（水声工程专业论文）时反镜pattern时延差编码水声通信技术研究.pdf

篁i i 鎏。! ；堡奎茎鎏圭兰堡篁圣 a b s t r a c t d e v e l o p i n gt h eu n 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 ni ss i g m f t c a n tn o to n l y1 n t h em i l i t a r ya f f a i r sb u ta l s oi nt h ec o m m e r c i a lf i e l d s t h ep o i n t t o p o i n t e o m m m r i c a t i o ni st h eb a s e m e n to ft h em r d e r w a t e ra c o u s t i c ( u w a ) n e t w o r k s w h i c hs h o u l db er e a l t i r n e ，h i g hs p e e da n dr o b u s th o w e v e r ，t i l eu w ac h a n n e li s m o r ec o m p l e xc o m p a r e dt ot h ew i r e l e s sc h a n n e la n dt i r ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db ym u l t i p a t hc h a n n e li sa ni m p o r t a n to b s t a c l ef o rr e a l i z i n gt h eu w a c o l m n u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sw i l ld i s c u s st h et o p i ca b o u tp a t t e n rt i m e d e l a ys h i f tc o d i n g ( p d s ) s c h e m ea n dt i m er e v e r s a lm i r r o r ( t r m ) t e c h n o l o g y p a t t e r nt i m ed e l a ys h i f tc o d i n gs c h e a n eb e l o n g st ot h ep u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ( p p m ) t h a tt h ed i g i t a li n f o r m a t i o na r ee n c o d e di nt i r et i m ed e l a ys h i f t v a l u e so ft h ep a t t e r nt h ed u t yc y c l ei ss m a l l e rt h a n1w h i c hc o u l de c o n o m i z et i l e s y s t e me n e r g yb yu s i n gd i f f e r e n tp a t t e r n sf o rc o d ed i v i s i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mh a sah i g ha b i l i t yt om i t i g a t et h ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ec a u s e db y m u l t i p a t hc h a n n e lp d ss y s t e mc o u l di n c r e a s et h ed a t a r a t eb yu s i n gd i f f e r e n t f r e q u e n c yf o rc h a n n e ld i v i s i o nt h es y s t e ms h o u l ds e l e c tm o r ep a t t e r n si no r d e rt o a d a p tt ot h el o n g e rm u l t i p a t hs p r e a dt i m e ，b u ti ti sr e s t r i c t e ds ov i es h o u l da d o p t a m o r ee f f e c t i v em e t h o df o ra n t it h ei s i t i m er e v c r s a lm i r r o rc a nm a t c ht h ea c o u s t i cc h a n n e la u t o m a t i c a l l ya n dl e a d t oa na d a p t i v es p a t i a lf o c u s i n ga n dat e m p o r a lc o m p r e s s i o nt h ea p p l i c a t i o no f t h e t r mt ot h eu w ac o m n r u n i c a t i o nc o u l de l i m i n a t eo rm i t i g a t et h ei s ic a u s e db y a c o u s t i cc h a n n e l sm u l t i p a t ha n dd e l a ys p r e a d t h es i n g l es e n s o rp a s s i v et i m er e v e r s a lm i r r o r ( p t r m ) i ss t u d i e di nt h i s t h e s i sw h o s ee f f i c i e n c yi sh i g h e rt h a na c t i v et r ma n dt h ea p p l i c a b i l i t yi sb e t t e r t h a nt h ep r o c e s s i n go f a r r a y t h i st h e s i sp r o p o s e st oa p p l yt h es i n g l es e n s o rp t r m t ot h ep d ss y s t e m ，w h i c hi s c a l l e dp t r m p d su n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n sa n dl a k et r i a l ss h o wt h a tt h ep a s s i v e 哈尔滨二 程大学硕士学位论文 t i m er e v e m a lm i r r o ro a nm a t c ht h ea c o u s t i cp r o p a g a t i o ne f f e c t so fac o m p l e x a c o u s t i cc h m m e l a n da p p l y i n gt h ep t r mt ot h ep d s s y s t e mc a l ld e c r e a s eg r e a t l y t h ea b e r r a n c eo ft 1 1 ep r o e mc a u s e db yt h ec h a r m e lm u l t i p a t ha n dm i t i g a t et h ei s i e f f e c t i v e 垮a n dh e n c e r e p r o v ec o m m u n i c a t i o nr o b u s t n e s s ， k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i c ( u w a ) c o m m u n i c a t i o n ；m u l t i p a t hc h a r m e l ； i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s l ) ；p r o e mt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g 口d s ) ；t i m er e v e r s a lm i r r o r ( t r m ) l i l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声鹋：本论文的所有工作，愚在导师静指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的弓 麓已在文中指出，并与参考文献楣对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或黧体已 经公开发表的作晶成果。对本文的研究徽磁筮要贡献静个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声踢的法律结粱由本人承担。 作者( 签字) ：隧垒 日期：咿年爹月j f 曰 堕尘鎏苫堡尘兰堡点耋堡篁奎 1 1 雩| 言 第1 章绪论 水声通信一奠 是声呐研究中的一个熏骚领域。鉴于战略核潜艇以及常舰 潜麓雀现代班及采来战争中鲍麓要俸角，遣切希望为其提供更多饶藏翡通偿 手段。菠国、英国、日本等发达国家进行了一系列与水声通信有关的课题研 究，取得了一些成效。从目前发展情况分析，水声通信很可能成为一种最谢 翦途静蹲港遥穗手段。 水声通信也是一个快速发展的科研领域。它的工程应用不仅局限于军事， 而且也在向商业领域延伸，包括海洋数据采集、海洋资源开发、海洋环境监 测等方蠹。2 0 0 1 年5 嚣，联台强缔魏国文俸指出：“2 l 世纪是海洋藿纪”。 换句话说，海洋发展是2 1 世纪人类社会发展的主簧问题。在当今和平时期， 发展水声通信具有重大意义。许多当前正在发展的应塌，都要求谶行实时通 信，遮不毁是点对点的链跨，嚣显要成圈络聚置静形式。当今承声通信豹翦 景就魁由活动和静止节点共同构成的水声数据通信嗣。 国外一些机构已经开始组建水下通情网络，如夔国建立的水下自治信息 采集瓣络( a u t o n o m o u s o c e a n o g r a p h i cs a m p l i n g n e t w o r k ：a o s n ) ”4 ，霹良提供 多个网络节点间交换数据的功能，主要用于采集海洋数据；美围性能最好的 水下信息作战系统d a d s ( d e p l o y a b l ea u t o n o m o u sd i s t r i b u t e ds y s t e m ) t 迄今 邑完畿三 炙定銮海试，该系统哥罴于全球结意化海战，也可蠲予落患纯兹海 洋研究与开发。假是国内在遗方面的研究几乎是片空白。建立高速水声数 据通信系统，在军、民两方面均日益具商煎要的应用价值。 隶声逶痿弼终纯鳇董磷憝态速、稳健戆点踺点遴信，只蔫麟浃了点对点 通信才可构建水下信息网。水声工作者将各种无线电通信技术引用于水声点 对点通信，并依据水声信道的独特复杂性提出了很多适合于水声通信的方案， 取褥了显萋藏效，为网络纯蘧信打下了坚实基毯。 坠玺鋈王堡奎兰璧点兰堡尘圣 i 2 承声通信技术簿余 水声通信系统的性能一戡是受数据传输速率和作用距离约束的，k i l f o y l e 等人校掇美垦凡卡次海试缝暴，绘出了一袭兹线，汲为在理阶段数攥揍辕这 率( k b i t s ) 与作用距离( k m ) 的暴积在浅海不超过4 0 k m x k b i t s 、在深海不超过 1 0 0 k m x k b w s j ，丽在7 0 年代初，该值只商5 左右。 蹦离与数据率憋乘穰在蜜溉上反映了承声透信蓉绞性毙的数握速率秘作 用距离之问的约束关系。求声无线通信饕靠声波去实现，水声倍蠛与无线电 信道大不相同口1 。海水中传播损失主要是围波阵面扩展和声吸收所致。能量 拯失仪依旗子传攒距离，但吸收搂失不仪隧距离并置随频率增加蕊变夫，圆 此这导致可瘸带宽极其有限，箕可用带宽只有几千赫兹。j 。要提高数据率与 作用距离的乘积就要增加发射功率，采用新的编码解码体制和信道均衡技 术。 随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，求声通信技术也因此得到了 迅速的靛展，新一代的水声通信系统开始采用数字调制技术。数字调制技术 的主溅为幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 稠枢移键控调制( p s 鼢 6 1 0 幅度键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ：a s 站是指埔数字基带信号控制载波 幅度以进行信息传递的一种调制技术。出于水声信号幅度起伏的影响而造成 害级a s k 在解调时难以设餮逑当的检测阀馑，因而水声通信中的幅度键控大 多使鞠通断键控( o o k ) 方式。该方法的功奄嗣蠲率撤低，抗多途干扰能力也 很弱，只适用于姥通信速率露求不太高的场合。我国的6 6 0 声呐的电报工 作方式就采用了邋断键控方式。 颧移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ：f s i o 系统j 睾为一静能垂捡涮( 菲穗子 检测) 系统，对水声信道的时间和频率扩展有很强的适应能力。相当长的时 间内，f s k 调制方式被认为是水声通信中的最佳调制方式。频穆键控调制的 歃陷程予：需要较宽的频带爨度，频带剥嗣率摄羝，并要求畜较离的信嗓眈。 当存在多普勒频移时，必须设置一定的频率裕度，这样就不能充分利用有限 的承声信道带宽。另外，频移键控调制照然回避了载波相位恢复的问题，但 并没有解决多途引起的符号阑干抗闫莲。一些系统袋髑在连续游褐元闽箍入 哈尔演工程大学硕士学位论文 一定的阕隔来消除终号闯干扰，造成通信逮率的降低。 水声通信中穗用相穆键控调制方式的研究开始子上世纪8 0 年代初，有差 分相干调制( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ：d p s k ) 和绝对相干调制( p s k ) 之 分，是发展最抉、成果最多鲍领域1 7 j 。在勰于接收发餍孛具有里程碑意义的 是在接牧机中使鞠了判决反馈均衡器( d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ：d f e ) 和数字锁相环( d i g i t a lp h a s e - l o c k e dl o o p ：d p l l ) 。 近年来水声通信新技术研究发展也缀迅速，如正交幅度调制( q a m ) 、码 分多琏( c d m a ) 扩谱技术、空闯分集技术、水下通话网络研究等。另外，萄 前被认为是4 g 备选方案的每载波正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ：o f d m ) t 8 - g l 技术，受到高速率数据佳输的脊崃。 实时稳健的承声无线逶镩系统不仅霈装竟l 丈瀚传播损失，以及菲常严 重的信号衰落，还要克服由于多径时延扩展而引起的码间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ：i s i ) 所造成的信号失真，如果耀传统的插入保护时间、多频分集、 鲻错编码潋及信邋均衡技术等。 纠错编码也称为差错控制编码，是以牺牲通信速率来降低通情误码率或 者在一定误码率下降低系统所骚求的信噪比的一神有效方法，萁基本思想是 在被赘遴豹信息痔列上辩鞠一擅篮督稻元，迁签督璐元和信息弱元之阚鼗麸 某种约束关系，一且这种约策关系被破坏，即可发现锚误，进而加以纠正l l 。 依据麓键控制编码的功能不同分为：检错鹏、纠错码和纠删码；依据信息码 元与浚餐码元的翡褒关系分为：分缝璃季羹眷积鹂；豫据信惠位静校验位静关 系分为：线性码和非线性码。蕊中在线性分组码中，r e e d - s o l o m o n 码( 简称 r s 码) 的纠错、编码效率是最高的，尤其适合于纠r e 采发错误。 均衡技零主簧矮寒克骧囱霸道多途辩踅扩震引黧麓鹬涟子蕊，能禳程僖 道的时变特性和非线性，应用某种准则的自适应算法对均衡器参数随着信号 和信道的变化相应的调整。从自适应均徽器参数与接收信号的关系来看，均 鬻技术技分为瑟个基本类壁：线注筠篱乎羹棼线性筠簿“。踺予 睦注选鬟嚣 按功能和结构可分为非递归均衡器与递归均衡器，阻及神经智能均衡器；按 算法分，有自适成最小均方谈差( l m s ) 均衡器、自邋应递归最+ - - 乘( r l s ) 玛褥器疆及盲鸯遗应均鬻嚣簿l “。其中，鑫适应均衡技术需要鏊复发送已知 训i 练序列，造成带宽浪费，而盲均衡无缬训练序列，节省了带宽。盲均衡分 哈尔滨工程大学硕_ ：学位论文 为三大类：b u s s g m l g 算法、离除或循环绕诗量算法及嚣线性均衡嚣箨法。 但为了求解盲均衡问题，需要黼定数据痔捌的概率模粼，即要羽输入序列的 统计特性给与假设。 i 3 水下声信遵特性 海洋作为声波健播的声信邋，它是一个时变、空变的随机信谶，从通信 论的麓患来看，海洋就是声箍道。它对声僖号静影嫡主要存在两个方藤：一 是海洋中声传播的方式和能量平均传播损失；二是对信号所进行的变换，确 定性的燮抉导致接收波形的畸变。随机性的变换导致信息损失。豳而声信道 可臣看箨是对笈瓣波形进行变换的滤波器。实验涯确声信遭可良黉俸缓慢时 变的相千多途信道，若观察或者处理时间不是过分长，则声信道w 以用时不 变的滤波器来描述【l ”。 声波在蓿道中转舞，其糍爨按失不投麓距离著置麓频率增热露变大，霆 此可适用通信豹带宽及其有限；海洋信道又属于不平熬双界面随机不均匀介 质信道。传播过程中时变、空变及多途效应严重，产生码间干扰，影响水声 运癌葳鬃。 水下声信道的特性主要体现在以下几个方面：声传播损失、澎途效应、 多普勒频移、水下噪声和时变、空变的随机性。它们对水声通信有黄重要影 璃俸鼷，下嚣分裂绘与麓要奔鳐。 1 、声传播损失： 海水介质是种不均匀的非理想介质，由于介质本身的吸收、声传播中 渡疼嚣靛扩震以及海承中各；黪不遗玺牲懿敬镕 等摄莲，在声波转播过程孛， 声波强度在其传播方向上将会逐渐减弱。 声波在介质中的传播损失，主要来源予三个方面u4 j ：扩展损失：由于 声渡渡箨磊在簧撵j 筵程中不赣扩曩露；| 起戆翥餐律藏嚣的霓曩效藏，又豫为 几何损失：吸收损失：由于介质粘滞、热传导以及戴它弛豫过程引起的衰 减；散射：是指在海洋介质中，存在拢沙、气泡、浮游生物等懋浮粒子以 及贪壤黥不麓匀注， l 起馥声波数蓑帮声褒衰藏。海痰赛嚣对声波弱鼗射， 也是引起这类声衰减的一个原因。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、多途效应： 大量的研究表明：多途效应是水声信号在海洋声信道中传播发生畸变的 根本原因。采用射线声学的观点，相干多途信道是线性的，声信号沿不同途 径的声线到达接收点，总的接收信号是通过接收点的所有各声线所传送的信 号的干涉叠加。 水下声信道是缓慢时变的相干多途信道，在相干时、a j 长度内，可简化为 相干多途信道，仅存在多途效应l l “。多途效应的形成与海洋环境和信号的频 率有关，形成的机理为：在浅海区，主要由界面( 海面、海底、目标等) 边 界反射能量形成：在深海区，主要由声源处的不同出射掠角的声线在传播过 程中发生弯f | 造成的。 3 、多普勒频移： 多普勒频移是由于发射机与接收机之间的存在相对运动而引起的，会使 接收到的信号波形发生改变，表现为信号频率的偏移或频谱的畸变l l “。 4 、水下噪声： 海洋介质中存在着各种各样的噪声源，这些卢源发出的声音随着州f n j 和 海域而变化，是随机的，称之为水下噪声。 按照产生噪声的原因可将环境噪声分为 ：海洋动力噪声：与风浪有 关，是海水和大气中湍流产生的噪声，还包括海浪拍岸噪声、阿噪声、气泡 噪声等。生物噪声：各种生物所发出的噪声。交通噪声和工业噪声：它 是由人类活动产生的噪声。地震噪声：由地震、火山活动和海啸产生的噪 声。热噪声：由海水介质的热骚动所产生，它与海水介质的温度成i 比。 5 、时变、空变的随机性： 在不同时刻从声源发出的信号，由于海水介质及其边界随时间的变化， 在固定的接收点收到的信号也会随时间而变化，称之为声信号起伏。实践旺 明，总的接收信号可以看作相干分量和非相干分量的叠加。这时可用接收信 号的时空统计特性来描述随机声场的特征。 收、发节点固定，接收端对相同发射信号的接收波形随时问而变化，只 在相干时间长度内可视为基本不变。信道形式直接关系到水声通信质量，由 于接收点的声场是多途到达的干涉叠加结果，凼此信道的系统函数列声源和 接收点的相对位置、环境参数、声速分布等的变化十分敏感。信道的系统函 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数对于环境参数的敏感性次序分别为：接收点铅直位置变化，水层厚度变化， 水平位置变化，水层中声速变化。 海洋是水下声传播的介质，水下声信道特性直接决定了水声通信系统的 设计和性能。系统方案需要大量仿真研究和试验来验证其性能，欲用于工程， 更是需要考察该系统方案所能适用的水声信道。多途信道仿真模型为研究水 下声场特性提供了方便而有力的工具，便于在实验室获得大量不同水文分布 条件和环境参数的海洋信道模型。准确、实用的信道建模直接影响到水声通 信技术的研究。 模拟海洋中声传播的最早尝试是在第二次世界大战期间，为解决声呐性 能预报中的实际问题、支持反潜战而作的。声波在水介质中的传播规律可用 压力绕动或压力场通过海洋的传播来描述，它满足波动方程( 与时间有关) 或亥姆霍兹方程( 与时间无关) 。当初始条件与边界条件确知时，波动方程有 唯一确定解。 从不同的物理角度看待波动方程，可以建立不同的声场模型，包括射线 理论模型、简正波模型、抛物近似法、多路径展开技术和快速声场模型等。 j e n s e n 1 6 于1 9 8 2 年在分析不同声场模型的基础上给出了如表11 所示的不同 模型的适用情况。表中将声场环境按海深、使用频率范围和与距离相关性分 为8 大类情况。 表1 1j e n s e n 的各种声场模型适用情况对比 模 应用情况 型 浅海 深海 类 低频 高频低频高频 距离距离距离距离距离距离距离距离 别 无关有关无关有关无关有关无关有关 射线模型差 差良 好 良 良好好 简正波好良好良好良良差 抛物方程 良好差差良好良良 多途展开 差差良差良差好差 快速场好差好 差好差良 差 从表中可以看到，射线模型可以较好地解算深海、高频环境下的与距离 坠垒圣三堡奎耋鎏圭主堡鎏兰 相关声场问题。 1 4 时间反转镜技术简介 1 4 1 时间反转镜技术发展简介 声学中时间反转( t i m er e v e r s a la c o u s t i c ：t r a ) 的概念是光学中相位共轭 法( p h a s ee o n j u g a t i o n ：p c ) 的引申，它与光学中的相位共轭镜是有差别的，是 光学中相位共轭镜的一个发展。频域中的相位共轭在时域中可以用时间反转 法实现。 在超声领域，时间反转镜( t i m er e v e r s a l m i r r o r ：t r m ) 试验首先是由法国 巴黎大学的m a t h i a s a f i n k 教授等人在超声实验室完成的。f i n k 等人用一6 4 元直线阵构成时间反转镜，中心频率3 m h z 。试验结果表明t r m 可在各种不 同的非均匀介质中补偿介质对信号的畸变，形成聚焦。当介质中存在多个目 标时，t r m 可通过叠代在反射最强的目标处形成聚焦。该试验同时验证了 t r m 技术可在非均匀介质实现最优聚焦，因为t r m 实现了非均匀介质传递 函数的时、空匹配滤波。在非均匀介质中t r m 的聚焦效果较一般的时延聚 焦技术更为稳健。试验分三个步骤完成： 声源向反射体所在的介质中发射宽带脉冲，称为“前向”传输； 时反镜各阵元采集并存储目标反射回来的声压； 时反镜各阵元将存储的信号时反后重新发射，称为“反向”传输。 t r m 在超声中的真正实用性应用是f i n k t ”j 在1 9 9 2 年进行的t r m 粉碎 肾结石的试验。另外，t r m 技术还应用于超声检测和成像中，可以克服介质 存在的不均匀性所引起的相差畸变和波形、图像失真。现在，超声t r a 已应 用到实际的工业生产和医学领域。 国内t r a 超声技术的研究起步较晚，中国科学院声学研究所在汪承灏院 士【1 8 - 2 3 领导下先后进行了流体、固体、分层介质及弯曲表面等介质中时反镜 自适应聚焦和检测的理论、实验研究。并研制了数字式时问反转系统。研究 验证了时间反转镜在不需要阵列配置和介质先验知识的情况下可实现自聚 焦，为实际的时间反转镜系统分析和设计提供了物理基础和依据。 哈尔滨 程人学硕士学位论文 自上世纪八十年代末以来，在水声t r a 方砸进行深入研究的代表人物有 美国华盛顿大学海洋与渔业科学院应用物理实验室的d a v i drd o w l i n g 2 4 - 2 8 1 ， 以及美国加利福尼亚大学海洋学院海洋物理实验室的wa k u p e l ? m a n 【2 9 _ ”】。 d o m i n g 教授对t r m 应用于水声作了定义和基本的理论分析p t ，并对各种不 同阵型的t r m 技术进行了理论推导，并首先提出被动式时问反转镜口”。 k u p e r m a n 和d o w l i n g 教授领导的研究群，发表了大量关于时间反转镜技术的 学术论文，取得了可喜的成绩。 1 4 2 时间反转镜技术在水声通信中的应用简介 水声信道是时间弥散的慢衰落信道，能量损失不仅随距离并且随频率增 加而变大，因此其可用带宽只有几千赫兹。海洋信道又属于不平整双界面随 机不均匀介质信道，因而水声信道信息容量小，传播过程中时变、空变及多 途效应严重。信道多途扩展导致码间干扰是水声通信的主要障碍之一。大量 文献通过理论推导及实验证明，时间反转镜技术具有时间压缩性能，即它可 以重组多途信号而抑制码间干扰；且具有空间聚焦性能，即可以减小信道衰 落的影响。这两个特性使t r m 技术在水声通信中有了应用空问。 国内外已对其进行了多次海试并成功的验证了时间反转镜技术。文献 f 3 2 3 6 】将时间反转镜技术应用于包括p s k 、f s k 和o f d m 等水下通信体制， 这些应用中可以称为主动式时间反转镜( a c t i v et i m er e v e r s a lm i r r o r ： a t r m ) 。文献 3 7 3 9 采用了被动时间反转镜( p a s s i v et i m er e v e r s a lm i r r o r ： p t r m ) ，并给出了理论证明，与主动式不同的是被动式时间反转的阵元只需 要接收功能，而不像主动式需要收发合置。最近的试验表明，可以在同样的 距离但不同深度上形成多个聚焦点。这就给多路输入、多路输出 ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ：m i m o ) 声通信的空间编码提供了可能“。 这样，不同的信息可同时送到不同的深度。因此，数据率随不同的深度上探 针源数量的增加而成比例增加。 文献中的通信试验是通过遥控方式在s r a ( s o u r c e r c c e l v ea r r a y ) 和v r a ( v e n i c a lr e c e i v ea r r a y ) 都固定的情况下完成的。传统的主动式时间反转镜， 信号需要往返共发送两次，增加了通信的等待时间，降低了通信速率。同时， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t r m 要求收发合置，增加了发射功率及系统设备的复杂性。因此，主动式时 间反转镜在水声通信中实用性受到了限制。被动式时反镜相对于主动式时反 镜，其最大优势是省去了时反镜阵元收发合置功能，并且单向传输即可实现 时反镜。 k u p e r m a n 等人在美国海军研究机构( o f f i c eo fn a v a lr e s e a r c h ) 的支持 下，在地中海进行了首次t r m 浅海试验”，验证了时反镜时间压缩、空间 聚焦性能的稳健性。中国科学院声学研究所汪承灏院士领导的研究群，对时 间反转法在水声通信中的应用给出了理论和试验研究，验证了时间反转法应 用于水下通信时可降低误码率和提高水下通信距离”。 1 5 本文研究的内容和意义 前面介绍了通信数据传输速率和作用距离之间存在者一定的约束关系， 为突破这个约束，本文采用了新的编码解码体制和信道均衡技术。 p a t t e r n 时延差编码水声通信体制 4 1 4 2 1 采用码元分割，将信息编码技术和 信道编码技术融于信号码元的设计中，使得每个携带信息的基本码元均具有 抗水声多途干扰的能力，能可靠的传输信息。有效地降低了水声信道的多途 干扰影响。文献 4 1 4 2 对单通信信道通信作了研究，本文通过频率分割划分 多个通信信道同时工作，增加通信速率，为建立水声通信网络化打下坚实基 础。最后通过对实测水文仿真研究及湖试，验证p d s 通信体制。 时间反转镜技术具有时间压缩性能，即它可以重组多途信号而抑制码问 干扰；且具有空间聚焦性能，即可以减小信道衰落的影响。将单阵元时f b j 反 转镜技术应用于基于p a t t e r n 时延差编码体制的水声通信中，构成t r m p d s 通信系统。通过本文论述，将证明单阵元t r m p d s 技术对于水下信息网多 节点组网通信，将具有一定实用意义。 本文旨在研究固定节点间的通信，这是实现水下信息网多节点组网通信 的基础，为“十一五”重点项目水下信息网服务。其结构安排如下： 第一章简要介绍了水声通信技术、水声信道特性及时间反转镜技术的发 展与应用，并给出本文所要研究的内容及其意义。 第二章介绍p a t t e r n 时延羞编码水声通信体制。从其编码原理入手讲述了 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单通道、多通道通信方式，给出拷贝相关时延估计译码和多通信信道联合时 延估计译码两种译码方式；介绍了相干重置技术；选取出了多种p r o t e i n 码型 以抑制码间干扰；介绍了p d s 码体制；最后对p d s 体制抑制声信道多途扩 展性能进行了分析。 第三章介绍时间反转镜技术及其在水声通信中的应用。通过试验回顾， 介绍了时反镜的原理并对其性能给与了分析；对时反镜进行了分类：主动式 时间反转镜( a t r m ) 和被动式时间反转镜( p t r m ) ；将被动式时间反转镜 技术应用于p d s 通信体制，构成被动式时反镜p d s 系统；最后给出了各类 时反镜的性能类比分析。 第四章通过计算机仿真和湖试对p d s 通信体制及被动式时反镜在p d s 中的应用效果进行验证。首先通过仿真验证了系统的可行性，然后通过湖试 进一步验证单阵元p t r m p d s 系统在时变、空变声信道中的稳健性，均取得 了很好的效果。 0 哈尔滨，】程大学硕士学位论文 第2 肇p a t t e r n 时延差编码通信体制 2 。1p a t t e r n 霹怒差缜璃邋僖源瑾 2 1 1p d s 体制编码原理 p a t t e m 时延差编码1 4 1 - 4 2 ( p a t t e r nt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g ，简称p d s ) 水 声通信体制，信息并非调制在碣元波形中，而是调制在p a t t e r n 码出现在码元 密豹靖怒差信息中，不强靛时疑差篷代表不鞫静信惑。蚕1 力p a t t e r n 时延差 编码示意图。 图2 1 p a t t e r n 时延整编码不意图 鞫孛f 。表示鞋雩延蓑，为p a t t e r n 鹞塞臻在羁元密懿使置；昂为p a t t e m 璃 脉宽；焉为码元宽度；编码时间正= 矗一昂。若每个码元携带”b r 信息，则 将编码时间均匀分为( 2 ”一1 ) 份，编码量化间隔f = t ( 2 ”一1 ) ，时延差q 为： r e = 女，k = o ，1 ，2 ”一 ( 2 1 ) 不同的时延差值钆代表不同的信息，例如每个码元携带n 2 4 b i t 信息，则 犍绽磋融闻均匀分为1 5 份，萋k = o ，则代袭数字信息“00 00 ”，装k = - 5 ，则 代表数字信息为“0 10 l ”。 系统通信速率为： m v = l 0 9 2 兰+ 1 ) ，毛= ，瓦( 2 - 2 ) 从t 式可以看出，通信速率与码元宽度瓦及每个褐元携带的b i t 信息有 关，鹦元宽度越大翔运信速率越夺：编码爨纯闻疆矗f 越套剡每个褐元携带的 b i t 信息越大，通信速率越高。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了抑制声信遂多途扩展产生的码阚于找，p d s 体制采嗣多穗不嗣 p a t t e r n 确波形来进行码元分割，利用一纽正交的p a t t e m 码作为系统的码元。 若p a t t e r n 码有个，它们相互砸交，每个信息码元占宽，这样相邻的同一 p a a e m 鹳形出现时间间隔为： t 。( 2 - 3 ) 即最大抗多途时延扩展的能力为丁，可很好地抑制码间干扰。 2 1 ，2 多通信倍道p d s 永簿通信编碣 本系统通过频率分割来划分通信信道。将系统带宽等分，每一子频带 对应予一个透信信邋，每个信逶的信源编褊、信道编鹞工作方式燕一样的。 多通信信道同时工作，通信速率相对于单惰道工作提高了v 倍。 每个通信信道均选取互相工e 交的e 种p a t t e m 波形以抑制码间干扰，各通 蔫信道分鬟编码赢，各路编码穰号叠翱发瓣缒去，帮多遥信信道p a t t e r n 对延 差编码倍号可表示为如下形式： 旦 s ( ) = 2 4 ) 葛 式中s 。( f ) 为第k 个通信信道的编码信号。 对于浅海工 乍环境，系统工作频带选取8 t 3 k h z ，均分为4 个子频带即 4 个通信倍遂( i ， i ， i i ，i v ) ，每个信道占用2 k h z 带宽，箕通信速率是蕈 信道通信的4 倍；湖试系统工作频带限制在6 9 k h z ，均分为2 个予频带即2 个通信偿遭，其通体速率是单傣道通信的2 倍。 2 1 3p d s 体制译码原理 p a 持e m 漪廷差缡羁运蔷体捌，在发射鞲利用p a t t e r n 辣净麓对延差谨进行 时延编码，不同的时延差值代寝不同的信息；在接收端采用时延估计技术进 行时延测量译码。 翁褐时阔t 霸p a t t e r n 歉宽弓一定鄯码元宽度瓦一定对，簿个璃元簧携 带的信息量 越大，则通信速率越高，而此时编码量化间隔r 就越小，这就 哈尔淇工程大学硕一b 学位论文 对系统的对延售诗耩度要求越灏。由此可见，时延估计的糖度越离，刚编码 量纯罄a f 可分得越纲，每个粥元所携带的信息量也就越大。 时艇估计技术在水下l q 标定位、被动声呐测距等方面有着广泛的应用， 国内辨提出了各种时延估计算方法，如相关法时延估计f 4 ”、极大镁然对延 嵇计狮”l 、自适反参数估计方法m g - 5 4 等。本文提出相于重置技术豺提高测时 精度，井依于此采用拷贝相关时延估计方法和多通信信道联合时延估计方法 两葺申译鹞方案。 2131 拷贝相关时延估计译碣 拷霓襁关又称为黪本穗关，藏是雳发瓣售号与经营遴传徐整搂毅蕊号求 相关，熟参考信号是发射信号的拷贝( 这墨是p a t t e r n 码) ，在理想条件其在 性能上可咀等价予匹配滤波器，输出具有最大信杂比，其处理增盏由信号的 带宽秘黥宽魏乘菝决定。尽管莲配滤波爨豹浚鑫整杂毙在瑾怒条 每下与信号 波形( 信号能量一定时) 无关，但是实际上选择合适的波形对声呐的工作性 能( 检测能力和测餐性能) 有震要的影响。 拷买禚关器囊乘法器帮积分器组藏，鲡国2 , 2 联汞。 强2 2拷受德关器 p d s 水声通信系统主要包括信源编码、信道编码和译码三犬模块，接收 信号首先经过4 个带通滤波器，然后分别通过拷贝相关器进行译码。其通信 滚疆菇黼2 3 爱示； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图23拷贝相关译码系统框图 213 2 多通信信道联合时延估计译码 针对浅海4 信道通信系统( 系统频带均分为4 份) ，本文提出依据最小均 方误差准则对2 个通信信道联合估计时延的方法，即通信信道i 与信道i i 联 合估计时延，信道i i i 与信道i v 联合估计时延，其译码流程如图2 4 所示。 图2 4多信道联合译码框图 接收机在接收开始时先搜索同步信号，通过相关计算得到相关峰时刻， 以该时刻为基准产生时间窗，在相应的时间窗内接收校正码信号p a t t e r n 并存 储。校正码之后接收到的就是信息码。 图2 5 给出了多通信信道联合时延估计译码框图。 圈2 + 5 雾信逶联台译鹤系统挺辫 设每个通信信道均选取互相正交的5 种p a t t e r n 波形( = 5 ) ，4 通信信道 联合时姬估计译码具体步骤如下： ( 1 ) 、制表： 采用相干重置技术，将存储的校正码波形制表。设通信信道i 接收并存 储的5 个校正码p a t t e r n 分别为p 0 1 1 、p 0 1 2 、p 0 1 3 、p 0 1 4 、p o l 5 ，通信催道i i 接收 并存穗豹5 夺校正秘p a t t e r n 分鞠为p o m 、玛1 1 2 、p 、鹣1 1 4 、p 。每个p a t t e r n 携带n b i t 信息，设时延量化层为f ，则每个p a t t e r n 脉冲延时取值可为0 ， f ，( 2 ”一1 ) a f 。在一个碣元时间间隔内，p o r t 与p o i l l 相对鹿，两者分 裂薅鬣焉叠鸯舞瓣应一兮渡澎，莛有2 ”2 8 静缝合波形，并记录每一个渡髟对 应的两个通信信道的时延，将窀们制表存储( t ij 1 1 ) 。同理，p m 2 与p 0 儿2 相对应 制表( t l ，1 1 2 ) ，p 。1 3 与p o i i 3 相对应制表( t 1 ，n 3 ) p o j 5 与p o i l 5 相对应制表( t u l s ) ， 最终霉翻暹绩信逡 与痞邃珏波形表t 强。对于遽嚣馋遵i l l 与籍遂l v 夯熊 此方法制表t 1 1 i1 v 。 ( 2 1 、通过带通滤波器实现颁分： 繁邋滤波器书。繁宽对应予透信售道 、i 巷戆颧辑，繁逶滤波器垂：荣宽 对应于通信信道i 、i v 总的频带。接收到的信号通过o 后为道倍信道i 和 通信信道i i 的信号叠2 n ( s 1 2 ) ，通过中。后为通信信道i i i 和通信信道的信号 叠摇( s 3 4 ) ，蟊鹭2 ，4 爨示。 f 3 1 、联合时蜒估计： 啃尔滨工程大学硕士学位论文 信息硒波形与棱砸玛之问存在波形相似性，以最小均方误差为准则来联 合佶评对延。 x 。隧弦， 0 毛- 矗7f ， x 。匠匾刁。 0 量2r f瓦 圈2 6 通信倍道i 、i i 的硒元叠加示意图 图2 6 给出了通储信道i 、i i 的码元叠加示意图，下面给出其数学表达式 作醴说明： 毕侥0 总麓簖2 咒，：r l 协s ， n 一1 ， o ， a t ) u 七1 f 十咒， 、3 叫0 i 毒k 篙u 缸 k 皇a x + 耵， 协s ， “”1 ， o ，：一娴：-l ，即 “1 式中氟，= o , 1 ，2 ”- 1 。 通臻信道i 、 i 褐元叠掘x i i i = 五十x 共对痰2 ”x 2 8 种波形，每种波 形对应着两个信道的时延( 月a f ，a v ) ，将波形及对应的时延制表t l l 。 设接收俊号波形s 为p n 、p m 的延时叠加，在表t l i t 中按均方误麓最小准则 搜索最耨近波形，鞠求五f ( s 一置) 2 】最孛萤( 置丑u l ，扣1 , 2 ，2 ”x 2 ”) ，均 方误差最小即最相j 驻波形对应的两个时延夔即为通信倍道i 、i i 的时延差。 2 2 稻- t - 重置技术 在拷贝相关时娥估计中提到用接收到的校正码作为拷贝相关器的参考信 号；在多信道联合对延 鑫诗串撬到了接收存储校正鹞渡形，并铡袭俦为参考 用以译码。这两者应用均称为相干重置技术。 校正码是为修讴多途信号对泽码的影响而设置的。它提供了相干重置参 考渡彩及译码韵对瓤差修正量。每个逶譬德道的较歪龋是5 令选定的p a t t e r n 波形串，它们的代码均为零时她。由同步码给出开窗时撼后，在每s 个窗内( 每 哈尔滨壤l 大学硕士学位论文 个密宽为黝截褒5 鹱信号并存辍剜对应鼢r a m 中。各个窭内采集驰波形作 为相干嚣黉处理的参考信号。 下丽介绍一下相干重置技术克服信道劳途扩展的简单原理。设校正码 p 。经辩洋信道传输至接收枧键到信号r ( o 。出于受到海洋信道手# 瘸，接收 信号，( f ) 波形已不同予发射信号p 。，是多径信号的叠加。在接收端隧，0 ) 作 为参考倍号或进行搏贝相关或进行制表，当与此校正码对应相同p a t t e r n 波形 鲴信息码s 寸) 到达接收端时，在馈道相干时间内，可认为信道对p 。( o 及s ( f ) 中 的p a t t e r n 波形作罱鼹致的，阂肫采焉翡辐干重置技术珥克服信遵多途扩展 干扰影响。 2 3p a t t e r n 码形选取 p d s 通信体制利用码元的多种波形( p a t t e r n ) 来进行码元分割，采用 p a t t e r n 辩延差编羁，朝信息调京