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水声跳频通信算法简单,鲁棒性好,在强多径干扰、低信噪比的海洋环境下也能实现稳健的声通信。在对通信速率要求不高或者信道较为恶劣的情况下,水声跳频通信方式是一个较为合适的选择。传统的跳频通信在频域进行频率跳变,通信速率受频带资源的制约。在保证跳频通信原有优势的情况下下,将跳频原理应用于不同的分数阶傅里叶域(简称分数域)上,可在有限的频带内实现多路复用的分数域跳频通信,进而提高跳频通信速率。结合线性调频信号(Linear Frequency Modulation,LFM,或记为 Chirp)与分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FrFT),可实现不同分数域内的调制解调:发射端采用不同调频率的Chirp信号,并使其中心频率在各自能量聚集阶次的分数域内随跳频图案进行跳变;接收端根据各个分数域的跳频图案,利用FrFT进行能量检测。但分数域跳频通信存在两个主要的问题:即分数域时延干扰和域间干扰。时延干扰是由FrFT的时延特性引起的。水声信道的时延十分严重,对于某一 Chirp信号,其能量聚集阶次的分数域幅值谱将呈现出类似水声信道冲激响应的形状,进而对分数域造成弥散。而域间干扰,即分数域间干扰,是由分数域的多路复用引起的。在既定分数域,由于多径效应的存在,某个码元、某个调频率的Chirp信号会受到当前码元和之前码元其他调频率的Chirp信号及其多径分量的干扰。Chirp信号的中心频率和调频率等参数越接近,域间干扰越大。在频带范围有限的水声信道下,难以保证Chirp信号的参数始终不相近,域间干扰也难以忽略。为解决这两个问题,本文提出基于时间反转(TimeReversal,TR)与独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)的水声分数域跳频通信。采用TR处理能够抑制分数域的时延干扰,使得各个多径信号得以同相叠加,既压缩接收信号的时间扩展,又提高接收信号的信噪比。复数快速ICA算法则能抑制分数域的域间干扰,在信道多径时延扩展得以抑制的前提下,快速地分离出分数域的数据信号和域间干扰。而ICA所带来的幅度与顺序的不确定性,则可通过分离信号分数域幅值谱的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)得以解决,即将分离信号分数域幅值谱的PAPR按从大到小的顺序排序,最大的PAPR所对应的信号即为数据信号,其余的为域间干扰。为验证TR-ICA算法在分数域跳频系统的可行性并分析其误码特性,本文探索了不同域数(2～4个域)不同跳频数(2～6跳)的水声分数域跳频通信。仿真信道采用五缘湾实测信道,结果表明:TR处理能有效抑制信号的多径扩展,并且在跳频数少的情况下,信号的互信息较小,有利于ICA分离出数据信号与域间干扰,使得解调结果明显优于传统的单通道FrFT解调。湖试实验结果基本与仿真结果一致:基于TR处理的解调方法明显优于单通道FrFT解调;在跳频数较少的情况下,Chirp信号间能保证相互独立性,使得ICA能够有效分离出数据信号与域间干扰,基于TR处理的解调性能得以进一步提升。此外,为保证ICA分离能够正常工作,发射信号的互信息需在0.2以下,信道间的相关系数需在0.6以下。论文的创新点如下:1.本文探索多路复用的水声分数域跳频通信。将传统的跳频通信扩展到分数域跳频通信,并结合分数域的多路复用,使频带利用率随分数域数目的增多呈线性递增。2.引入时间反转技术以抑制FrFT固有的时延干扰。利用时间反转处理,抑制多径时延扩展,提高信噪比,并为瞬时分离ICA的实现打下基础。3.引入复数快速ICA技术以解决域间干扰问题。利用复数快速ICA,在分数域上分离出数据信号和域间干扰,进一步提升系统解调性能。