淺水起伏環(huán)境中模型-數據結合水聲信道均衡技術.pdf

1、水聲通信是海洋中通過聲信號實現的無線通信。由于水中聲傳播速度慢、可利用帶寬窄等特點，水聲通信面臨眾多不同于陸地無線電通信的技術難點。特別是淺海環(huán)境，由于其邊界及介質起伏效應，造成多徑時延擴展、多普勒頻移擴展嚴重，且表現出快速時變特性，使傳統的高速通信信號處理技術性能不佳，甚至無法工作。
　　 論文針對淺海起伏環(huán)境下具有延時、多普勒擴展及時變特點的信道，以聲傳播環(huán)境-聲通信信道-通信信號處理為主軸，采用基于水聲傳播互易性這一物理機

2、制發(fā)展的時間反轉處理方法，結合單載波、多載波相干水聲通信信號體制，發(fā)展模型與數據相結合的信道估計和均衡技術，旨在深入研究淺水水聲通信信號傳播物理模型的同時，探討現實起伏環(huán)境中實現可靠高速數據傳輸的水聲通信信號處理方法及系統設計。
　　 因地理位置、溫度、鹽度等的不同，聲速在不同淺海環(huán)境中呈現不同的梯度模式，水聲通信的信道沖擊響應也千差萬別。目前并沒有一個通用的淺海水聲通信信道統計模型可用于描述所有淺海環(huán)境，這就要求我們在研究水聲

3、信道時將模型和數據相結合，利用模型的一般性和數據的特殊性設計穩(wěn)定可靠的水聲通信系統。時間反轉技術是基于聲在時不變環(huán)境中傳播的互易性提出的一種信號處理方法，即若環(huán)境時不變，將接收到的信號時間反轉發(fā)射，信號將在最初的發(fā)射位置實現空間聚焦和時間壓縮。論文的主要思想就是基于聲信號時反的特性開展理論和實驗研究，并應用于相干水聲通信中。
　　 然而淺海起伏環(huán)境中，時變是造成通信接收機性能下降的主要因素。這就引出論文的一個重要研究方向：起伏環(huán)

4、境對水聲通信信道的影響，以及如何在起伏環(huán)境中跟蹤信道變化。論文首先建立了基于散射信道物理模型的狀態(tài)空間時變信道模型，并采用卡爾曼濾波和擴展卡爾曼濾波實現信道的估計和跟蹤。由于信道時延擴展嚴重，隨時間變化明顯，造成估計算法運算量巨大。論文提出了估計并跟蹤時反信道--經過被動時反處理后的相關信道函數。根據理論分析和實驗數據觀察，時反信道時廷擴展明顯小于信道沖擊響應，且結構相對穩(wěn)定，對時反信道的跟蹤明顯可降低待估計參數的更新頻率和算法計算量。

5、
　　 對時反信道特性的研究為設計被動時反均衡方法提供了基礎。由于信道的時變，被動時反后的時反信道并不是理想的單位沖擊函數，仍然存在著時間擴展及通信信號間的碼間干擾。因此在被動時反處理后可級聯一個簡單的時域判決反饋均衡器，用于消除殘余的碼間干擾。當環(huán)境時變嚴重時，近似單位沖擊函數的時反信道會隨時間發(fā)生擴展，這種情況就需要更新用于時反操作的參考信道響應。在設計接收系統時，論文提出通過檢測估計時反信道的卡爾曼濾波的誤差變化，判斷是否

6、需要更新參考信道響應。實驗數據的處理和分析驗證了方案的可行性。
　　 論文同時研究了單載波頻域均衡系統在水聲通信中的應用，在揭示其數學表達式與被動時反結合時域均衡非常相似的基礎上，論文將兩者從理論和實驗數據兩個方面進行了比較。兩者在時不變環(huán)境中，是等價的。而在時變環(huán)境中，單載波頻域均衡需要更頻繁地更新信道沖擊響應函數。頻域均衡的另一個缺點是由于基于快速傅立葉變換實現，其每一塊用于快速傅立葉變換的數據前需要加入循環(huán)前綴，以保證序列

7、可周期擴展，且循環(huán)前綴的長度必須大于信道響應擴展的最大長度。這種信號形式產生很多信號冗余，降低了平均通信速率。
　　 利用時反信道的特點，論文進一步嘗試了將被動時反技術與多載波通信體制相結合，設計了被動時反結合正交頻分復用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)通信系統。基于被動時反處理后的時反信道時延擴展小的特點，設計符號時間寬度短、子載波較寬的OFDM信號，使得OFDM