水声扩频通信重要科技研究

《水声扩频通信重要科技研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、水声扩频通信重要科技研究第1章绪论1.1引言随着社会的发展，人们对海洋资源的开发日渐深入，越来越多的行业发现水下无线通信的重要性，这其中包括：石油工业、环境监测、海底地形探测、潜水员对话、科学研究以及新能源开发等各个领域。同时，随着国际形势的风云激荡，军事国防对水下无线可靠通信的需求也迫在眉睫。水面舰只、潜艇、水雷、AUV和UUV之间的联合作战能力完全依赖于他们之间的高效、可靠的通信[1]。在空间无线通信领域，信号的传输的媒介是无线电波；在水下通信领域，信号传输的媒介通常是声波。声波并非是进行水下无线信号传输的唯一方法。电磁波在低频（30Hz到300Hz）可以在导电的海水中传播任意远的距离

2、。但这需要大的天线和大的发射功率。光波传输时衰减要小得多，但要受散射的影响。因此，光信号的传输要求细激光束的指向异常精确。但激光技术的实际应用仍在完善之中，因此，声波仍是水下进行无线通信时的最佳选择。但同时人们也发现，水声信道是迄今为止难度最大的无线信道之一。因为海水介质对声波的传播损失随着频率的增加而成幂次方增长，对高频的衰减非常严重。它有着很窄的传输带宽，通过对全球各深海海域数据提取，分析计算认为传输信号的中心频率一般为10-30KHz范围内，带宽为5-15KHz为宜，根据传输距离的不同选取不同的中心频率和带宽。海洋介质的复杂性是由于其中包括气泡、层流、湍流、内波、涡流、各种海洋噪声和

3、生物噪声。它会产生声吸收和声起伏的现象，还会造成多途、多普勒和时变衰落。使通信性能极大地偏离人们理论分析所得的结果，致使水声通信设备比无线通信设备复杂的多[2][3]。当前水声通信的研究重点通常集中在中近程通信系统实现上，而对80km以上水声远程通信而言，研究的不够深入。水声远程通信的主要难点是，接收端信号的低信噪比和强多途干扰，因此必须寻求一种在低信噪比及存在多径扩展的复杂信道情况下，仍可保证一定通信速率的可靠信息传输技术。扩频技术由于具有：抗干扰能力强，低截获概率，保密性高等优点，是远程、保密军用通信的首选技术。采用水声信号处理中最可靠的相关处理、RAKE接收机抗信道的多途衰落、多普勒

4、搜索补偿等技术保证复杂水声环境下的通信的可靠性。扩频技术，经过多年的研究和发展，已经逐渐成为一种成熟的通信技术，并在民用和军用等多个领域中得到应用。但是随着其它新技术的出现，如多载波技术，MIMO技术，混沌序列等，扩频技术与新技术的结合又成为新的研究热点，受到扩频研究人员的关注。尤其在水声信道这种复杂的无线信道需要多种技术的有机结合来克服信道对信息传输造成的严重影响。考虑到以上各种因素，本文主要研究了水声扩频通信的若干关键技术。1.2发展水声通信所面临的主要挑战一、水声信道有限的带宽。虽然实际水声信号可以达到上百KHz，但实际水声通信能用的信号频率通常位于20KHz以下。二、水声信道是双选

5、择性衰落信道，包括时间选择性（多普勒扩展）和频率选择性（时延扩展）。水声信道的这个特点成为阻碍发展高效水声通信技术的主要障碍。三、虽然很多研究人员致力于水声信道模型的建立[4-9]，但却很难找到一种通用的水声信道模型。水声信道模型的建立需要考虑很多的物理因素：水深、声速、温度、海水盐度和海底、海面的各种反射等，因此，无线通信领域中广泛使用的信道假设模型并不适用于水声信道。四、水声信道的时变特性。由于信道的时变性和声波较慢的传播速度，无法实时在信号发射端取得信道的状态信息。在水声通信里，无线通信中的已知信道状态信息的假设不成立[10][11]。1.3水声信道的特征水下的声传播主要由传播损失、

6、噪声及信道的时变和空变性决定。其中传播损失和噪声是可获得的带宽、距离和信噪比的决定因素。时变多途性影响信号的设计和处理，并且导致系统性能严格受限。严重的时延扩展造成时变的频率选择性衰落；与频率相关的传播损失造成有效的信号带宽非常有限；另外，在无线通信领域里常用的窄带假设，在水声通信中已不再成立，因为信号带宽不再是远小于载波的中心频率。图1.1是浅海水声信道环境，除直达声外，信号经过海底海面的反射形成多个路径信号。图1.2给出的是深海的信道冲激响应图[12]。信道响应的时变性是由于环境的波动和收发双方的运动造成的。水声信道与无线信道最大的区别在于：水声信道本身的不确定性和时变性。正因为如此，

7、许多在无线信道中的信道模型在水声通信中不再适用。第2章水声扩频通信同步技术2.1引言扩频通信以其抗干扰能力强，且可以工作在强噪声环境下，因而得到了广泛的应用。但扩频通信是以扩展信号带宽来获得抗干扰能力的提高，在带宽受限的环境中，尤其是水声信道，由于不能提供较宽的频带，因而其通信速率就受到了限制。于是高效扩频的概念被提出，如多进制正交码扩频技术[65]。同时考虑到水声信道的时-空-频变的特性，本文提出一种M-ary正交调制