基于被动时间反转-自编码器的水声通信信号调制识别方法

海洋环境中存在的多径效应会影响水声通信信号的特征,降低调制识别准确率.为了减小多径效应对信号调制识别造成的干扰,本文提出了一种基于被动时间反转-自编码器的信号增强方法.利用水声通信信号中常见的同步信号作为探测信号,实现无外加信号的被动时间反转以及功率谱和平方谱两种频域特征的增强,并设计了卷积神经网络进行调制识别.网络模型经过Bellhop仿真水声信道和少量非测试环境的实测数据进行训练后,在3种与训练环境不同的实际水声信道下测试,所有调制信号识别准确率均高于80%,6种调制信号的平均识别准确率与已有文献中的方法相比至少提高了20个百分点.

基于被动时间反转的差分循环移位扩频水声通信

针对在时变的水声信道中系统的精确同步十分困难,而传统循环移位扩频系统在没有精确同步的条件下,很难准确判决的问题,提出一种差分循环移位扩频水声通信方法.该方法采用差分方式调制,能够在系统粗同步的条件下准确解调信息;在接收端采用被动时间反转方法解调,抑制多径效应产生的影响,并降低系统的复杂度.湖上试验结果表明:所提方法在1.8km的通信距离下实现无误传输;对试验数据附加噪声和同步误差处理后,在信噪比为-8dB、同步误差为5/4移位单元情况下的误码率达到10-5.

时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明:本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。

改进的被动时间反转阵处理水下通信

时间反转技术由于不受环境制约,能自适应实现信道多途压缩和对指定点的空间聚焦,降低多用户通信过程中的码间干扰和同道干扰,广泛应用在水声通信领域。利用垂直阵加权处理的方法,在被动时间反转的基础上增加了一抵消项,抑制其中一个用户在接收阵的接收幅度以达到对另一用户指定通信的目的。模拟仿真显示该方法比单独只用被动时间反转处理,误码率能降低一半。海上试验数据处理结果与模拟仿真基本一致。

基于被动时间反转-卷积神经网络的OFDM水声通信系统研究

水声(Underwater Acoustic,UWA)信道的多径效应和多普勒效应造成正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统接收端符号间干扰和载波间干扰,降低系统性能.构造一种新型的被动时间反转-卷积神经网络(Passive Time Reversal-Convolutional Neural Network,PTR-CNN),并将其应用于OFDM水声通信系统接收端.PTR-CNN网络的构造包括两部分,首先,基于被动时间反转理论削弱多径增强主路径信息能量;其次,将上述输出结果转换成二维矩阵,再输入卷积神经网络中进行信号检测,同时对抗多径和多普勒效应带来的干扰;最后,网络输出直接恢复比特流.仿真和试验结果表明,与目前主流信道估计和信号检测算法相比,所提方法能够提升系统的可靠性,在不同水声信道环境测试中均具有较好的鲁棒性.

水声信号频率对时间反转探测性能的影响

针对在复杂多途浅海环境下对弱目标进行探测这一水声探测领域的研究热点,时间反转(TR)技术拥有广泛的应用前景。基于前人研究,可知利用被动时间反转(PTR)和阵列信号处理(ASP)技术相结合可以进一步提高对弱目标的检测和定位的性能。但在复杂多途浅海环境下,当信号脉宽大于门限脉宽时, TR聚焦的主峰和旁峰会产生混叠,从而导致聚焦峰能量的改变。根据以上现象,文章推导出了PTR信噪比处理增益与声源信号频率的关系,并得到结论:由于TR处理不能完全消除多径效应带来的时延扩展(镜反射之外的声线叠加),对于同一PTR检测系统,其检测性能和定位性能不仅与估计信道适配程度有关,还与声源信号的时域特性(信号频率、脉宽)相关。这一研究结果对TR通信、TR检测,尤其是信源或声源为长脉宽窄带信号的工程应用有一定参考价值。

基于Matlab的时延差编码被动时反转镜水声通信系统仿真实验设计

为让学生掌握Pattern时延差编码(PDS)、被动时间反转镜(PTRM)等水声通信技术,深刻理解多径干扰对深海水声通信系统的影响,将具有很强抗多径干扰能力的PDS技术应用于深海水声通信;将PTRM技术应用于PDS系统,在对抗深海信道多径干扰更具优势;将矢量信号处理技术应用到上述通信系统,以提高系统的输入信噪比(SNR)。结果表明,该通信系统能够在深海多径和低输入SNR情况下,以较低的误码率(BER)及较高的通信速率进行通信。通过深海PTRM-PDS通信系统的仿真,在教学中使学生深入了解技术流程。更加直观体验PTRM-PDS水声通信技术原理及有关过程。

基于被动时反镜技术的FRFT_CSS水声通信系统实验研究

基于分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform,FRFT)的线性调频扩频技术(chirp spread spectrum,CSS)因其具有良好的抗干扰和抗噪声能力而被用于水声通信.在构建的FRFT_CSS系统中,采用被动时间反转镜技术(passivetime reserve mirror,PTRM),以抵抗水声信道严重的多径效应.在保证系统可靠性的同时,提高了码元速率.水池实验表明:基于PTRM的FRFT_CSS系统的性能得到显著提升.

基于被动时反-随机共振的水下弱信号参数优化检测方法

在水下弱信号检测领域中,信道传输中的多径效应与接收信号的低信噪比问题极大地增加了水下弱信号的检测难度。文中基于水声射线理论模型,提出一种基于被动时反-随机共振(PTR-SR)的水下弱信号参数优化检测方法。该方法结合了时间反转与随机共振的优势,利用时反方法将水下多径干扰转换为信号增益,利用随机共振方法将部分噪声能量转移到目标信号中,同时对增益幅值参数Asr进行优化,提升低信噪比环境下接收信号的信噪比增益,并进行了仿真试验分析。仿真结果表明,PTR-SR联合检测方法性能优于传统方法,可有效提升信号输入-输出信噪比增益,并能够在更低信噪比下有效进行微弱信号检测。文中方法可为水下弱信号检测技术提供理论和技术支持。

基于双向判决反馈均衡器的水声通信海试试验研究

将被动时间反转镜(PTRM)技术与双向判决反馈均衡器(DFE)相结合,设计并实现了高可靠性的单载波水声通信解码方案。接收端采用PTRM压缩信道多途结构,聚焦信号能量;利用双向DFE将传统DFE和反向DFE输出结果合并,进一步降低错误判决的概率,提高系统稳健性。在时不变浅海水声信道环境中,开展的水声通信试验数据处理结果表明:与传统DFE相比,双向DFE能够获得一定的处理增益,5 km、7 km和10 km通信距离上的均衡后输出信噪比分别提高了2.74 d B、2.36 d B和1.54 d B,有效改善了解码性能。

水声FBMC通信的双向判决反馈均衡研究

现有的滤波器组多载波调制(FBMC)水声通信受到稀疏信道和环境噪声的影响,存在着误码率高的问题,判决反馈均衡器对于水声FBMC的接收信号有着一定的均衡效果;但是,判决反馈均衡仍存在着误码扩展的问题。本文提出了被动时间反转和双向判决反馈均衡联合的均衡方法,能够有效压缩稀疏信道长度,减少误码扩展。仿真结果表明,相比于被动时间反转和判决反馈联合的均衡方法,本文方法对于水声FBMC通信系统接收端信号的复原效果有着较大的提升。

垂直线列阵结构对PTRM阵处理空间增益的影响

水声信道多径的复杂性使得被动时间反转镜(PTRM)技术成为一大研究热点。该文推导了多阵元PTRM原理表达式,在此基础上给出了PTRM阵处理获得空间增益的机理,首次从理论上分析了垂直线列阵结构对PTRM阵处理空间增益的影响,并通过计算机仿真验证了理论分析,结果表明,PTRM阵处理空间增益随着阵元数目的增加而得到提高;当阵元间距足够大时(大于半个波长,使噪声不相关),阵元间距对PTRM阵处理的空间增益没有明显影响,此时影响到通信质量的主要是信噪比。

循环移位扩频多用户水声通信

针对现有直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)水声通信数据率低且接收复杂度高的问题,提出循环移位扩频多用户通信方法。通过基于M元调制的循环移位扩频技术来有效提高每个用户的数据率,相对DS-CDMA有着更高的带宽效率;利用被动时间反转技术抑制各用户之间的码间干扰和同信道干扰,复杂度低;利用扩频码之间的准正交性提高处理增益。湖上实验研究结果表明在浅水5.27 km距离且复杂多径干扰条件下,利用所提方法可实现10^(-2)~10^(-4)的误码率并实现6用户通信,通信速率可达39 bit/s。

基于分频带传输的单载波水声通信技术研究

针对正交频分复用技术的峰均功率比较高且对多普勒频偏敏感等问题,提出基于分频带传输的单载波水声通信技术,为水下高速通信领域提供了一种可行性方案。该方案将相对较宽的通信频带划分为若干子带,在每个子带间插入保护频带,以消除载波间干扰。开展了水声通信试验,发射换能器频带被划分为两个子频带,每个子带带宽为2.25 k Hz,子频带保护间隔为0.75 k Hz,载波频率分别为3 k Hz和6 k Hz.采用被动时间反转镜联合判决反馈均衡器的接收机结构抑制码间干扰,当映射方式为8相移键控时,3 km、5 km和7 km距离上的试验数据均实现了通信速率为9 kbit/s的低误码率数据传输,验证了该系统的稳健性。

基于PTRM与DS技术通信均衡性能研究

传统的声通信信道中由于伴随着多径扩展，从而使得对通信信号的接收产生了严重的时间展开，以至于信道中出现码间干扰。提出基于被动时间反转镜PTRM和直扩DS系统的信道均衡处理和通信系统构建方法。通过PTRM技术实现对信道的有效估计，调整通信信息传输中接收阵元的多径分量，探测信号对水声信道进行估计，结合DS系统具有较强的抗多径干扰的能力，构建了PTRM直扩通信系统。仿真结果表明：PTRM与DS结合使用的均衡效果，比单纯使用DS或PTRM要好，DS可以有效地消除PTRM处理后残余的码间干扰，使均衡效果近似理想水平，误码率在同等条件下比单纯使用DS技术或PTRM技术通信误码率降低了11%~40%，误码率可达为0。

码头环境下基于组合阵的高分辨噪声源聚焦定位

针对码头测试中噪声源定位受到多途效应影响的问题,本文提出了一种码头环境下基于组合阵列的高分辨噪声源近场聚焦定位方法。该方法采用在均匀声压阵中配置矢量传感器的基阵形式,充分利用多途信道信息生成与实际码头信道声传播特性相匹配的空间聚焦波束;结合被动时间反转技术得到更尖的聚焦峰和更强的背景抑制能力;同时引入最差性能优化思想减小了各种失配误差引起的高分辨聚焦定位方法性能下降。仿真和水池试验结果表明该方法在码头复杂声场环境下可以实现噪声源高分辨聚焦定位,且具有较强稳健性。

基于MSS-PDS和单阵元PTRM信道均衡的深海远程水声通信方案

为了提高水声通信的性能,提出了一种联合运用 M 元扩频(MSS)通信和 Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,并采用单阵元被动式时间反转镜(PTRM)来实现声信道均衡的深海远程水声通信方案。该方案的 M 元扩频-Pattern 时延差编码通信技术既能胜任远程水声通信,又能提高通信速率;单阵元被动式时间反转镜信道均衡技术既可抑制多途扩展产生的码间干扰,又能提高信噪比。根据深海声道特性分析,该方案将通信固定节点置于声道轴以获取会聚增益,提高通信距离。计算机仿真结果证明,所提出的深海远程水声通信方案具有很好的鲁棒性和可行性。

基于自适应比特调制的无线通信信道均衡算法

5G无线通信信道受到空间介质多途效应的影响,容易产生码间干扰,导致无线通信信道的均衡性不好,误码较多.为了提高5G无线通信质量,提出了一种基于自适应比特调制的无线通信信道均衡算法.根据无线通信信道的多途时变衰落特性构造信道模型,采用被动时间镜翻转技术重组多径无线通信信号,利用各多径信号的能量聚焦特性抑制码间干扰,实现信道输出端无线通信信号在同时刻同相位叠加;采用自适应比特序列调制方法获得通信信道的聚焦增益,对接收信号以波特率进行采样,使得调制脉冲冲激响应在时域和频域上同时得到扩展,实现信道均衡.仿真结果表明,采用该算法进行5G无线通信信道均衡设计,能有效抑制码间干扰,提高信号输出增益,降低通信的误码率,改善了通信质量.