水声通信中双曲调频同步与调制技术研究

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1、厦门大学硕士学位论文水声通信中双曲调频同步与调制技术研究姓名：冯玮申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：许肖梅201106摘要摘要海洋为人类的生存和发展提供了广阔的前景，已成为当今世界的重要话题。水声通信解决水下信息的可靠传输与交换问题，在海洋资源开发、海洋国防安全、地震或海啸预警、海洋环境监测和水下科考等领域都扮演着重要的角色，是海洋信息领域需要解决的关键技术问题。浅海水声信道是迄今为止最为复杂的无线通信信道之一。它固有的时．空．频变以及窄带、高噪、强多途干扰、长传输时延、大随机起伏等特征，使

2、得浅海水声通信系统在有效性和可靠性等通信性能的提高上面临着巨大挑战。本文首先分析了海洋中声波的传播特性及浅海水声信道的主要特点，针对浅海水声信道多途强、起伏大、多普勒效应严重等特点，展开了浅海通信系统中帧同步方法和调制技术的研究。论文分析总结了水声通信帧同步及扩频调制的相关资料，在此基础上提出了一种基于双曲调频(HyperbolicFrequencyModulated，HFM)信号的帧同步方案；以Chirp扩频(ChirpSpreadSpectrum，CSS)技术为基础，将HFM信号应用于调制中，提出一种

3、双曲调频扩频(HFMSpreadSpectrum，HFM．SS)调制方案；最后以LabVlEW8．6为核心平台，配以必要的外围设备，构建了一套点对点的实时水声通信系统。系统在实验室水池和厦门大学水库进行了多次实验。实验结果表明，系统能够在低发射功率的条件下实现稳健可靠的通信。论文的主要工作如下：1．系统介绍了国内外在水声通信技术领域的研究概况，分析了海洋中声波的传播特性、浅海水声信道的主要特点及其对水声通信性能的影响；2．针对浅海水声通信中最为关键的同步问题，开展了浅海水声通信帧同步方法的研究，提出了一种

4、双HFM信号同步方法。分析了水声通信帧同步方法中几种常用的信号及其时频特性和相关的处理方法以及在水声通信帧同步中的应用，提出一种采用相关检测方法的双HFM信号同步法来实现水声通信中的帧同步，并在有多普勒效应的条件下对其性能进行仿真研究；3．针对浅海水声信道特点，开展了浅海水声通信调制技术的研究，提出了双水声通信中双曲调频同步与调制技术研究曲调频扩频(HFM．ss)调制方法。分析总结了应用于水声通信系统中的跳频(FrequencyHopping，FH)扩频和Chirp扩频技术的原理及特点，提出一种基于HFM

5、信号的扩频调制方法，称之为双曲调频扩频调制方法，并在浅海水声信道模型下对其性能进行仿真研究；4．在上述工作基础上，论文以LabVIEW8．6为核心平台，配以必要的外围设备，设计并实现了一套浅海水声信道抗多途通信系统，其中包含了浅海水声实时通信中的关键技术：帧同步方法和调制技术。在实验室水池和厦门大学水库进行了多次实验，取得了良好的测试效果。关键词：水声通信；双曲调频信号；帧同步；多普勒效应；Chirp扩频；双曲调频扩频nAbstractTheocearlprovidesabroadprospegtforp

6、eople’Ssurvivalanddevelopment,whichhasbecomeahottopicinrecentyears．UnderwateracousticcommunicationCOAC)，realizingareliableinformationtransmissionandexchangeintheOCean，playsanimportantpartinvariousapplicationareassuchasexplorationoftheocean，marinenationals

7、ecurity,earthquake，tsunamiearlywarning,marinemonitoringandunderwaterexpedition．Shallowwateracousticchannelisoneofthemostcomplexwirelesscommunicationchannels．Theinherentcharacteristics，suchasspace-time-frequencyvarying，nan'ow-band，high-noise，strongmultipat

8、hinterference，longtransmissiondelay,largefluctuation,etc．，makingeffectivenessandreliabilityperformanceofshallowwateracousticcommunicationfaceenOrmOUSchallenges．Inthisdissertation，thepropagationofsoundinoceanandthech