（船舶与海洋工程专业论文）利用舰载声纳大基阵实现多通道分集与均衡.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年采，水声通信技术越来越得到广泛应奔 l ，如水下电报、远程控 制、语音和图像传送等，经出于海洋墩声缤遵是一个对变、频变、空变 的非平稳随参信道，致使水声信道的传输速率低、频率资源利用率有限、 码间干扰严重、谟码率高。 陆蠡挂移动避信系统的发展j 常快速，毯前已经完全实现了数字化， 其中采用了很多先进的通信技术，如各种数字调制技术、扩频技术、抗 干扰技术、纠错技术、加密技术等。翔果将这些技术应瘸到本声通信系 绫中，并使其发挥积极l 乍用是一个非常蠢意义的工作，而能否适应海洋 水声信遵的特点是使得这些工作能否取得成功的关键。 本文正是针对海洋水声信遴的特点，摊述如侮利明謦翦装各海军舰 艇静鹦柱阵、舷侧阵与线阵等声纳的多通道结构，来实现多通道分集、 联合均衡，从而减小多途效应引起的水声通信中的码间干扰，使得陆域 移动遴倍系统中的一些先进技术能够袁此基础上想剿应熙，并为现有的 题标搽测声纳增加水声通信功能提供参考。 美键词：多通道；最大似然估计；判决反馈均衡 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，t h e r eh a sb e e nag r o w i n gi n t e r e s ti nt h eu n d e r w a t e r a c o u s t i c ( u w a ) c o m m u n i c a t i o ni nv a r i o u sa p p l i c a t i o na r e a ss u c ha st e l e m e t r y , r e m o t ec o n t r 0 1 s p e e c ho ri m a g et r a n s m i s s i o n b e c a u s eal a r g ec l a s so fim 砖 c h a n n e l sc a nb ec h a r a c t e r i z e da sr a p i d l yv a r y i n gt i m e ，f r e q u e n c y , s p a c ed i s p e r s i v e c h a n n e l s t h er a t eo ft r a n s m i s s i o ni s1 0 w , a n dt h ee f f i c i e n c yo fb a n d w i d t hi s l i m i t e d ，a n di n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ei sh i g h r e c e n t l yl a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sm a d eg r e a tt e c h n i c a l p r o g r e s s ，ag r e a t d e a lo fn e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，s u c ha sd i g i t a l m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，s p r e a ds p e c t r u m ，i su s e ds u c c e s s f u l l y t or e s o l v ea n dc o m b a tt h ei s i a n dt h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ft h e s ct e c h n i q u e s i ni ) m ac o m m u n i c a t i o nd e p e n d so nc h a r a c t e r i s t i c so f it r ac h a n n e l a tp r e s e n t 1 a r g ea m o u n to fs o n a rw i mg r e a ta r r a yo no u rw a r s h i pi s m u l t i c h a n n e ls t r u c t u r e ，i nt h ep a p e rw ew i l lt a k ea d v a n t a g eo ft h es t r u c t u r et o r e a l i z em u l t i c h a n n e ld i v e r s i t ya n de q u a l i z a t i o na n dr e d u c ei s ii nt h ei ，协 c o m m u n i c a t i o n i th a sa l r e a d yb e e na p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dg o o d r e s u i t so b t a i n e d a t h e o r e t i c a l l yo p t i m a lm u l t i c h a n n e lr e c e i v e rf o ri n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si sd e d v e d a n di t ss u b o p t i m a lv e r s i o n sw i t hl i n e a ra n d d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e ra l ep r e s e n t e d ap r a c t i c a lr e c e i v e rb a s e do na n yo f t h e s es t r u c t u r e se n c o u n t e r sd i 伍c u r i e si nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a r m e l si n w h i c ht h ee x t e n d e dt i m ev a r y i n gm u l t i p a t hi sa c c o m p a n i e db yp h a s ei n s t a b i l i t i e s ar e c e i v e rw h i c ho v e r c o m e st h e s ep r o b l e m sb yj o i n t l yp e r f o r m i n ga d a p t i v em e a n s q u a r e de r r o rd i v e r s i t yc o m b i n i n g ，m u l t i c h a n n e lc a r r i e rp h a s es y n c h r o n i z a t i o na n d 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 ni sp r o p o s e d i t sp e r f o r m a n c ei sd e m o n s t r a t e do n t h ee x p e r i m e n t a lt e l e m e t r yd a t af r o md e e pa n ds h a l l o ww a t e rl o n gr a n g ea c o u s t i c c h a n n e l s p r e s e n t e dr e s u l t si n d i c a t es u p e r i o rq u a l i t yo fc o h e r e n tp s ka n dq a m r e c e p t i o no b t a i n e dt h r o u g h j o i n te q u a l i z a t i o no f v e r yf e wc h a n n e l s k e yw o r d s ：m u l t i c h a n n e l ；m l s e ；d f e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。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集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孙笔 日期：砂年，2 月j ) 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 窳声暹售是弱遥声波在承- f ( 变要在海洋孛) 实现薅惑交羧戆一耱方法。 它符合通信系统的一般模型，与陆地移动通信系统相似，水黟通信走过了模 拟通信的阶段，并将进入水声数字通信广泛应用的时期。 近一个世纪以来，邋信技术取褥了巨大鲍进步，从最拐的逛报、电话剿 移动逶餐、卫星通信，通信技术豹教聂对人类的生产、生活产生了深远垂鲁影 响。与无线电通信相比，水下无线通信显得尤其落后。 近年米海洋资源的开发逐渐引起各国的高度关注，水下资源的争夺日渐 激爨，箕审承下缤悫戆获取窝交换怒罄举是轻黧鹣撵蘑。承下逶售露瑷糕麓 光纤和电缆实现有线通信，大型的固定平台和通信骨干网络可以采用这种方 式，但是对于活动的平窃要想实现水声通信就受刹更大的约荣，例如水下潜 艇闻通信。在军事方程，信感化对战争斡意义越来越重大，对予痰下战场l 嚣 言承下信患的控制权基有重要的簸旗地位，承下通信是水下信息纯的基础， 受到海军的高度重视。f r o n t 计划魑蹩国n o p p 的计划，用于水声通信、水下 网络传输及海军其它使命n ”。s e a w e b 是用于支撑f r o n t 的实验计划，目前融 投入痤瘸瓣是s e a w e b - - 3 褰s e a w e b - - 4 系统。 水下通信除了是水下作战的关键技术之外，藏它的应用也很广泛。水下 声波通信猩不少民用领域普遍使用，例如：海洋污染监控，海上石油工业远 程控铡，海洋实验数攒采集，对海赡嫒器人控割嚣等。 水声通信豹基本潦理冤强1 1 ”，接收、发射换能器取代了无线电通信 中的接收、发射天线。换能器是水中无线发射、接收声波信号的传感器，铝 可以把电傣号转换成机械振动的声波，也可以把声波的机械振动信号转换成 了毒嚣受簸瑾懿电番芍。挨憝器在发射声波信号鹣辩蔟圣# 隽彀声转挨静装嚣 要求大功窜输出，需娶j 莲行阻抗匹酉已设计。与此同时为了满足通信要求，逐 要对换能器的频带范围、频率响应特性进行设计。为了满足通信要求，通常 在售号浆设计上要掇瓣挨齄器静频零豌应特性逡嚣疆枣 偿。 信源编码的目豹楚囊掉信息的冗余度，压缩倍源的数码率，提高信道的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传输效率；信道编码的目的是通过对数字信号进行适当编码( 如卷积编码等) ， 增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输 质量；调制部分的作用是使经过信道编码后的符号能在适当的频段传输。所 谓调制，是指用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参 量随基带信号的变化而变化。调制方式主要包括幅度键控，频移键控，相移 键控及其改进，变形或分支。各种调制方式其实现方法各不相同，但都具有 以下基本作用：( 1 ) 将基带信号的频谱搬移到载频附近，以适应信道频带的要 求和便于发送与接收；( 2 ) 实现信道的复用，即在一个信道中同时传输多路信 息符号；( 3 ) 利用信号带宽和信噪比的互换性提高通信系统的抗干扰性能。 信息通过编码、调制后由换能器将电信号转换成了声波信号，声波经水 中信道传输发生了时间扩展、频率扩展和受到噪声的影响到达接收换能器。 经过接收换能器的声电转换、接收信号的放大处理，通过数字信号处理的办 法补偿接收信号由于信道的作用造成的失真，然后再恢复信息。传统的模拟 通信则不能够对信道造成的接收信号失真进行补偿。 一厂工 l 干扰p 叫水声信道i 一丁 图1 1 水声通信基本原理 声波在水中传输的过程中发生了严重的失真，为了达到更高的通信速率 和更好的稳健性、可靠性，人们研究出了适应不同通信情况的通信系统设计， 追求高效率、高稳健、高可靠是研究的重点。 1 2 水声信道的特点 一般来说，海洋水声性道均被认为是一个随参信道，尽管陆地移动通信 信道的很多特性与海洋水声信道的特性相吻合，但并不是所有的陆地移动通 信系统的通信策略均能够成功地应用到海洋水声信道。伴随海洋水声信道的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 严重的多径传播和多h 勒效应，将导致数字传输过程中的时延扩展。对于不 阉豹传输售邋，接收售号中的套令时延歉冲霹戆是鬻激熬，氇可缝楚连藏一 片，时延扩葳冒激直观地理解为在一串渡收脉冲中袋大传输时延和最小传输 时延的差值，也就是最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间 的差值( 记j 乍a ，实际上就是脉冲展宽的时间) “1 。菪发送的脉冲宽度为| r ， 樊l 蔹狡信号瓣宽度惫f a 。在鼗字簧输审，壶手融惩扩震，接浚僖号孛一个 码元的波形会扩展到其它硝元周期中，从而引起码问串扰( 或称硝间干扰) 。 为了避免码间干扰，应使粥元周期大于多径效应引起的时延扩展a 或者等效 熄濂玛元速窭，j 、子时廷扩建夔倒数。实际上由予承声薅遂赞输环凌+ 分复 杂，在不同的地域、不同的地点、甚至不同的时闯，辩延均不尽稍赫，因丽 要定量的给出时延的值，烈能是大量实测量数据的统计平均。正怒由于多径 效应导致的对延扩展使得麓速桓于数字i 黥信技术在海洋水声信道的应用非常 瓣难，茏葵在零平链终上多径传撵菲露严差，萁嚣聚敬使在运距离信遒瞻应 上跨越数十个码元间隔，从而使得在陆地移动通信系统中用来降低由于多径 传播( 一般不会超过2 到3 个码元间隔) 造成的碱间干扰的信遒均衡技术 在海洋瘩声镶遂孛缀难牧瑟| 鞭蘩豹效鬃。秘镬在被认必浚毒或较少窭瑷薅延 扩展造成的礴闻干扰的垂纛链路上，可纛的相干水下道信也是一个艰巨的挑 战。 水声通信怒以水为传输媒介进季亍运储，靼声波的传输要铡薅水下声信道。 承声信道特彀 常复杂，一般来漭其存多途、色散、辩变、空交、环境噪声 黼、信道带宽窄、多普勒频移影响大等特性。水介质具有独特的上、下界面 特性，并且水介质本身并不是均匀的，例如：含沙爨，盐度等，使得声音的 锩李蓦速率在承中其毒分层分蠢缍鞠。这耪复杂戆羡遴垮j 蹙菠褥声波信号在黄 输过程中形成复杂的发射、折射和散射现象。对通信来说，水声倍道的关键 问题如下： ( 1 ) 、带爨有限 ( 2 ) 、严麓静多途扩展 ( 3 ) 、传播衰减大 ( 4 ) 、各种噪声大。 咯零滨工程大学硬士学位论文 水声信道带宽受限的重要原因是海洋中水声僚号的吸收损失，它与水声 信号的频率有着密切的联系，见图1 2 m ，它说明了水声传播躐离与频率和 售嗓毙戆关系；水声信邋警宽受羧戆羯一个原因是受表声挟能嚣劳宽瓣浆刳。 声波随频率的升高单位距离内的衰减损耗越大，在通信距离和频带的选择上 要豁中考虑。因诧，在中远距离永声通信中只采用低鞭零声遴信，霹稠爝 的频带带宽很窄。尽管信道带宽窄限制了水声通信速率，低频段通信仍然是 其裔实用前景的。 嘻 w 姑 棼 璐 图1 2 频率、距离和s n r 之间的关系 永声僚遴赛谣的影稿使得声波在水中传播会笈生多裰效应，舔：倍号秩 发射换能嚣出发后在接收水听器处会接收到经多条路径传播的信号，见图 1 3 为水声多径传播示意图。多数情况下水底是不平垣的，不间的水中物体 反射声波的能力怒不一样的，但是多个数射信号经常会爨加在一起，多经傣 号到达接收端。多径效臌使接收端信号发生时间扩展，遂一现缘在浅水环境 孛专分严繁。 浅水区域近距离也会存在多径效应引起的严熏时间扩展。不同路径到达 接收梳的路程长度是不阂静，这样不潜路径信号的蜀达时间也不同，造成了 不同路径信号到达初相不同，这样在接收端会产生严重的多径于涉，侵信号 脉冲拉长、顶部怒伏，相邻的弼字重迭，从而形成严重的码间干扰i s i 。i s i 会最终导致误码率) 上舞，黪低了逶售可靠挫。邋鬻豹微法是为7 搀秘多径 引起的时间扩展就要增加符号持续时间并在相邻符号之间留有保护时间，减 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ 叫_ _ _ _ _ _ _ _ i l i l i 小i s i 的影响，从而降低b e r 。这样通信的速率就会下降，这也是水声通信 相对无线电通信速率较低的原因之一。 瑟i 3永声多径传播示意图 东声信遴爨各耱噪声深会产生严黧静背景予撬，铡热零蠹鹃波浪、行艇、 水下设备运转、水中的生物活动等等郝会带来大量啜声。这些噪声能量大部 分集中在低频部分，因此通过选取适当的频带可以尽嫩避免低频噪声的影响。 不规则的噪声会影响接收信号的信嗓眈s n r ，不同的水声通信调制方式对s n r 静簧求愚不一样酶。较低静s n r 辩承声逶傣信譬来说氇楚极为不利的，在设 计邋售系统款慰侯要考虑s n r 的澎螅。 声波在水中的传播速率较低，声音在海水中的传播速度约为 c = 1 5 0 0 m s ，比光在空气中的传播速度低了5 个数量级。当收发双方在通 信邋程中发生了藕对运渤时，信臀至l 这接收视会发垒多普勒扩震。多普赣扩 展逡残时闯选择蛙衰落锼褥信号懿包终失爽。帮使收发双方未发生攘对运动， 水耐波浪的运动、和水声信道中的暗流都会造成多普勒扩展。每条路径的声 波缀过表面的反射到达接收端都会发生不同的多普勒频移，这些多径的信号 到遮接收端叠加在超使得信号发生了多酱勒扩展，郦信号的频谱在中心频 率薅铡发生7 扩爨。发生多酱载扩展鹣结爨是接收信号稳当子发射信号在跨 闽尺度上有了伸缩变化，多普勒的影响使褥信号豹频繁移动，月时被展宽， 即所谓频率弥散，时间上表现成包络失真。不同的调制方式对多普勒扩展的 容忍程度是不问的，接收机如果不迸行适当的补偿处理的话，会产生严麓的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ - - _ l l l _ j _ i _ _ - - l _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - l _ l i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - _ l i l _ _ 谡码。接收机在补偿之前必须能够估计出多普勒扩展的大小，使这个估计误 差在系统戆够忍受弱范匿之内，采取麓效熬李 偿接壤恢复包络。 下图l 。4 为经过信道传播后信号波形的变化。 发射波形 02 0 000 3 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 0 t l 肿( m ”_ _ 0 警波彤 一 _ 7 1 一”一 一 o2 0 04 0 0 曩日 d1 鼎】01 2 日口1 4 j o t i c ( m s ) 图1 。4 发射信号和接收信号的波形对比 1 3 水声通信斡发展状猛 水声通信的历史可以追溯到1 9 世纪初期，1 9 1 4 年水声电报系统研制成 功，这可以蓉作是水下无线通信的雏形。到了第二次世界的大战以后，水声 遴倍又发曩弱了瘩下耄话狳蔽。奏歪鸯霞嚣徐涯豹承声壤援逶售爨蠛在二羧 之后，系统采用了调制技术，用于潜艇间的通信，儇楚这时的通饼并没有抵 带4 信道引起失真的能力。 在七十冬代泰以翦，缀少骞承声调剃技术戆公开缀道，丽且这些永声模 羧道信系统也光法减少信邋衰落所带来的信号失真。隧着无线电邋信技术的 发展，水声通信也向着数字化方向发展。数字通信系统的主要好处就是可以 补偿水声信道的影响。文献m 总结了近些年国外豹水声逶信发展的状况，给出 了_ l 藿些年蓍努纛辐于与；荽秘于零声遥绩遴信技拳懿发疑穰嚣。 目前国外水声通信的发展已经取得艇著成果，这主要体现在水声m o d e m 的商品化，应用较多的有美国的b e n t h o s 、l i n k q u e s t 公司的产品。 薰蠹戆水声逶售磅究掇辩鏊步 要落聚一些，哈尔演王程大学、溪愆丈学、 6 1 5 0 5 1 0 o 粤喜善对王 哈尔滨工程大学硕士学位论文 西北工业大学、上海交通大学等高校和7 1 5 所等单位也都进行过水声通信的 大量研究。 随着国内外对于水声通信的研究越来越重视，许多院校和机构纷纷加入 研究行列，并且在这方面已取得不少成果。但是与水声m o d e m 的产品化还有 着相当长的距离。 大家主要是根据水声信道本身的特点来开展水声通信技术研究。当前的 研究热点有如下： ( 1 ) 、时间反转技术“”： 该技术应用于水声通信为克服水声信道的复杂性提供了良好的解决途 径。对于复杂的多途传播环境，不必了解其传输特性，只要对接收基阵t r m ( t i m er e v e r s a lm i r r o r ，t r m ) 实际接收的声场数据按时间反转的形式重 发，则在声源处就会形成声能的聚焦。由于时间反转相当于频谱取共轭。 所以“时反”有时也称为“相位共轭”或简称“相轭”。我们可以无须知 道信道特性，无须作信道均衡处理就能避免不均匀信遭的影响。在双程传 输的过程中，只要信道的传输函数未发生变化，则由信道本身实现的匹配 将是非常有效的。多径成分都将成为匹配输出中的0 延迟分量而实现了重 组。 ( 2 ) 、扩频通信技术m ： 扩频通信可以抑制水声信道严重的多径传播效应。从理论上讲，由于 扩频水声通信大大扩展了信号的频谱，可以用来抑制多途效应，虽然完全 抑制多途是困难的，但可在很大程度上缓解其影响。一般的方法是利用扩 频实行多径分离，设法将较强而稳定的有用信号分离出来，而排除其它路 径来的干扰信号：另一种方法是设法将不同路径来的具有不同时延和多普 勒的信号在接收端相干组合起来，合并成较强的有用信号使用r a k e 接收机 实现，这两种方法在扩频通信中都是容易实现的。 由于扩频信号的带宽扩展了，信号的功率谱密度较低，隐蔽性好，难 以被发现和解码，因此具有很低的被截获概率，可以实现隐蔽通信。 扩展的频谱越宽，相关检测或匹配滤波的处理增益越高，抗干扰性能 越强。由于在接收端采用已知的特定的扩频码序列进行相关检测，即使有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同类型信号的干扰，由于不同码间的不相关性，干扰也起不了太大的作用a 同时，给不同用户分配不同码型，并在接收端利用相关检测技术进行 解扩就可以区分不同用户的信号，方便地实现码分多址。 扩频通信的上述优点使其比较适合在水声通信中使用。具体的扩频技 术主要有两种：直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 和跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 。 理论上，d s s s 和f h s s 都能达到同样的性能。但对于多径延迟较大的情 形，d s s s 显得更可靠一些。因为延迟超过一个码片的多径信号会被很好抑 制。而对f h s s 则必需采用快调频方式，这将使带宽大为增加，水声信道是 很难做到的。而且，高速频率综合器的代价也较高。 ( 3 ) 、正交频分复用m ： 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术为抑制多径效应提供了另一种途径。o f d m 把高速信息流调制到多个正交 的子载波上并行传输，这样每个子载波上的符号持续时间增长，从而增强抵 制i s i 的能力。虽然信道总体上是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是对 于每个窄带的子载波来说都是相对平坦的。在每个子载波上进行窄带传输， 信号的带宽小于信道的相干带宽，因此就可以大大消除码间干扰。o f d m 技术 已经成功运用于无线电的民用通信上，其未来应用的潜力巨大。 ( 4 ) 、信道均衡技术n 现代水声通信技术的发展过程中，信道均衡技术载其中扮演着很重要的 角色。利用信道均衡技术来提高水声通信系统的传输速率和频带利用率，已 经成为水声通信的热点技术之。 信道均衡技术主要用来消除由带限时间弥散信道引起的码间干扰( i s i ) 。 均衡技术被分为两个基本类型：线性均衡和非线性均衡。 目前自适应非线性均衡技术是发展方向，包括：判决反馈均衡器( d f e ) ； 采用极大似然估计思想的对信息符号或序列进行检测的方法，即自适应极大 似然序列估计( m l s e ) 。 判决反馈均衡器比线性均衡方法的性能有较大提高，主要是它对信号幅 度畸变有良好补偿性能，并且避免了线性均衡器增强噪声的现象，且这种均 哈尔滨工程大学硕士学位论文 衡器对信号采样的相位不敏感。 自适应极大似然估计方法是在基于维特比( v i t e r b i ) 算法的极大似然估 计的基础上采用自适应信道估计器为序列检测提供信道信息。由于结合了信 道估计技术，使得这一方法更受重视。但是，该方法获得优良性能的同时也 带来了计算量的急剧提高，所以在复杂信道中其应用受到限制。 随着实际应用和大规模数字电路的发展，近年来，自适应均衡技术发展 得很快。如今，自适应均衡技术已经发展到各种类型的均衡器互相借鉴、融 合以及与通信系统的其它环节相互结合的阶段。出现了判决反馈均衡器与极 大似然序列估计方法相纷合的方式、联合判决反馈均衡器与线性预测方法跟 踪衰落信道特性、极大似然序列估计与f i r 滤波器联合工作以及与分集技术相 结合等新方法与新理论。 ( 5 ) 、多路径合成和空间分集技术： 提高通信信号接收可靠性的技术一般包括：均衡、分集和信道编码，这 几种手段可以单独使用，也可以组合使用。均衡技术可以补偿信道多途效应 引起的信道畸变从而减少码间干扰，分集技术则用来补偿信道衰落损耗，而 信道编码是通过在发射信息中加入冗余数据来进行纠错，从而改善通信链路 的性能。 分集是将经过特殊处理( 如均衡) 后的各基元的接收信号进行线性组合m ，。 在接收端取得m 条相互独立的支路信号后，可以通过合并技术来得到分集增 益。对于具体的合并技术来说，通常可分为四类，即选择合并、最大比合并、 等增益合并和开关式合并。 对于多途信道所产生的畸变，自适应均衡器已表现出了较好的抑制能力， 在一定程度上改进了通信系统的性能，然而在当信道衰落很大时，接收端很 容易发生错误。 消除衰变的一个有效途径是采用分集技术，分集技术最初是用于无线电 通信领域中，目前已成为水声通信中较受关注的信号处理技术。分集合技术 与常规的自适应波束形成或其他高分辨率阵列信号处理有很大的不同，它是 充分利用多途传播信号而不是采用某种方式消除它。 分集技术包括频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等等。水声信 道的多途源于一些具有不同到达时间的本征声线，或者由于声源到接收机的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 各声线沿不同途径独立传播。将具有时间弥散性的声线分开并作时间分集， 可以显著提高系统的性能。采用多通道传输就能获得频率分集，但是由于频 率分集往往要求系统具有很宽的频率覆盖，在频带极其受限的水声信道上实 现起来是很困难的。 空间分集的基本思想是：在接收阵列中的各水听器间隔足够远，那么每个 基元接收信号的衰变可认是相互独立的，这意味着所有信道同时衰变的概率 是极低的。在深海中，空间分集往往受到单根声线的单程波动的影响，从而 导致接收信号随空间相千尺寸的变化而变化”1 。 本文主要研究在传统均衡技术基础上与空间分集技术相结合，以达到改 进通信系统性能的目的。 ( 6 ) 、其它调制、解调技术和编码、解码技术等。 1 4 装备情况 国内装备使用的水声通信机是8 0 年代初研制成功的模拟通信机，可以实 现电报、电话、敌我识别、测距等基本的通信功能，这些数据表明其通信速 率较低、通信距离较短。信源大多采用语音信号和电键信号，调制方法采用 单边带调制技术，语音通讯时，为了提高发射机的工作效率、增加作用距离， 采用了幅频分传的技术，这样却导致语音的自然度较差。国外的水声模拟通 信机有：4 0 年代的a n u q c 一2 ，工作在8 1 2 k h z ，采用单边带调制：6 0 年代 取代a n u q c 一2 的a n w q c _ 2 为增加作用距离添加了低频段通信方式；7 0 年代 的a n w q c 一6 。由于水声信道严重的多途效应，致使这些水声模拟通信机的通 信距离受到很大的限制。 水声数字通信方面，国内现处于课题研究和实验阶段，还没有实用的水 声数字通信机装备部队，但在课题研究阶段，如扩频通信等技术方面取得了 较大的科研成果，通信距离可望达到l o o k m 、通信速率可达到5 0 b i t s 、误码 率将控制在1 0 - 3 以内，“十一五”规划中的技术指标还将进一步提高；厦门 大学主持的水声通信相关的8 6 3 课题，已经成功解决了在l o k m 之内水下信号 相互清晰的传递。国外水声数字通信发展较快，目前在研的规模最大的以水 声数字通信为基础的实用水声网络是美国的s e a w e b 网，应用于d a d s ( 自主 式分布传感器系统) ，d a d s 固定布设于水深5 0 3 0 0 m 的海底，传感器节点间 1 0 跨尔滨工程大学硕士学位论文 距2 5 k m ，l 毳过声m o d e m 遂信，试验结暴表明，在浅海惑劣环境条件下蘩l 弱 水声网终在广阔水域可行进行亮质量数据传竣。 目前，袋备我海军舰艇的声纳以目标探测声纳居多，且数字化程度较高， 主豢有圆柱阵声纳、舷侧阵声纳及线阵声纳等，它们均为多通道结构，而通 信声缡蘩零簸于商数字仡转变的过程，毽大多为单邋道绪构、或多通道简单 蒡联结槐、或零用多送遴形成收辑波寒等缝擒。如果能够裂髑多遗逶结梅实 现多通邀分集和联合均擒技术，减小水声邋信中多途效应引起的严踅的娼问 干扰，这将为现有的目标探测声纳增加水声通信功能提供很好的参考，并能 最终实现水声数字通信豹工程应用。 1 5 论文安排 本文针对多途效盥，希凝利用舰虢目标探测声纳的大基阵来实现多通道 分纂处毽积联合均捃，鼠秀渡善多途效痉辩海洋求声信遥静影鞠( 不僵胃戳 减小多途效应的不鄹影响，还可以毒4 用多途效应来增强接收信号) ，继恧窍利 于提高海洋水声信道的传输速率、频带利用率、降低码间于扰i s i ，从然提 高通信质量。 本文豹第二章将阐述一种钟对多通道结构的最佳多邋道接收枫，来实现 多邋道黪分集合劳，以及建立起钤对该接收规鹣最大儆然痔列绩诗( m l s e ) 的估计准则，并以最佳多通道接收机为基础，利用类似予单通道接收机的判 决方法建立次优结构线性判决多通道接收机及其参数选择的准则( 最小均方 误羞l s e ) ；本文的第三章将利桶多通道路构实现联合分榘与均衡的方法， 以及建立透会这耱联合分集与均鬻熬算法，该算法主要要解决多逶遴结构静 输入权矩阵参数的调整期载波相位的恢复；本文的第四章分缨利用姒t l a b 通信仿真工具，选择典型的调制方法和信道模型来实现计算机的仿真。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多通道接收机 2 1 多径衰落 在水声通信中，声波传送过程中由于海底、海面、不均匀水介质等引起 得反射、折射作用，造成声波到达接收机的路径除直达波以外还存在其它多 条路径。可以把这种传播到接收机的多个声波称为多重波，到达接收点的多 重波的传输途径的长度是不同的，再加上反射、折射等因素的影响会使得相 位出现变化，因此相位各不相同，这些多重波相位间的相互关系随着接收机 的移动时刻都在发生变化，这种现象称为衰落。 多重波到达接收机的时间是相互错开的，当到达时间之差比传送信号的 带宽( 数字传送时是码元符号的传送速率) 小得多时，接收电平的变动不会 对传送信号的频率特性产生影响，具有这种特性的衰落称为平坦衰落。当到 达时间之差比传送信号的码元间隔大得多时，也就是说，传送信号的带宽很 宽，到达的时间差不能忽视的场合，多重波的声波与声波之间会出现码间干 扰，成为接收机接收特性恶化的主要原因，这种多重波到达时间引起的衰落 称为多径衰落。 受衰落、邻近信道泄露干扰、同频干扰、噪声污染等因素的影响接收机 的接收质量会严重恶化，如何解决这种恶化是一项重要的课题。目前，解决 衰落及干扰导致的恶化的方法大致有两种途径： ( 1 ) 防止衰落和干扰引起恶化 ( 2 ) 减轻接收差错的影晌 在第一种途径中有分集、扩频技术、控制发射功率、数字调制技术等方 法。提供多个发射点到接收点的声波传播路径，选择质量最好的传送路径接 收，此种方法称之为发射分集；另外，在接收方使用多个传感器接收的方法 称之为接收分集。 扩频技术抗多径就是通过合理的设计系统的参数来分离多径和利用多 径从而改善系统的性能。 发射功率控制是根据接收机的远近来调整发射功率的大小的方法，从而 减轻同频干扰及邻道干扰的干扰信号成分。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数字调制技术，如g m s k 能够有效地抑制带外辐射、降低对邻道的干扰， 第二种减轻接收差错的影响的技术有交织技术、纠错编码技术等。 本文从接收分集的角度来讨论如何利用舰载大基阵的多通道结构实现 多通道接收分集的方法。 2 2 多通道问题的二元检测 为了便于阐述最佳多通道接收机的建立，需要就多个通道同时观察同一 个观察空间的二元检测问题作一个描述m 。 考虑假设： 式中 日。表示有有用信号的假设 z ，0 表示无有用信号的假设 z 为观察向量 y 为信号向量 v 为噪声向量 h l ：z = y + v h o ：z = v z = y = y l y 2 ： y n ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v= u 屹 ： v 假设噪声各分量为高斯随机变量，其一般密度函数p ( z i h ) 对于所有的 j 均是高斯密度函数，由上式讨论通道的二元检测问题。 在假设日。和日。时，如果均值分别是m 。和m 。，即 每个假设的协方差矩阵为 式中 n l 。= e z i h 。 m 。= e z 1 日。】 c 。= 【( z i n 。) ( z n l 。) 7h , j c 。= 【( z n l 。) ( z n l 。) 7 h o 】 应用贝叶斯准则的二元检测问题而推导出的似然比检验，即 于是可以得到 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) h l 坤，= 黜! 叩 ， h o p ( z h j ) = j ! ! 了8 一 ( z m j ，c j ( ) 】，j = 。，l ( 2 石) 2l c 。i 2 仲，2 糕 4 硷尔滨z 程大学磺士学谴论文 霹嚣边取对数，等效梭验秀 式中 ，= 獭叩+ 主( h i e 。i 一抽| c 。| ) 如果缀设嚣；襄峨下，秘方差c ，程c 。耀鞠，鼗 于是似然眈能够写为 c l = c o = c i 1m 。t 。一- i z i 1z c l 擞。+ 吉融；e l m 。+ 丢m i c l z 琶 + 吉z l m 一丢攥钒iy 秘6 由于实际逆方差矩阵是对称的，即 c 一= 祀。芦 实鼯上，由于标量转置等予冀奉蹇，静 ( 2 1 0 ) 9 一 q ， 镊v i ) m z ( c r 、， m一 忙 1 2 一 、j0 m一 位_ o c r )o m 域 一 m cm l 一2 一 b cm z f争矧式 匕 开震 鎏玺鋈三耋盔誊翟圭兰筌鎏奎 z t c 一1 m ，= b c _ 1 m ，) r = m ；( c 。) r z = m ；c 。1 z ，j = o ，l 于是 其中 y = 以+ 主( m i c 。m ，叫瞰；c 。獭。) ( 2 一1 2 ) 出于z 的掰眷各项都农方程弱一边，嚣在另一边剿没鸯，因败充分绞诗 薰f ( z ) 麦 f ( z ) = ( m j m o r ) c 一1 z ( 2 1 3 ) 2 3 最佳多通道接收机 所谓最佳多通道接收机，实际上就是希望利用舰救大基阵的多通道结构， 斑接收到豹多鼹信号有枫翳含势起来，後多途效应荣浓斡不利影曦转抉为有 剃因素，鄄利糟这一效应寒趣强接收爨的有用信鸯鲍麓量，从而降低永声通 信过程中的码问干扰。 我们以声纳基阵的各阵元换能器为腮察点，发射机发射信号数据序列， 镄号经过多令传撵途径抵达溅察焘，与羧承声信号凳瀵孛广泛使愆黪渡素形 成理论相似，所有经过多个反射途径传播过来的信号抵达声纳基阵，形成对 激达途径传播过来的信号的严重干扰，随后这些信号( 含来自于威选与反射 熊信号) 被竣入裂多通道终糖熬接收枧癌，多透遒菝投娥莠不象蕊绫懿渡束 形成那样将运麓反射信号警彳乍干抗来处蠖，而是将逡赎经多个途径传播过来 的信号当作有用信号来处理。 假设一般的信道模型，程该模型中蒸阵有k 个传感器，每个传媒器均能 1 6 妖 曩2 一巩 zp d 班一 r j l陋 晗尔滨工程大学磷士学位论文 接收到来自不同信道传输柬的被噪声污染的信号，信号是由信源编码输出的 数字序歹l 调制予载波上面形成，其摺应豹蒸带形式如下表达式( 2 - 1 4 ) 瘊示。 s ( f ) = d ( n ) g ( t n t ) ( 2 - 1 4 ) 篡中，裔( n ) 凳m 稆璐元侉蠲，9 8 ) 为菜释发送琢；串波形，t 为码元闻隔。如 果以五o ) 为第k 个传感器所观察到的倍道的脉冲响戚( 其中包含了发送滤波 器、以及传输时延和相位偏差) ，在l 。，观察时问内可以认为信道的特性是稳 定不交靛，嚣l 袋感器上接毅爨黪痿号形或磐表运式( 2 - 1 5 ) 掰示。 u k ( t ) = d ( h ) ( f n t ) + v l ( f ) t e t m k 2 1 ，2 ，3 k( 2 1 5 ) w 茭孛，v a t ) 麓独立予数字黟戮 g ( 薛) 痿器瓣零均菹夔瓣砉羹噪声，囊( 2 - 1 5 ) 式 可彪( 0 中并不将多途影响作为噪声予扰对待。 以平面波传播为例，每个传感器接收到的信号均包含多次( 假设p 次) 发射的信号及袁达信号的蹙加，表现焱信道特性五中，如表达式( 2 - 1 6 ) 掰示( 窄带情况) 。 五( ) = 芝白 一( _ j 一1 ) 乃】 ；囊阮。) p 巾廿嶙l p - i = 慨移) b 删e 洲玛 ；岛( f 净制“沸 ( 2 1 6 ) 口。l 其中，丸= 哆= 2 茚鲁，k 为第p 条路强传播的平西波到耜邻两传戆器的时 麓，丸为邻两传感器酶褶镶麓，幺0 ) 为第p 条路径的脉冲响应。 上式表明，对应于某条传播途径p ，其相邻传感器之间的时间麓l ( 相 位差敷) ，因此对第k 个传燧器辑有传掭途径相加后( 芝) ，表现为多途现象。 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 以上式为基础，可以用下试( 2 1 7 ) 来表示多通道的熬体特性。 熟中 毫豫 f 删渺 苞卅。呻 f ( t ) = 垂毒，p ) f ( t ) = z ( f ) 五( f ) ： ( f ) 。苞i 毒- 一仕。啦 f 朋“吮 毒( f ) = 轰) 蠡) 磊 龟越p 一“1 壤 一畔。瞵 褥接收到的傣琴也以向量鹃澎式表示如下( 2 一1 8 ) 掰示。 ( 2 - 1 7 ) u 浮) ：莓烈帕邢卅刀+ “t ) 2 叫f ) + v o ) 假设有傣号时( 4 )( 2 一1 8 ) l v )稷设秃僚号藩( e 、) 篡中，v ( f ) 是商斯白噪声 箕羚方差隽 v ( f ) = v | 魄) v ( f ) 眙尔滨工程大学硕士学位论文 c ，= 知 t ) v ( t ) 】 而输入信号u ，( f ) 用向量表承如下 1 1 f o ) = 豁n 器) “f 2 ( f ) 鲜掰9 ) ( 2 1 9 ) 利用2 2 节所述的的检测方法，假设m 。是有信母时接收到的信号均值， m 。是没有信譬时接收到的信号均值，c l 是有信号时的协方差矩阵，c 。是没 蠢信号簿戆豁方差矩终。 m ，= 【u 。( f ) i q 】 。i 1 羹t + v ( t ) 扭 2 毒t m 肛田疵+ 专聃) 出 = 去乏d 琴啦 ( 2 嘲) m 。= v ( t ) l h 。】 ：丢 v 8 l s 4 a “ = 0 c ，= ( t l e - m ，) 趣。一越，) 7 | 甄j c 。= k 。一