基于HFM信号的水声扩频通信研究

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近年来,环境破坏严重、资源短缺的问题使得人们开始将目光投向海洋。随着各国在海底能源勘探、水下军事、海洋考察等多个领域的日益活跃,水下通信技术得以推动发展。声波在水下传输衰减小、传输距离远的特点使得水声通信技术成为水下无线通信的主要手段。然而,水声信道严重的时变、多径和多普勒效应给水声通信带来了极大的挑战。扩频通信以其抗干扰能力强、抗衰弱与抗多径的优势在水声通信技术中占得一席之地,但其传输带宽大与水声信道可用带宽小的冲突易导致较低的数据传输率。因此,如何在低信噪比的水声信道实现可靠传输的同时尽可能地提高信息传输速率是水声扩频通信的研究关键。本文基于双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulated,HFM)信号对水声扩频通信展开研究与分析,主要工作概括如下:1、对水声信道特性的形成原因与影响进行具体分析,介绍了线性调频(Linear Frequency Modulated,LFM)信号及其时间带宽积对线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)系统接收端相关解扩的影响。重点介绍了LFM信号应用于水声通信的扫频扩频(Sweep Spectrum Carrier,S2C)方案原理,分析其优势与不足。2、对HFM信号的脉冲压缩性与多普勒宽容性进行仿真分析。主要包括:将经过多普勒尺度变换后的HFM信号与LFM信号分别做自相关对比,证明HFM信号在对抗宽带多普勒效应上的优势。同时,探究了扩频周期、带宽对HFM信号脉冲压缩性的影响以及调频率互为相反数的升、降频HFM信号的相关性。3、针对提高数据传输速率与保证通信可靠性的目的,利用频分复用与升、降频HFM信号提出了一种基于升降HFM与子带交错的水声扩频通信方案,并在多尺度多时延(Multi-Scale Multi-Lag,MSML)水声信道中进行Matlab仿真分析。从时间带宽积、扩频周期是否超过信道时延等方面对方案误码率性能与数据传输率进行纵向比对,并与其他已有方案进行横向对比验证方案有效性,证明方案具有较好的误码率性能。4、将上述方案置于实际水声信道环境测试,并对实测方案进行信号帧结构、帧同步处理等设计后,分别进行了短距离水池实验与长距离万绿湖实验。从信道环境、同步处理、多普勒估计、误码率性能等多个方面对实验进行分析。实验结果表明,本文提出的方案在实际水声信道中也具有良好的误码率性能,具有一定的可行性。
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