（通信与信息系统专业论文）基于cckscfde水声通信系统关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着海洋开发和利用的不断深入，水声通信技术在海洋经济发展和国防建 设中发挥了越来越重要的作用。由于水声信道是一个极其复杂的信道，其多径 效应使信号产生衰落，严重影响了水声通信系统的性能，实现高速、可靠的水 声通信已经成为世界性难题。 单载波频域均衡( s c f d e ) 技术，可以有效地对抗频率选择性衰落，具有 复杂度小、信号峰均比低等优势。而c c k 技术作为一种软扩频方式，将扩频、 编码与调制技术相结合，能够以较小的代价支撑高数据率发送，在多径干扰环 境下具有优异的性能。本文根据水声信道的特点，将c c k 编码应用于s c f d e 水声通信系统中，在不明显损失数据率的前提下，获得了编码增益，提高了系 统的性能。 本文首先研究了海洋信道模型，分析其物理特性，阐述了信道编码、扩频 这两种抗干扰技术在水声通信中的应用，着重研究了c c k 技术，比较了它同 相同码率卷积码在水声信道下的性能。接着研究了频域均衡原理，水声通信中 s c f d e 的同步技术、信道估计和均衡算法，比较了g o l d 序列和u w 序列的信 道估计性能。基于以上研究成果，设计了c a 0 s c f d e 水声通信系统，并进行 了一系列的水池实验。最后，在厦门五缘湾进行海上实验，获取了该海域信道 信息和噪声数据，并以实测海洋信道等信息为基础对c c k s c f d e 性能进行了 仿真分析。 实验结果表明，基于c c k - s c f d e 的水声通信系统能够有效地消除码间干 扰，降低多径衰落对系统的影响，实现高速传输，取得很好的通信效果。 关键字：水声通信；单载波频域均衡；c c k 技术 a b s l r a c t a b s t r a c t w t ht l l ei l e e p e i l i l 玛o fo c e a nd e v e l o p n l e ma n dl i t n 协i o n ，t h eu n d e r 、 ，a t e r a c o 似i cc o m m u i l i c a t i o nt c c l l l l o l o g i e sp l a y 觚i i l c r e 弱i i l g l yi i i l p o r t 锄tr o l ei nt h e d e v e l o p m e n to fm a r i i l ee c o n o i i l ya l l dn a t i o i m ld e 危嬲ec o 璐t n l c t i o nu i l d e r 、) l ，a t e r a c o u s t i cc ：i l a i l n e l si s 趿嘶e i n c l yc o r i l p l e x 砌d o mv a r i a b l ep a 跚n e t e rc h 锄吐 m u h i p a t he 位c tc 煅st b es 逸m l 丘e q u e n c y l e c t i v e 觚i i l g ，辩r i 0 邯l ya 腩c t e dm e p e r 内r m a n c eo fm l d e r w a t e ra c o u s t i cc o 删m h l i c a t i o ns y s t e n l ，h i g h s p e e d ，r e l i a b l e u i l d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nh 鹪b e c o l eaw o r l d w i d ep r o b l e i l l t h ec l 舶_ e n t a m i - m u n i p a ：t l l 缸e r 凳r e n c ei nu 1 1 d e r w a t e r a c o u s t i cc o m 删c a t i o nt e c k l 0 1 0 9 i e s i n c l u i 把ss p r e a ds p e c t n m lt e c l l l l o l o g y ，e q m 血斌i o nt e c l l i l i q u e s i i l g l e c a r r i e r舶q u e n c yd o m a i ne q l m l 诎i o nt e c h n o l o g y( s c - f d e ) c 盟 e 任e c t i v e l yc o m b a tt h e 丘e q l l e n c y l e c t i 、r c 僦i n g ，w i t ht h e 缸i v a n t a g eo f1 0 w c o 芏n p l e x i t y 锄dp e a ：k - t 0 - a v e r a g ep o w e rr a t i 0 c c kt e c h l l o l o g y 嬲as 0 f is p r e a d s p e c t m mc o m b i i l e sw i t hs p r e a ds p e c t n m l ，c o d 访g 纽dm o d u k i o nt e c l l i l i q u e s ，w i t h l i t t l ec o s tt 0 s u p p o r th i g h - 印e e dd a t am t e 仃如_ s i i l i s s i o ni nm u l t i p a mi i l t e r 角r e n c e a l v 的m 卫e n tw i t he x c e l l e n tp e r 向加咂n c e b a do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 也e u n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l c c kc o d i l l gi s 印p l i e dt ot h es c f d eu n d e m 献e r a c o u s t i cc o m m 血c a t i o ns y s t e m ，u 1 1 d e rt h ep r e i i l i s eo ft h en o t0 嘶o u s1 0 s so fd a t a r a t e ，t h cs y s t e mg e t st b ec o d i n gg a 旭岫v et h e 肿皿啪c e t h i sp a p e rs t u d i e st h eo c e 锄出哪e lm o d e lf i r s t l y ，觚出s i so fi t sp h y s i c a l c l l 乏旺锹e r i s t i c s ，e ) 中l a i n s t l l eu s eo fc h 锄n e lc o d i i 玛觚ds p r e a d 驴c t m mi n u i l d e r w a t e r o u s t i cc o m m u n i c a t i o n s t u d y t h ec c kt c c h n i q u e s ， c o m p a f e d p e r f o m 姗c ew i 也c o n v o l u t i 0 皿1c o d eo f t h es a r n eb i tr a t e ：i n 也eu n d e m ，a t e ra c o 呶i c c k 咖lt h e nw es t 戚l i e dt l l e 舶q n c y d o m a 试 e q u a l 切t i o np r i i l c i p l e ， s y l l c h r o i l i 2 a t i o nt e c l l i l o l o g y ，锄dc i l l n n e le s t i m a t i o n 觚de q l 掘l i z a t i o na l g o r i t l l l n so f s c f d ei 1 1t h eu a c ，c o r n p a r e dt h ec h a n n e le s t i i i 龇i o np e r f o m l a n c ew i t hg o l d s e q u e n c e a n du ws e q u e n c e b a s e do nt h e 百b o v er e s e a r c 也w ed e s 逗n t h e c c k - s c f d eu a cs y s t e 驰a n dt 龇as e 血so fp 0 0 1e x p e r i m e n t f i i l a l l y ，w et a ：k e 也e ae 印e r 砥n t si nt h e 厂u y 吣b a yo fx i a m e n ；g e tt h cm 趾i i l cc h m e l i 1 1 f o r m a t i o na n dn o i s ed a t a ，锄1 y s i so ft h ep e r 南加1 a 1 1 c eo fc c k - s c f d eb a s e do n m en l e a s l 皿e di n 盯i i l ec h a 衄e 1 n l ee x p e r m n t a l 陀蚍l t ss l l o wt l 斌t l 伦c c k - s c f d es y s t e mc 趾e 毹c t i v e l y e l i m i i l a t ei i l t e 卜s y m b 0 1i i l ：t e r 危r e n c e ，r e d u c et h em u h i p a t h 自d i i l ge 彘c to nt h es y s t e m f o ri 肌l t i p a ：f 1 1c h a n n e lt r 趾s i i l i s s i o 玛a n da c l l i e v eh i g h - s p e e dt r 锄s i l l i s s i o l l o b t a i l l v e 巧g o o dc o m m 疵c a t i o n e 丘b c t k e yw o r d s ：u n d e m 劬e ra c o u s t i cc o 删m l i l i c a t i o n ；s c f d e ；c c k 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着现代海洋科学技术的发展，人类认识和开发海洋资源的能力已经大大 提高，人类已进入了一个大规模开发、利用海洋的时代。在2 1 世纪的今天，海 洋作为地球上的一个特殊空间，不管是其物质资源价值或是政治经济价值都远 远超出了人们原有的认识。在海洋中，有缆方式的信息传输由于目标活动范围 受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂、对其它海洋活动( 如正常航运) 可能 存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在混浊、含 盐的海水中，电磁波的传播衰减非常大，因而在海水中的传播距离十分有限， 远不能满足人类海洋活动的需要，不适合作为传输方式。采用声波作为通信的 载体成为目前在海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。 水声通信技术诞生于二十世纪中叶，它经历了从最初的模拟通信阶段到现 如今的数字通信阶段的过程。世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验 室在1 9 4 5 年研制成功的水下电话【l 】。该系统采用单边带调制技术，载波频率为 8 3 3 l 【h z ，主要用于潜艇之间的通信，工作距离可达几公里。早期的水声语音 通信系统基本上都采用模拟单边带调制方式，比较典型的有英国研制的 g 7 3 2 m e j i 型舰艇水声通信机，法国汤姆逊辛特尔公司所研制的t s m s l 2 1 a 和 t s m s l 2 i b 水声电话等【2 】。 但是，模拟调制系统不能减轻由于水声信道衰落所带来的畸变，在很大程 度上限制了系统性能的提高【3 】。进入7 0 年代后，数字调制技术的应用改变了这 种情况。同模拟通信技术相比较，数字通信技术可以通过复杂的纠错编码技术 来提高传输的可靠性，具有很强的抗干扰能力。同时也可采用数字处理技术， 减少信道多径效应和频率扩展带来的影响。数字编码技术主要分为非相干调制 方法和相干调制方法两类。 基于0 c k s c f d e 水声通信系统关键技术的研究 非相干水声通信方式一般采用频移键控( m f s k ) 调制信号，在接收端采 用基于能量检测的非相干检测方法。非相干调制方法能消除载波相位跟踪的敏 感问题，系统抗干扰、抗衰落能力强，实现简单，因此在低速、高可靠性要求 的系统中得到广泛的应用。表1 1 列出了近十几年非相干水声通信系统的部分 研究成果【4 】。 表1 1 近十几年非相干水声通信系统的部分研究成果 数据率带宽 研究者编码方案带宽利用率通信距离( k i l l )误码率 ( b p s ) ( h z ) m 0 r g e r a 格雷码o 5 5 0 0 0 1 n f 八 n f 入 g a r r o d n a 4 0 n a n 7 a 4 0 ( s ) l o 2 c a t i p o c 汉明码1 2 0 05 0 0 0o 2 43 0 ( s )1 0 - 2 圳sn a 其中膏( 舻志。 一般的信道估计方法有以下三种【6 7 l ： ( 1 ) 盲信道估计( b l i n dc h a n m le s t i m a t i o n ，b c e ) ( 2 ) 半盲信道估计( s e i 吐b 煳c h 锄n e le s t i 瑚t i o n ，s b c e ) ( 3 ) 非盲信道估计( n o n - b l i n dc h 锄e le s t i m a t i o n ，n b c e ) ，它需要借 助训练数据进行信道参数估计，故又称数据辅助式信道估计；前两种又称为非 数据辅助式信道估计。本文研究的单载波频域均衡( s c f d e ) 技术采用的是数据 辅助式信道估计方式。 3 3 2 单载波频域均衡的信道估计 单载波频域均衡的信道估计的基本思想是对频域的每个子信道的频率响应 4 3 基于c c k s c f d e 水声通信系统关键技术的研究 巩做出估计，然后在每个子信道乘以系数哌城来补偿信道影