淺海水聲雙擴展信道估計與跟蹤技術(shù).pdf

1、以聲波作為載體的通信技術(shù)是實現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離高速信息傳輸?shù)奈ㄒ挥行侄?。為了提高頻譜利用率，應(yīng)對越來越多的高速水聲通信的應(yīng)用要求，相位調(diào)制技術(shù)已經(jīng)取代了過去的頻率調(diào)制技術(shù)成為了水下通信研究的主要內(nèi)容?？紤]到海洋動態(tài)性帶來的信道相位響應(yīng)的快速起伏變化，相位調(diào)制技術(shù)十分容易受到聲傳播環(huán)境的影響。總結(jié)其影響主要體現(xiàn)在由界面反射、介質(zhì)散射帶來的多徑時延擴展，由界面、介質(zhì)、平臺運動帶來的多普勒擴展，以及這些擴展隨時間的變化。這樣的信道通常總結(jié)為時變雙

2、擴展信道，經(jīng)過該信道傳播的信號會在時延和多普勒兩維上展寬，并且伴隨有隨機起伏。當(dāng)多普勒擴展較大時，無法用單一的多普勒因子進行補償，需要聯(lián)合估計出時延和多普勒兩維信息，才能恢復(fù)出在信道中經(jīng)過兩維展寬的信號;而當(dāng)信道的時變性較明顯時，需要實時更新信道估計的結(jié)果，才能保證接收機性能的穩(wěn)定。本文針對淺海起伏環(huán)境下水聲信道具有的時延、多普勒雙擴展特性及時變特性，以時變水聲信道建模-雙擴展信道估計-雙擴展信道跟蹤為主軸，研究相干水聲通信技術(shù)。

3、>　　水聲信道特性的研究是設(shè)計和仿真分析水聲通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文首先從理論上分析了傳統(tǒng)的簡正波模型和射線模型實現(xiàn)雙擴展建模的方法;其次討論了用有限的參數(shù)描述通信信道輸入輸出關(guān)系的路徑參數(shù)化模型;然后詳細(xì)研究了在已知接收發(fā)射源位置以及波導(dǎo)環(huán)境信息的情況下，基于鏡像法模擬滿足水聲物理傳播衰減和海面海底反射條件環(huán)境約束的雙擴展信道的方法，并且對各路徑的衰減幅度進行自回歸建模，得到時變的水聲雙擴展信道模型。
　　研究信道的時延和多普勒兩維

4、特性既可以獲取收發(fā)雙方和環(huán)境的空間位置信息，也可以獲取平臺的運動信息和環(huán)境的動態(tài)演化知識，因此研究雙擴展信道能夠有效、完備地利用蘊含在信號中的信息。需要指出的是雙擴展信道估計問題本身是一個欠定逆問題，并不能通過傳統(tǒng)的估計方法獲得，本文從約束優(yōu)化和匹配濾波兩個角度來解決估計問題。從約束優(yōu)化角度，相關(guān)研究已經(jīng)成功地將壓縮感知理論中的稀疏重構(gòu)算法應(yīng)用到擴展函數(shù)的估計問題，本文選擇其中的正交匹配追蹤算法進行理論和仿真研究。從匹配濾波的角度，本文

5、提出了基于互模糊度函數(shù)的信道估計方法?；驹硎?計算接收信號與發(fā)射信號的互模糊度函數(shù)，得到有模糊尖峰的二維平面;并在此平面上以噪聲門限估計時延，以時延維的極大值估計多普勒。論文通過仿真比較發(fā)現(xiàn):正交匹配追蹤算法用較多的訓(xùn)練序列可以得到更為準(zhǔn)確的估計結(jié)果，但當(dāng)訓(xùn)練序列不足時，其表現(xiàn)出了對算法參數(shù)選擇的敏感性;基于互模糊度函數(shù)的算法則能夠根據(jù)接收信噪比對算法參數(shù)進行調(diào)整，并且考慮其較低的計算復(fù)雜度，可以通過更快的更新估計來提高時反接收機的

6、整體性能。
　　由于信道的動態(tài)時變，信道當(dāng)前估計的結(jié)果往往無法準(zhǔn)確地補償后續(xù)時刻的信道，因此實現(xiàn)對雙擴展信道的跟蹤是實現(xiàn)可靠有效水聲通信的又一關(guān)鍵。針對信道的時變性，本文從自適應(yīng)濾波理論出發(fā)，通過挖掘信道稀疏性和建立動態(tài)模型的兩種方法來對抗由海洋動態(tài)特性帶來的信道變化，并進行了仿真驗證。前者是將傳統(tǒng)自適應(yīng)算法和稀疏約束問題的代價函數(shù)相結(jié)合的序貫稀疏估計，本文將已有的零吸引算法引入到擴展函數(shù)的跟蹤問題中，試圖通過稀疏約束降低該跟蹤問

7、題的自由度;后者則是直接建立雙擴展信道向量的動態(tài)演化模型，通過卡爾曼濾波對信道向量進行序貫更新，濾波輸出即為每一時刻的雙擴展信道向量。
　　最后結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，論文驗證了傳統(tǒng)時反均衡接收機用于雙擴展信道水聲通信的局限性，總結(jié)了將本文所述算法融入時反接收機的信號處理結(jié)構(gòu)，并且驗證了系統(tǒng)的可行性。實驗處理結(jié)果表明:在真實環(huán)境中，基于互模糊度函數(shù)的信道估計算法能以較低的復(fù)雜度和較少的訓(xùn)練序列得到優(yōu)于正交匹配追蹤算法的估計結(jié)果;為了應(yīng)對信道