水声扩频通信速率提升技术研究.pdf
水声扩频通信速率提升技术研究
摘要
水声通信作为水下信息节点间实现信息交互的重要手段,保证通信链路的可靠性
是水下指令传输、指挥控制等场景的首要前提。然而水声信道的窄带宽、高噪声、大
多普勒以及复杂多径等特性,都严重影响着通信质量。水声扩频通信作为一种稳健的
通信体制,以牺牲通信速率为代价换取了良好的抗干扰和抗衰落性能。但在水下信息
节点有限的功率资源下,传统扩频通信较低通信速率的问题需进一步改善。因此本文
的主要研究目标是:采用扩频通信体制,在低信噪比环境下,确保稳健通信的同时提
升系统的通信速率,
在通信的高效性和可靠性上寻求一种平衡。
针对传统FH-2FSK通信速率低,频带利用率不高的问题。首先对跳频图案设计准
则进行分析,以保证系统的抗多途能力;并引入高阶MFSK调制,然后对解调器的检
测判决准则进行改进,在比特交织编码(BICM)的基础上研究了一种基于最大后验概
率准则的软输出(SOMAP)解调器,将其与软输入软输出(SISO)译码技术级联,增
加译码器输入的先验信息;接着采用迭代思想,在解调器与译码器之间形成外部信息
交换,形成一种基于MAP准则的FH-MFSK非相干迭代接收机;最后引入时间分集技
术,利用多径信号的能量以提供额外的处理增益。
针对传统直扩通信(DSSS)体制,首先针对系统多普勒敏感度较高的问题,研究
了一种改进的自相关多普勒估计算法,通过仿真验证了该算法能够对系统中存在的多
普勒频移进行有效估计和补偿;然后对于多途扩展超过符号间隔的信道下传统直扩系
统通信速率低的问题,引入时域自适应均衡技术,分析了不同自适应算法的特点;并
在不同短扩频码长下分别对内嵌锁相环的符号判决反馈均衡器(SDF)和码片假设反
馈均衡器(CHF)展开研究,从抗多途能力、抗多普勒能力方面对比二者的性能。
最终对于跳频通信,通过仿真分析,基于MAP准则的FH-16FSK非相干迭代接收
机,在输出信噪比7.1dB场景下相比传统FH-2FSK系统,通信速率从50bps提高到了
-3
200bps,实现了误码率为10的稳健通信,并在南海海域试验中实现了8.9km距离下
200bps的通信,证明本文所提接收机有效增大了通信系统的吞吐量,提高了系统的通
信速率。
对于直扩通信,在时不变多径信道下,通过仿真分析,基于SDF均衡器的接收机
-3
在长度为7的扩频码下以误码率为10为标准,达到了1.4kbps的通信速率,而此时相
同扩频码长下的传统DSSS接收机无法正确解码;在时变信道下,基于CHF均衡器的
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
接收机因其更强的信道跟踪能力,在湖北水布垭水库的试验中实现了161bps下的无误
码通信,在
714bps下的可通率高于95%,此时传统DSSS接收机已解码失效。以上两
种基于不同均衡器结构的接收机在不同信道条件下,均有效提升了直扩系统的通信速
率。
关键词:水声扩频通信;FH-MFSK
;非相干迭代接收机;直扩通信;自适应时域
均衡
水声扩频通信速率提升技术研究
Abstract
As
an
essential
means
for
information
exchange
between
underwater
information
nodes
underwater
acoustic
communication
is
a
prerequisite
for
ensuring
the
reliability
of
communication
links
in
scenarios
that
require
command
transmission