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【作 者】
杜鹏宇
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【学位年度】2016
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【学位授予单位】哈尔滨工程大学
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【导师姓名】殷敬伟
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【 关键词 】扩频通信移动水声通信载波相位跳变码分多址空分多址干扰抵消MIMO水声通信MIMO频域均衡
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【摘 要】
水声信道是一个带宽有限的时频双扩展信道,是目前公认的最为复杂的无线信道之一,因此高质量水声通信一直都面临着严峻的挑战。扩频水声通信抗干扰能力强,具有多址能力,保密性高,能够在低信噪比条件下工作,可有效应对复杂水声信道带来的影响,是远程及多用户高质量水声通信的首选通信方式。但扩频水声通信在实际应用中还存在一些问题,尤其是收发双方相对运动及复杂海洋环境带来的载波相位跳变干扰将严重影响扩频水声通信系统的性能。为进一步提高扩频水声通信质量,本文将针对复杂干扰条件下的移动扩频水声通信和多址通信及其相关技术...
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水声信道是一个带宽有限的时频双扩展信道,是目前公认的最为复杂的无线信道之一,因此高质量水声通信一直都面临着严峻的挑战。扩频水声通信抗干扰能力强,具有多址能力,保密性高,能够在低信噪比条件下工作,可有效应对复杂水声信道带来的影响,是远程及多用户高质量水声通信的首选通信方式。但扩频水声通信在实际应用中还存在一些问题,尤其是收发双方相对运动及复杂海洋环境带来的载波相位跳变干扰将严重影响扩频水声通信系统的性能。为进一步提高扩频水声通信质量,本文将针对复杂干扰条件下的移动扩频水声通信和多址通信及其相关技术展开研究。首先,对移动扩频水声通信技术进行研究。在直扩水声通信、循环移位扩频水声通信、传统M元扩频水声通信以及组合扩频水声通信等编码模式研究的基础上,针对缓慢载波相位跳变干扰分别提出了差分相关检测器、差分能量检测器以及M元能量检测器扩频接收机算法。这些扩频接收机算法利用相邻扩频符号内载波相位跳变的关系可有效抑制缓慢载波相位跳变的影响。针对移动扩频水声通信面临的多普勒干扰将更加严重的情况,通过对载波相位跳变合理的假设,进一步提出了改进差分能量检测器、双差分相关检测器、解差分扩频检测器和分段M元能量检测器扩频接收机算法;同时针对移动扩频水声通信提出了基于扩频序列的多普勒估计方法及移动时反镜处理技术,可以对直扩接收信号中的多普勒进行实时估计以及对时变多途扩展干扰进行实时抑制。通过计算机仿真对以上提出的算法进行了分析及验证。其次,基于单矢量水听器对DS-CDMA水声通信系统进行了研究。与DS-CDMA无线电通信系统相比DS-CDMA水声通信系统的多址干扰更加严重复杂,其系统容量受到了严重的限制。对此提出了基于单矢量水听器的置零干扰抵消空分多址技术:(1)置零干扰抵消技术通过构造循环相关矩阵将强干扰用户的功率集中凸显出来并通过置零的方式将其去除/抑制,可较好地解决DS-CDMA水声通信中复杂的远近效应问题;(2)基于单矢量水听器的有源平均声强器算法可实现对DS-CDMA水声通信系统中各个用户的方位估计,从而实现矢量组合定向通信,在使得期望用户获得矢量处理增益的同时实现了对非期望用户干扰的抑制;(3)单矢量时间反转镜技术充分利用水声信道多途扩展的物理特性,在聚焦期望用户的同时屏蔽了非期望用户的干扰。置零干扰抵消、单矢量组合定向通信及单阵元时反镜技术的联合使用构建了具有水声特色的单阵元多址通信系统,有效抑制了DS-CDMA水声通信中复杂的多址干扰,显著提高了系统性能。再次,对MIMO扩频水声通信系统进行了研究,给出了MIMO扩频水声通信系统模型。通过对MIMO系统的合理建模,从时反镜频域处理模型出发推导得出了聚焦屏蔽权向量MIMO频域均衡算法和求逆权矩阵MIMO频域均衡算法。聚焦屏蔽权向量MIMO频域均衡算法通过重新构建时反镜频域聚焦权向量,在对期望信号聚焦的同时可有效屏蔽非期望信号的干扰;求逆权矩阵MIMO频域均衡算法通过构建求逆权矩阵理论上可以实现对各个发射信号的分离及对水声信道的均衡。通过计算机仿真对时反镜MIMO频域均衡处理、聚焦屏蔽权向量MIMO频域均衡处理及求逆权矩阵MIMO频域均衡处理性能进行了对比分析,分析结果指出:时反镜MIMO频域均衡处理具有较好的稳定性,不受接收阵元个数的限制;聚焦屏蔽权向量MIMO频域均衡处理要求接收阵元个数大于或等于发射阵元个数,当满足这一条件时其对强干扰信号条件下的弱期望信号的处理结果要明显优于时反镜MIMO频域均衡处理结果;求逆权矩阵MIMIO频域均衡处理在接收阵元个数多于发射阵元个数时对各个发射信号实现了较好的均衡和分离,在高信噪比条件下其处理性能将优于前两种MIMO频域均衡算法。在此基础上提出了基于分组M元扩频编码的MIMO扩频水声通信技术,利用循环移位扩频编码映射算法及r-组合编码映射算法进一步提高了扩频水声通信系统通信速率。最后,对本文提出的通信编码模式、信号处理技术及通信系统进行了湖试、海试及冰下试验验证,并在实际数据处理过程中对算法具体应用细节进行了说明。其中,给出了基于滑动搜索方式的差分相关检测器解码方案,可有效应对多普勒累积效应对解码带来的干扰;在处理长序列窄带宽的移动扩频水声通信接收数据时额外给出了改进双差分相关检测器算法,该算法可以在不进行多普勒估计补偿条件下完成对该数据的有效解码;在MIMO试验中,提出了基于求逆权矩阵MIMO频域均衡算法的矢量MIMO扩频水声通信系统,求逆权矩阵利用矢量水听器振速输出信号可显著提高系统性能。通过不同水域的扩频水声通信试验,利用本文提出的扩频水声通信接收机算法及相关技术,分别成功实现了复杂干扰条件下的高质量扩频水声通信、存在明显远近效应干扰的渤海6用户码分多址水声通信、大多途扩展干扰下的莲花湖7用户水声通信,以及冰下4?4矢量MIMO扩频水声通信。
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【文献类型】
学位论文
- 【 JCR分区 】
医学:Q4
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