基于混沌序列的高稳健高隐蔽水声通信技术
发布时间：2021-09-05 19:48
作为实现水下信息无线传输的有效手段,水声通信技术在民用与军用上都具有广阔的应用前景。但水声信道是迄今可知最复杂无线信道之一,其空-时变特性严重影响了水声通信稳健性。在安全通信场合,保证稳健性同时提出隐蔽性需求。然而现有的隐蔽水声通信技术多数是对无线电通信的简单借鉴,而没有充分考虑水声信道环境、传输介质和收发传感单元的特殊性,难以做到真正有效的稳健隐蔽水声通信。因此本论文通过研究海洋水声信道传播特点,针对现有通信技术在海洋水声信道上隐蔽性及稳健性不足,提出了一种基于混沌序列的正交宽带调制解调技术,该技术采用相互正交且具有尖锐自相关的宽带信号作为信息载体,其中选用统计特性接近环境噪声的混沌序列作为所需的宽带信号来提高通信隐蔽性,并采用欧氏距离分类器对接收信号进行非相干分类判决解调,可有效抑制水声信道因多途传播而引起的频率选择性衰落和环境噪声,从而更好地实现在低信噪比条件下可靠稳健的隐蔽水声通信。本文首先介绍了海洋水声信道的物理特性和现有一些有代表性的水声通信技术,然后提出了一种基于混沌序列的正交宽带调制方法,并详细阐述了该方法的调制解调原理,重点研究了基于混沌序列的正交宽带调制解调方法的抗...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海洋环境噪声因素简图
杭州电子科技大学硕士学位论文9高斯噪声对通信稳健性的影响，因此在对通信方法进行设计及研究时必须考虑这一点。此外，海洋水声信道背景噪声会影响接收端的接收信噪比，降低通信性能。但为保证正确解调，必须满足足够高的信噪比，因此对接收端的去噪算法和发射端的发射功率提出更高的要求。2.1.3多径效应多径效应是水声信道的一个重要特性，也是干扰水声通信性能主要原因之一。海洋中的多径形成是由两种效应控制的：表面的声音反射或者声音在海洋中任何物体上的反射，以及声音在水中的折射，后者是声速空间变异性的结果。一束声音总是朝着低速区域进行弯曲，其规律服从斯奈尔定律。在海洋中，水的温度会随着深度的增加而降低，而水的压力的增加却不足够抵消水温对声速的影响，当在声源处发射一束信号，每束声线将各自沿着一条与其他声线略有不同的路径进行传播，因此离声源有一定距离的接收器将接收到多个声线信号，其中声射线传播简化模型如图2.2所示。声道的冲激响应会受到声道的几何形状以及其反射和折射特性的影响，这些特性决定了有效传播路径的数目，也进而决定了声道中各个传播路径的相对强度和延迟，但严格地说，在声道中会存在有无限多的声线信号，然而那些经历多次反射而失去了大量能量的声线信号并不能到达接收器或者其信号强度极其微小，所以可以被忽略不计，最后只会剩下数量有限的一些重要的传播路径。图2.2声射线多径传播简化模型多径效应会对声信号造成严重的小尺度衰落，即会造成频率选择性衰落，这是因为有时延路径信号的存在，不同频率的发射信号，在经历多径时延后的合成信号会出现某些频率被增强而某些频率被削弱的现象，并且把受影响基本一致的
杭州电子科技大学硕士学位论文11重要因素。水下设备常会受到波浪、水流和潮汐的影响，使得声信号产生不可忽略的多普勒频移，因此必须对声信号产生的多普勒频偏进行估计，并进行相应补偿修正。多普勒效应在时域上表现为数据帧的时间压缩或扩展，因此可以通过对收发两端的数据帧长度之差来对多普勒频移进行估计，此方法称之为基于数据分组长度估计的多普勒估计[46]，假设发射端发射频率为fs的信号，且接收端相对于发射端以速度为v运动，取接收端到发射端为正方向，则多普勒频移fd为：ssdffcvf**(2.6)其中，c表示为声信号的传播速度，Δ表示为多普勒因子，c和v的单位为m/s，fd和fs的单位为Hz。在接收端可以通过基于数据分组长度估计的多普勒估计方法对多普勒频移fd进行估计。假设发射端发射的信号的数据分组设定长度为Ls，在接收端接收到的信号的数据组为Lr，其中可以利用同步头对数据分组长度进行估计得到。则多普勒频移估计为：ssdffLLLf**^121^(2.7)由公式（2.7）可知，为了估计出多普勒频移，需要先估计出接收信号的数据帧长度，而估计接收信号的数据帧长度方法之一是采用在数据帧两端插入已知同步头信号，然后使用匹配滤波器对接收信号进行相关函数计算，匹配滤波器输出信号的两个相关峰之间的间隔就可以得到数据帧长度。此方法的示意图如图2.3所示。其中在工程上常采用线性调频（LFM，LinearFrequencyModulation）信号作为同步头信号。图2.3利用匹配滤波器估计数据帧长度
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新的脉冲联合调制水声通信方法[J]. 张路蔚,刘凇佐,王嘉玮,陶剑锋. 声学技术. 2019(02)
[2]水声通信技术进展[J]. 朱敏,武岩波. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]基于混沌正交组合序列的M元码分多址水声通信[J]. 吕曜辉,杜鹏宇,张宏滔,朱小辉. 声学技术. 2018(01)
[4]一种基于Logistic映射的水声混沌信号测距方法[J]. 郭亚静,王黎明,王琳,范浩. 科学技术与工程. 2017(05)
[5]猝发混合扩频水声隐蔽通信技术[J]. 周锋,尹艳玲,乔钢. 声学学报. 2017(01)
[6]直接序列扩频水声通信技术研究[J]. 孙卫华,王子勇,郭小宇,黄波. 舰船科学技术. 2016(07)
[7]水声通信技术综述[J]. 贾宁,黄建纯. 物理. 2014(10)
[8]正交M元码元移位键控扩频水声通信[J]. 于洋,周锋,乔钢,聂东虎. 声学学报. 2014(01)
[9]M元仿海豚叫声隐蔽水声通信[J]. 刘凇佐,刘冰洁,尹艳玲,乔钢. 哈尔滨工程大学学报. 2014(01)
[10]基于DSP的直接序列扩频水声通信技术研究[J]. 王洪民,王晓阳,郭小宇,张琼. 舰船电子工程. 2013(08)
硕士论文
[1]水声扩频通信关键技术研究[D]. 郑文婷.哈尔滨工程大学 2018
[2]混沌水声扩频通信的关键技术研究[D]. 宗振.浙江海洋大学 2017
[3]仿鲸目动物哨声水声通信技术研究[D]. 马天龙.哈尔滨工程大学 2017
[4]水声通信信号处理系统研制[D]. 赵松根.杭州电子科技大学 2017
[5]短波猝发信号检测与调制识别技术[D]. 王萌.哈尔滨工程大学 2017
[6]多载波扩频水声通信技术研究[D]. 毕航.哈尔滨工程大学 2016
[7]基于Hadamard变换的二阶差分水声扩频通信技术研究[D]. 杨光.哈尔滨工程大学 2016
[8]仿海豚叫声水声通信技术研究[D]. 刘冰洁.哈尔滨工程大学 2015
[9]混沌序列扩频水声通信技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工程大学 2015
[10]基于FH/MFSK的水声通信研究[D]. 倪笑园.浙江大学 2014
本文编号：3385976
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海洋环境噪声因素简图
杭州电子科技大学硕士学位论文9高斯噪声对通信稳健性的影响，因此在对通信方法进行设计及研究时必须考虑这一点。此外，海洋水声信道背景噪声会影响接收端的接收信噪比，降低通信性能。但为保证正确解调，必须满足足够高的信噪比，因此对接收端的去噪算法和发射端的发射功率提出更高的要求。2.1.3多径效应多径效应是水声信道的一个重要特性，也是干扰水声通信性能主要原因之一。海洋中的多径形成是由两种效应控制的：表面的声音反射或者声音在海洋中任何物体上的反射，以及声音在水中的折射，后者是声速空间变异性的结果。一束声音总是朝着低速区域进行弯曲，其规律服从斯奈尔定律。在海洋中，水的温度会随着深度的增加而降低，而水的压力的增加却不足够抵消水温对声速的影响，当在声源处发射一束信号，每束声线将各自沿着一条与其他声线略有不同的路径进行传播，因此离声源有一定距离的接收器将接收到多个声线信号，其中声射线传播简化模型如图2.2所示。声道的冲激响应会受到声道的几何形状以及其反射和折射特性的影响，这些特性决定了有效传播路径的数目，也进而决定了声道中各个传播路径的相对强度和延迟，但严格地说，在声道中会存在有无限多的声线信号，然而那些经历多次反射而失去了大量能量的声线信号并不能到达接收器或者其信号强度极其微小，所以可以被忽略不计，最后只会剩下数量有限的一些重要的传播路径。图2.2声射线多径传播简化模型多径效应会对声信号造成严重的小尺度衰落，即会造成频率选择性衰落，这是因为有时延路径信号的存在，不同频率的发射信号，在经历多径时延后的合成信号会出现某些频率被增强而某些频率被削弱的现象，并且把受影响基本一致的
杭州电子科技大学硕士学位论文11重要因素。水下设备常会受到波浪、水流和潮汐的影响，使得声信号产生不可忽略的多普勒频移，因此必须对声信号产生的多普勒频偏进行估计，并进行相应补偿修正。多普勒效应在时域上表现为数据帧的时间压缩或扩展，因此可以通过对收发两端的数据帧长度之差来对多普勒频移进行估计，此方法称之为基于数据分组长度估计的多普勒估计[46]，假设发射端发射频率为fs的信号，且接收端相对于发射端以速度为v运动，取接收端到发射端为正方向，则多普勒频移fd为：ssdffcvf**(2.6)其中，c表示为声信号的传播速度，Δ表示为多普勒因子，c和v的单位为m/s，fd和fs的单位为Hz。在接收端可以通过基于数据分组长度估计的多普勒估计方法对多普勒频移fd进行估计。假设发射端发射的信号的数据分组设定长度为Ls，在接收端接收到的信号的数据组为Lr，其中可以利用同步头对数据分组长度进行估计得到。则多普勒频移估计为：ssdffLLLf**^121^(2.7)由公式（2.7）可知，为了估计出多普勒频移，需要先估计出接收信号的数据帧长度，而估计接收信号的数据帧长度方法之一是采用在数据帧两端插入已知同步头信号，然后使用匹配滤波器对接收信号进行相关函数计算，匹配滤波器输出信号的两个相关峰之间的间隔就可以得到数据帧长度。此方法的示意图如图2.3所示。其中在工程上常采用线性调频（LFM，LinearFrequencyModulation）信号作为同步头信号。图2.3利用匹配滤波器估计数据帧长度
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新的脉冲联合调制水声通信方法[J]. 张路蔚,刘凇佐,王嘉玮,陶剑锋. 声学技术. 2019(02)
[2]水声通信技术进展[J]. 朱敏,武岩波. 中国科学院院刊. 2019(03)
[3]基于混沌正交组合序列的M元码分多址水声通信[J]. 吕曜辉,杜鹏宇,张宏滔,朱小辉. 声学技术. 2018(01)
[4]一种基于Logistic映射的水声混沌信号测距方法[J]. 郭亚静,王黎明,王琳,范浩. 科学技术与工程. 2017(05)
[5]猝发混合扩频水声隐蔽通信技术[J]. 周锋,尹艳玲,乔钢. 声学学报. 2017(01)
[6]直接序列扩频水声通信技术研究[J]. 孙卫华,王子勇,郭小宇,黄波. 舰船科学技术. 2016(07)
[7]水声通信技术综述[J]. 贾宁,黄建纯. 物理. 2014(10)
[8]正交M元码元移位键控扩频水声通信[J]. 于洋,周锋,乔钢,聂东虎. 声学学报. 2014(01)
[9]M元仿海豚叫声隐蔽水声通信[J]. 刘凇佐,刘冰洁,尹艳玲,乔钢. 哈尔滨工程大学学报. 2014(01)
[10]基于DSP的直接序列扩频水声通信技术研究[J]. 王洪民,王晓阳,郭小宇,张琼. 舰船电子工程. 2013(08)
硕士论文
[1]水声扩频通信关键技术研究[D]. 郑文婷.哈尔滨工程大学 2018
[2]混沌水声扩频通信的关键技术研究[D]. 宗振.浙江海洋大学 2017
[3]仿鲸目动物哨声水声通信技术研究[D]. 马天龙.哈尔滨工程大学 2017
[4]水声通信信号处理系统研制[D]. 赵松根.杭州电子科技大学 2017
[5]短波猝发信号检测与调制识别技术[D]. 王萌.哈尔滨工程大学 2017
[6]多载波扩频水声通信技术研究[D]. 毕航.哈尔滨工程大学 2016
[7]基于Hadamard变换的二阶差分水声扩频通信技术研究[D]. 杨光.哈尔滨工程大学 2016
[8]仿海豚叫声水声通信技术研究[D]. 刘冰洁.哈尔滨工程大学 2015
[9]混沌序列扩频水声通信技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工程大学 2015
[10]基于FH/MFSK的水声通信研究[D]. 倪笑园.浙江大学 2014
本文编号：3385976
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