信号的功率谱密度。图２．２给出了传输损耗和噪声功率谱??的分贝值，即１／以（／，／）＃（／））与频率以及通信距离的关系。由图可知，对于给定??的通信距离／，不同的发射频率获得的信噪比不同，而且存在一个最优频率／；（／），??使得按此频率发射的信号能获得最大的信噪比。??－７０ｎ￣￣￣￣￣??－８０????－９。＾——｜１?Ｌ?—???－１〇ｏ??＿??????一￣????君?；？０ｋｍ?、＇Ｖ＞Ｖｓ＞??Ｉ?－１２〇??１３。一ｘ?＼???－１４０??????：：ｂ?ｌ?ｉ＼；ｌｌ?Ｉ?Ｉ：??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?１８?２０??频率（ｋＨｚ）??图２．２水声信道信噪比与频率和距离的关系??由于传输损失以及噪声的制约，对于水声信道来说，实际可用于通信的带宽??是有限的。当通信距离为１００ｋｍ时，实际可用通信带宽只有约１ｋＨｚ。在中远距??离的水声通信中，可用的带宽也不到１０ｋＨｚ。一般来说，通信距离越短，可用通??信带宽越大，但实际应用过程中所使用的带宽还受到发射端设备和接收端设备的??频率响应曲线的限制。??２．１．２多径传播??多径效应是指在实际传输过程中发射的声波信号经过不同的路径到达接收??端，使得接收信号表现为不同
Ｔ表示海水温度，单位为°〇；?５１表示盐度，单位是ｐｐｔ（ＰａｒｔｓｐｅｒＴｈｏｕｓａｎｄ），??ｚ表示深度，单位为ｍ。声速随着温度，盐度，深度的增加而增加，浅海中声速??的典型值约为１５００ｍ／＾图２．３给出了一种典型的海洋声速剖面，随着深度的增??加，声速的变化可以分为３层：表面层，温跃层和深海等温层。??表面层通常是指深度在海水表面以下不超过１００米的部分，由于海面风的作??用，该层的温度恒定，盐度分布均匀，因此声速基本不变。温跃层指在水下几百??米的部分，在该层中随着深度增加，温度迅速下降，温度对声速的影响起主导作??用，因此在温跃层声速与深度呈现负相关。在深度进一步上升的深海区，该区域??由于接触不到阳光等热源，温度恒定在４°Ｃ左右。随着深度的增加，海水压力增??加，导致声速不断上升，因此在深海区声速与深度呈现正相关。??声速????＾??表面层（温度恒定）??？１００ｍ?－ｊ???／温跃层（温度迅速下降）??？６００ｍ?－Ｉ???＼深海区
【参考文献】：
期刊论文
[1]格雷码的来源以及格雷码的应用[J]. 梅媛,沈祖斌. 科技视界. 2016(27)
[2]基于分数阶Fourier变换的多载波Chirp中远程水声通信技术[J]. 郑伟宇,许芳,胡晓毅,解永军,王德清. 厦门大学学报(自然科学版). 2014(03)
[3]基于多径分集的啁啾扩频正交频分复用水声通信系统[J]. 王逸林,马世龙,梁国龙,范展. 物理学报. 2014(04)
[4]水声通信技术研究进展[J]. 程恩,袁飞,苏为,高春仙,曾文俊,孙海信,胡晓毅. 厦门大学学报(自然科学版). 2011(02)
[5]主动声纳检测技术的回顾与展望[J]. 刘贯领,凌国民,严琪. 声学技术. 2007(02)
[6]M元扩频OFDM水声通信新方法[J]. 何成兵,黄建国,阎振华,苏蒍. 西北工业大学学报. 2007(02)
[7]基于正交频分复用的高速水声通信技术[J]. 朱彤,桑恩方. 哈尔滨工程大学学报. 2005(01)
博士论文
[1]基于OFDM-MFSK的水声通信技术研究[D]. 王永恒.哈尔滨工程大学 2017
[2]多输入多输出被动时反水声通信技术研究[D]. 孙琳.哈尔滨工程大学 2016
[3]AUV水声通信系统研究[D]. 董继刚.哈尔滨工程大学 2015
硕士论文
[1]基于双曲调频信号的移动水声通信技术研究[D]. 俞俊涛.浙江大学 2017
[2]面向移动接入小规模水声传感器网的时分多址MAC协议研究[D]. 毛佳.浙江大学 2017
[3]OFDM通信系统中PAPR抑制技术研究[D]. 郝娟.西安电子科技大学 2017
[4]基于Chirp扩频的移动平台水声通信技术研究[D]. 王开兴.浙江大学 2015
[5]基于Chirp调制的被动时反水声通信算法研究与实现[D]. 邹博.哈尔滨工程大学 2015
[6]基于Chirp信号的扩频多载波水声通信研究[D]. 黄琬.哈尔滨工程大学 2013
[7]OFDM通信系统中的多普勒分集接收技术研究[D]. 陈雪艳.沈阳理工大学 2012
本文编号：3352632
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１环境噪声功率谱密度［２］??当得知了传播损失乂?（／，／）以及噪声功率谱密度＃（／）后，我们就可以计算出??
ＳＮＲ（／，ｆ）?＝?—＾—?（２－３）??其中，５（／）为发射信号的功率谱密度。图２．２给出了传输损耗和噪声功率谱??的分贝值，即１／以（／，／）＃（／））与频率以及通信距离的关系。由图可知，对于给定??的通信距离／，不同的发射频率获得的信噪比不同，而且存在一个最优频率／；（／），??使得按此频率发射的信号能获得最大的信噪比。??－７０ｎ￣￣￣￣￣??－８０????－９。＾——｜１?Ｌ?—???－１〇ｏ??＿??????一￣????君?；？０ｋｍ?、＇Ｖ＞Ｖｓ＞??Ｉ?－１２〇??１３。一ｘ?＼???－１４０??????：：ｂ?ｌ?ｉ＼；ｌｌ?Ｉ?Ｉ：??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?１８?２０??频率（ｋＨｚ）??图２．２水声信道信噪比与频率和距离的关系??由于传输损失以及噪声的制约，对于水声信道来说，实际可用于通信的带宽??是有限的。当通信距离为１００ｋｍ时，实际可用通信带宽只有约１ｋＨｚ。在中远距??离的水声通信中，可用的带宽也不到１０ｋＨｚ。一般来说，通信距离越短，可用通??信带宽越大，但实际应用过程中所使用的带宽还受到发射端设备和接收端设备的??频率响应曲线的限制。??２．１．２多径传播??多径效应是指在实际传输过程中发射的声波信号经过不同的路径到达接收??端，使得接收信号表现为不同
Ｔ表示海水温度，单位为°〇；?５１表示盐度，单位是ｐｐｔ（ＰａｒｔｓｐｅｒＴｈｏｕｓａｎｄ），??ｚ表示深度，单位为ｍ。声速随着温度，盐度，深度的增加而增加，浅海中声速??的典型值约为１５００ｍ／＾图２．３给出了一种典型的海洋声速剖面，随着深度的增??加，声速的变化可以分为３层：表面层，温跃层和深海等温层。??表面层通常是指深度在海水表面以下不超过１００米的部分，由于海面风的作??用，该层的温度恒定，盐度分布均匀，因此声速基本不变。温跃层指在水下几百??米的部分，在该层中随着深度增加，温度迅速下降，温度对声速的影响起主导作??用，因此在温跃层声速与深度呈现负相关。在深度进一步上升的深海区，该区域??由于接触不到阳光等热源，温度恒定在４°Ｃ左右。随着深度的增加，海水压力增??加，导致声速不断上升，因此在深海区声速与深度呈现正相关。??声速????＾??表面层（温度恒定）??？１００ｍ?－ｊ???／温跃层（温度迅速下降）??？６００ｍ?－Ｉ???＼深海区
【参考文献】：
期刊论文
[1]格雷码的来源以及格雷码的应用[J]. 梅媛,沈祖斌. 科技视界. 2016(27)
[2]基于分数阶Fourier变换的多载波Chirp中远程水声通信技术[J]. 郑伟宇,许芳,胡晓毅,解永军,王德清. 厦门大学学报(自然科学版). 2014(03)
[3]基于多径分集的啁啾扩频正交频分复用水声通信系统[J]. 王逸林,马世龙,梁国龙,范展. 物理学报. 2014(04)
[4]水声通信技术研究进展[J]. 程恩,袁飞,苏为,高春仙,曾文俊,孙海信,胡晓毅. 厦门大学学报(自然科学版). 2011(02)
[5]主动声纳检测技术的回顾与展望[J]. 刘贯领,凌国民,严琪. 声学技术. 2007(02)
[6]M元扩频OFDM水声通信新方法[J]. 何成兵,黄建国,阎振华,苏蒍. 西北工业大学学报. 2007(02)
[7]基于正交频分复用的高速水声通信技术[J]. 朱彤,桑恩方. 哈尔滨工程大学学报. 2005(01)
博士论文
[1]基于OFDM-MFSK的水声通信技术研究[D]. 王永恒.哈尔滨工程大学 2017
[2]多输入多输出被动时反水声通信技术研究[D]. 孙琳.哈尔滨工程大学 2016
[3]AUV水声通信系统研究[D]. 董继刚.哈尔滨工程大学 2015
硕士论文
[1]基于双曲调频信号的移动水声通信技术研究[D]. 俞俊涛.浙江大学 2017
[2]面向移动接入小规模水声传感器网的时分多址MAC协议研究[D]. 毛佳.浙江大学 2017
[3]OFDM通信系统中PAPR抑制技术研究[D]. 郝娟.西安电子科技大学 2017
[4]基于Chirp扩频的移动平台水声通信技术研究[D]. 王开兴.浙江大学 2015
[5]基于Chirp调制的被动时反水声通信算法研究与实现[D]. 邹博.哈尔滨工程大学 2015
[6]基于Chirp信号的扩频多载波水声通信研究[D]. 黄琬.哈尔滨工程大学 2013
[7]OFDM通信系统中的多普勒分集接收技术研究[D]. 陈雪艳.沈阳理工大学 2012
本文编号：3352632
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