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水声OFDM通信系统抗相干干扰技术研究

摘要

正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)作为一种应用广

泛的多载波高速通信技术，在水声通信领域的受到了日益增多的关注。然而水声通信的

信道容易受到来自诸如人类活动、水下动物、其他声纳工作、自干扰等多种干扰，特别

是场景在浅海、海湾等环境。这种干扰有些是来自特定的方向，因此称之为指向性干扰。

此外，在浅海有可能会出现信道时延扩展大于循环前缀(CyclicPrefix，CP)的情况，在深

海有可能会面时延扩展极长的簇状信道，这会带来严重的块间干扰。如何解决上述的干

扰，是水声OFDM通信面临的棘手问题。本文的研究内容如下

(1)本文首先结合压差式矢量水听器讨论了信号模型，基于单个矢量水听器研究了

MUSIC、MVDR、声能流法(平均声强器、复声强器、加权直方图复声强器)等方位估计

方法，之后提出了针对通信帧结构中LFM同步信号的分数阶傅里叶变换(FRFT)声能流

法方位估计，通过仿真说明了FRFT声能流方位估计的有效性。

(2)本文推导了矢量OFDM系统信号模型，并讨论了声压和振速通道的选择式合并、

等增益合并、最大比合并等合并处理方法，通过仿真说明了最大比合并的性能，并将其

与声压振速合成矢量相对比。本文还利用矢量水听器的指向性提出了基于信号和干扰方

位估计的干扰屏蔽方法，在仿真中和自适应干扰抵消方法进行对比，处理海试数据对比

说明了干扰屏蔽方法的有效性。

(3)论文还研究了块间干扰消除的两种方法。块间干扰消除严格来说属于信道均衡

的范畴。在水声OFDM通信系统面临信道时延扩展大于CP时，传统的基于导频的信道

估计和频域均衡性能下降。本文研究了虚拟时间反转镜(VTRM)、HybridMMSE信道缩

短技术，HybridMMSE可以在信道时延扩展大于CP，信道估计受限的条件下获得比

VTRM更好的信道缩短性能。本文还研究了多块联合IBI消除技术，通过仿真说明，在

深海簇状信道下VTRM信道缩短作用不明显时，多块联合IBI消除可以有效解调。

关键词：水声通信；正交频分复用；矢量信号处理；干扰屏蔽；块间干扰消除

水声OFDM通信系统抗相干干扰技术研究

ABSTRACT

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM),asawidelyusedhigh-speedmulti-

carriercommunicationtechnology,hasattractedmoreandmoreattentioninthefieldof

underwateracousticcommunication.However,thechannelofunderwateracoustic

communicationissusceptibletomanykindsofinterference,suchashumanactivities,

underwateranimals,othersonarwork,self-interferenceandsoon,especiallyinshallowsea,

bayandotherenvironments.Someofthisinterferencecomesfromaspecificdirection,soitis

calleddirectionalinterference.Inaddition,thechanneldelayspreadmaybelargerthanthe

CyclicPrefix(CP)inshallowsea,andtheclusterchannelwithextremelylongdelayspread

maybeencounteredindeepsea.Howtosolvetheabov