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水声通信中的单载波频域均衡技术研究

摘要

水声通信和组网技术在水下航行器、载人潜水作业和海洋环境检测等方面有着广泛

的应用，如何实现高速稳健的水下通信系统是目前的研究热点。单载波通信是适合水声

通信的重要技术之一，本文为满足水下设备节点间高速通信的需求，设计出一套适合的

水声单载波频域均衡通信系统。

论文首先针对浅海水声通信的背景，对典型水声信道模型进行建模和仿真，并在该

信道模型下对单载波频域均衡进行性能仿真，为实际环境下的通信性能提供了参考。针

对时域均衡具有较高的处理复杂度，提出用频域均衡来解决这一问题，对水声单载波频

域均衡系统的发射和接收结构进行了设计，为水下设备通信提供了一种新的解决方案。

为了使通信系统具有较高总体性能，论文针对频域均衡接收机五个关键步骤，进行

了详细研究和设计。一是针对频域均衡中的均衡算法问题，研究了迫零准则与最小均方

准则下的线性均衡和时频混合域的非线性频域均衡，分析了不同场景下使用不同频域均

衡算法的条件。二是针对传统递归最小二乘信道估计算法受滤波器参数影响较大和零值

抽头非零的问题，研究了正交匹配追踪的稀疏信道估计算法，进一步提升了频域均衡的

系统性能。三是针对频域均衡系统中的同步部分，研究了频域均衡中定时偏差问题，在

存在定时误差的前提下减少性能损失。四是针对均衡器所需的信噪比参数估计问题，研

究了信噪比估计对均衡性能的影响，得到了均衡器系数对信噪比估计不敏感的特性。五

是针对频域均衡系统中多普勒估计问题，通过仿真计算了频域均衡的最大多普勒容限；

针对频域均衡的多普勒敏感问题，研究了一种改进的基于自相关多普勒估计算法，补偿

由多普勒带来的性能损失。

论文最后针对阵接收的水声通信系统，设计了一种单载波频域均衡的多阵元接收结

构。相比单通道频域均衡，采用多通道频域均衡降低了独立信道衰落造成的影响，有效

提升了通信系统性能。通过外场试验数据处理验证了本文所述的水声单载波频域均衡通

信系统在实际机动和高通信速率环境下的可行性和有效性。

关键词：水声通信；单载波频域均衡；信道估计；多普勒估计；多通道均衡

水声通信中的单载波频域均衡技术研究

ABSTRACT

Underwateracousticcommunicationsandnetworkingtechnologiesarewidelyusedin

underwatervehicles,manneddivingoperations,andmarineenvironmentdetection.Howto

realizeahigh-speedandrobustunderwatercommunicationsystemisacurrentresearchhotspot

incurrently.Singlecarriercommunicationisoneoftheimportanttechnologiessuitablefor

underwateracousticcommunication.Inordertomeettheneedsofhigh-speedcommunication

betweenunderwaterequipmentnodes,asuitableunderwateracousticsinglecarrierfrequency

domain(SC-FDE)balancedcommunicationsystemisdesignedinthisdissertation.

Firstly,basedonthebackgroundofshallowseaacousticcommunication,thedissertation

modelsandsimulatesatypicalunderwateracousticchannelmodel,andperformsaperformance

simulationofSC-FDEunderthechannel