单矢量水听器OFDM水声通信技术实验
- 格式：pdf
- 大小：486.41 KB
- 文档页数：6
文档推荐
-
一种新型MEMS矢量水听器的设计页数:4
-
13型压电复合材料矢量水听器页数:62
-
压电式MEMS仿生结构矢量水听器设计 开题报告页数:14
-
矢量水听器研究背景及发展现状页数:8
下载文档原格式
合集下载
认知水声通信系统中OFDM技术的应用
网络通信在水下想要采取远程信息传输工作，水声信道是仅能够采用的物质媒介。
其不具备电磁波的大气介质拥有很多的信息通道，而且能够采用的频率范围也不大，在水下所进行的远距离传输，所形成的水声信号会保持在10kHz左右，就算是没有那么严格的要求，水声通道能够使用的频率也不会大于50kHz。
另外，水声通道还属于界面不平整的介质通道，如果要是遭到反射干扰的话，那么就会让能量受到损耗。
近年来，水声通道得到了一定程度的发展，而且很多的技术都已经运用到了水声通信系统里，因此让此系统得到了更好地完善。
那么下面我们就来具体地讨论相关话题。
1.认知水声系统概述认知水声系统所采用的频率和无线电所采用的频率相比还是存在明显的不同。
前者在频率的选择上显得更差，声信号在穿过水声通道以后，让每个频点都能够受到一定的幅度衰减，而之间所存在的“通道”以及“止带”，就如同“梳状滤波器”。
在水声通信期间，要尽可能的防止往止带里传送信息，这样就能够加强信息传递的质量。
认知水声通信系统里不但能够把幅值降低、将通信效果差的频段当作成止带，而且也能够将打扰使用者工作的频带也视作为认知用户的信道止带。
另外，通信频道不允许占据其余设备的频率。
认知水声通信系统一定要随时掌握水下的具体情况，并做好信道估计工作，同时还要给通信止带下一个准确的定义，另外还要让发射端以及接收端都具有很强的适应性，如此一来就能够有效的提升水声通信系统的稳定性。
利用认知水声通信系统，能够对干扰用户的程度进行检测，使用者可以随意在任何频段内工作，这样在加强系统性能的基础上，还能够加强频谱的运用率。
和认知无线电一样，通常把这样能够采用的频谱资源叫做“频谱空间”。
（1）水声信道认知：缓慢是水声通道的特点，而主要让认知水声通信系统能够有效的检测通信质量，同时还要检测并评价该时间内通信质量不好的频段，并了解干扰用户是不是能够出现，对水声信道止带进行有效的定义，在接下来的通信过程中不要在止带中对信息进行传送，这样一来就能够加强系统的平稳性。
一种基于单矢量水听器的多用户水声通信方法[发明专利]
![一种基于单矢量水听器的多用户水声通信方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/c1bb4c3626fff705cd170a85.png)
专利名称：一种基于单矢量水听器的多用户水声通信方法专利类型：发明专利
发明人：杜鹏宇,谭克,王超
申请号：CN202010565081.5
申请日：20200619
公开号：CN111901011A
公开日：
20201106
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于单矢量水听器的多用户水声通信方法，发射端原始信息序列分别经过差分编码和直接序列扩频码后经过载波调制发送出去，接收端矢量水听器输出信号首先进行矢量组合处理，然后对矢量组合后的信号进行时反处理并将时反处理后的信号送入扩频接收机完成当前用户的解码处理，最后利用置零干扰抵消处理将已解码的用户祛除。
本发明的有益效果为：本发明按照功率大小依次对各个用户进行解码，可有效抑制期望用户解码时多址干扰的影响。
当期望用户解码完毕后，利用置零干扰抵消处理将大功率用户剔除，从而保证后续用户解码不受大功率用户的干扰，可有效解决“水下远近效应”问题，从而显著提升水下多用户通信系统性能。
申请人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
地址：311499 浙江省杭州市西湖区留下街道屏峰715号
国籍：CN
代理机构：杭州九洲专利事务所有限公司
代理人：陈继亮
更多信息请下载全文后查看。
一种鲁棒性强的OFDM水声通信系统
(3 State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) (4 Beijing Engineering Tcean Acoustic Equipment, Beijing 100190, China)
符号的多普勒估计。实验结果表明该系统在不同的衰落信道下都能实现正确的跟踪和译码，系统的鲁棒性能
优越。此外，该系统算法计算简单，易于实现，具有良好的工程应用价值。
关键词 多普勒因子估计，信道估计，线性最小均方误差估计，比特交织编码调制技术，正交频分复用系统
中图法分类号: TN929.3
文献标识码: A
636
2019 年 7 月
mean-square error estimator is used to process the pilot data to get the channel estimate. Doppler scale estimation includes Doppler scale estimation of frames and Doppler scale estimation of symbols. The experimental results show that the system can achieve correct tracking and decoding under different fading channels, and the robust performance of the system is superior. In addition, the system algorithm is simple to calculate, easy to implement, and has good engineering application value. Key words Doppler scale estimation, Channel estimation, Linear minimum mean square error estimation, Bit-interleaved coded modulation, Orthogonal frequency division multiplexing system
符号的多普勒估计。实验结果表明该系统在不同的衰落信道下都能实现正确的跟踪和译码，系统的鲁棒性能
优越。此外，该系统算法计算简单，易于实现，具有良好的工程应用价值。
关键词 多普勒因子估计，信道估计，线性最小均方误差估计，比特交织编码调制技术，正交频分复用系统
中图法分类号: TN929.3
文献标识码: A
636
2019 年 7 月
mean-square error estimator is used to process the pilot data to get the channel estimate. Doppler scale estimation includes Doppler scale estimation of frames and Doppler scale estimation of symbols. The experimental results show that the system can achieve correct tracking and decoding under different fading channels, and the robust performance of the system is superior. In addition, the system algorithm is simple to calculate, easy to implement, and has good engineering application value. Key words Doppler scale estimation, Channel estimation, Linear minimum mean square error estimation, Bit-interleaved coded modulation, Orthogonal frequency division multiplexing system
高速水声通信中OFDM的编码、调制技术与应用研究的开题报告
高速水声通信中OFDM的编码、调制技术与应用研究的开题报告摘要：随着深海勘探和海洋资源的开发利用，水声通信作为一种可靠和高效的通信方式，受到越来越多的关注和重视。
在水声通信中，由于频谱资源有限，传统的单载波调制技术（SCM）无法满足高速传输的需求。
而正交频分复用（OFDM）技术作为一种多载波调制技术，可以很好地解决频谱效率低的问题，并且具有抗多径衰落的能力。
本文将研究高速水声通信中OFDM的编码、调制技术及其应用。
本文将首先介绍水声通信的特点以及OFDM技术的概念、原理和优点。
其次，结合水声信道的特点，研究OFDM在水声通信中的应用，探讨OFDM信号的参数设置以及多路复用技术。
然后，对于水声信道中存在的信号衰减和噪声干扰等问题，研究OFDM的编码技术，本文将重点研究低密度奇偶校验（LDPC）码和Turbo码作为OFDM的编码技术，并探索其在水声通信中的效果。
最后，本文将进行实验仿真，分析OFDM在水声通信中的性能和可行性。
本文的研究目的是探索高速水声通信中OFDM的编码、调制技术及其应用，为实现水下高速通信提供技术支持和理论指导，同时为水下资源勘探和海洋生态环境监测等领域提供有力保障。
关键词：水声通信；OFDM；编码技术；调制技术；高速传输Abstract：With the development and utilization of deep-sea exploration and marine resources, underwater acoustic communication, as a reliable and efficient communication method, has received more and more attention. In underwater communication, due to the limited frequency spectrum resources, traditional single-carrier modulation (SCM) technology cannot meet the needs of high-speed transmission. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology, as a multi-carrier modulation technology, can solve the problem of low spectrum efficiency and has the ability to resist multipath fading. This article will study the coding, modulation technology and application of OFDM in high-speed underwater acoustic communication.This article will first introduce the characteristics of underwater acoustic communication and the concept, principle, and advantages of OFDM technology. Secondly, combined with the characteristics of the underwater acoustic channel, the application of OFDM in underwater communication will be researched, exploring the parameter setting of OFDM signals and multiplexing technology. Then, for the problems of signal attenuation and noise interference in the underwater acousticchannel, the coding technology of OFDM will be studied. This article will focus on the Low-Density Parity- Check (LDPC) code and Turbo code as the coding technology of OFDM, and explore their effects in underwater acoustic communication. Finally, this paper will carry out experimental simulations to analyze the performance and feasibility of OFDM in underwater communication.The purpose of this research is to explore the coding, modulation technology and application of OFDM in high-speed underwater acoustic communication, to provide technical support and theoretical guidance for achieving high-speed communication underwater, and to provide powerful guarantees for underwater resource exploration and marine ecological environment monitoring.Keywords: underwater acoustic communication; OFDM; coding technology; modulation technology; high-speed transmission.。
基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法
基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法矢量水听器是一种水下声学探测器，它能够接收并解码水下声源信号的振动信息。
通过矢量水听器可以得到目标在海底中的方位信息，方便水下目标的跟踪和监测。
在实际应用中，由于海水中信号传播的复杂性以及水听器自身的各种误差，水下目标测向仍然是一个具有挑战性的问题。
本文将介绍一种基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法。
1. 矢量水听器的基本原理矢量水听器是由两个或多个水听器组成的阵列，水听器之间相互独立，每个水听器都可以接收到目标声源的信号。
通过对接收到的信号进行分析处理，可以得到目标在海底中的方位信息。
2. 水下目标测向的常用方法常用的水下目标测向方法有双通道测向法、三通道测向法、基于时延算法的测向法、基于矢量合成的测向法等。
3. 基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法，主要是通过对单个水听器接收到的信号的处理，来实现目标的测向。
具体方法如下：（1）获取接收信号的幅度、相位等信息。
（2）通过相位和幅度信息得到瞬时相位差。
（3）对瞬时相位差进行加权处理，以消除水听器自身的误差和海水传播的误差。
（4）通过加权后的瞬时相位差来计算目标的方位角。
（5）采用最小二乘法或者其他算法，对目标的测向角度进行优化。
4. 实验结果分析通过实验结果分析可以得到，基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法，具有测向精度高、系统成本低等优势。
在实际应用中，可以通过该方法来实现水下目标的实时跟踪和监测。
5. 结论本文提出了一种基于矢量水听器单通道瞬时相位差加权的水下目标测向方法，通过实验验证该方法具有测向精度高、系统成本低等优势，可以有效地实现水下目标的跟踪和监测。
在后续的研究中，可以进一步优化该方法，以适应不同应用场景的需求。
单矢量水听器OFDM水声通信技术实验
收稿 日期 ：０ １１—８ ２ １ １１ ． 网络出版 时间：０ ２８６１ ３ ． ２ １ －－ ５：４ 基金项 目： 国家 ８ ３重点基金资助项 目（０ ９ Ａ ９ ６ １ ） 国防基 础 ６ ２０ Ａ ０ ３ ０ － ； ２ 研究基金 资助项 目（ ２ ２ １０ ０ ） 水声 技术重 点实验 室 Ｂ ４ ０ １０ ７ ； 基 金 资助 项 目 （ １０ ２０ ０ ０ ２ ０ ） ９ ４ Ｃ ０ ８ １ Ｃ ０ ４ ． １ １ 作者简介 ： 刘凇佐 （ ９６ ） 男 ， １ ８ 一 ， 博士研究生 ； 乔钢（ ９４ ） 男 ， １７ 一 ， 教授 ， 博士生导师． 通信作者 ： 凇佐 ， — ａｌｌ ｓｎｚ一＠ｈｔ ｉ ｃｍ． 刘 Ｅ ｍ ｉ ｉ ｏｇｕ０ ｏ ｌ ｏ ：ｕ ｍａ ．
文献 研 究 的 基 础 上 ， 究 了 基 于 矢 量 水 听 器 的 研 Ｏ Ｄ 水声通信 技术 ， ＦＭ 首次 提出并设计 了基 于 Ｄ Ｐ和 Ｓ
距离上 、 Ｐ Ｋ调制 、／ ＱＳ １２卷积码编码 、 通信 频带 ４～ Ｈ ８ｋ ｚ的条件下 ， 通信速率达 到 １８ ３ｂ／ ， ７ ｉ ｓ 最终误码率低于 １ ～， ｔ ０ 矢 量 Ｏ Ｄ 比标量 Ｏ Ｄ ＦＭ Ｆ Ｍ水声通 信误 码率 有明显改善．
关键词 ： 水声通信 ； 正交频分 复用 ； 矢量水听器 ； 矢量信号处理 ； 水声调制解调器
可 以恢复 出原始 发送 数据 ． 由此可 知 ， Ｆ Ｍ 技术 的 ＯＤ
调 制解 调 过 程 可 以分 别 由 ＩＦ ／ Ｆ Ｆ Ｔ Ｆ Ｔ来 实 现 ， 用 使 快 速傅里 叶算 法可 以减小 计算 量从 而减少 系统 运行
时间． １ ２ 发射 波形 设计 ．
文献 ［－］ ５ 对基于 Ｏ Ｄ ６ Ｆ Ｍ技术的水声通信 Ｍ — ｏ
文献 研 究 的 基 础 上 ， 究 了 基 于 矢 量 水 听 器 的 研 Ｏ Ｄ 水声通信 技术 ， ＦＭ 首次 提出并设计 了基 于 Ｄ Ｐ和 Ｓ
距离上 、 Ｐ Ｋ调制 、／ ＱＳ １２卷积码编码 、 通信 频带 ４～ Ｈ ８ｋ ｚ的条件下 ， 通信速率达 到 １８ ３ｂ／ ， ７ ｉ ｓ 最终误码率低于 １ ～， ｔ ０ 矢 量 Ｏ Ｄ 比标量 Ｏ Ｄ ＦＭ Ｆ Ｍ水声通 信误 码率 有明显改善．
关键词 ： 水声通信 ； 正交频分 复用 ； 矢量水听器 ； 矢量信号处理 ； 水声调制解调器
可 以恢复 出原始 发送 数据 ． 由此可 知 ， Ｆ Ｍ 技术 的 ＯＤ
调 制解 调 过 程 可 以分 别 由 ＩＦ ／ Ｆ Ｆ Ｔ Ｆ Ｔ来 实 现 ， 用 使 快 速傅里 叶算 法可 以减小 计算 量从 而减少 系统 运行
时间． １ ２ 发射 波形 设计 ．
文献 ［－］ ５ 对基于 Ｏ Ｄ ６ Ｆ Ｍ技术的水声通信 Ｍ — ｏ
基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究
基于单矢量水听器的海洋环境噪声方向性分析方法研究单矢量水听器是一种使用成本较低的水声设备，广泛应用于海洋环境的噪声监测中。
在海洋环境中，噪声的方向性对于大气声学、海洋生物学、海洋地质学等领域的研究都至关重要，因此，研究单矢量水听器在海洋环境噪声方向性中的应用具有重要意义。
在单矢量水听器的应用中，常使用多个水听器共同配合工作，通过水听器之间的距离和信号的差异，可以实现声波到达的方向识别。
在使用中，首先需要确定水听器的位置布局和阵列方向，以确定单矢量水听器的方向响应。
然后，利用信号分析技术，分析从各个方向传来的声波信号，并计算出声源的方向。
具体地说，首先需要获取水听器阵列接收到的声压信号，然后根据空间位置信息对信号进行时延对齐，并对信号进行滤波处理，以消除信号中的杂音和干扰。
在信号处理的基础上，可以使用支持向量机（SVM）、神经网络、模糊逻辑等算法，以从数据中提取方向性信息。
最后，通过机器学习模型，能够快速准确地确定声源的位置，并实现噪声方向性分析。
此外，还需考虑下列因素：受到的噪声影响、水听器的灵敏度和信噪比等因素。
这些因素的影响是不同的。
例如，信噪比低的情况下，可能只有一部分的声波能够被单矢量水听器检测到。
因此，在确定阵列布局和信号处理算法时，需要综合考虑各种因素，以准确识别噪声方向。
总的来说，单矢量水听器在海洋环境噪声方向性分析中的应用具有广泛的前景。
同时，在进行分析时，应综合考虑各种因素，以实现准确方向性分析，为海洋环境研究提供更准确、更全面的数据支持。
海洋环境噪声是指在海洋中传播的各种声波信号，可能来源于海洋工程、运输、船只、生物活动或其他人类活动。
研究这些噪声对海洋生态系统、海底地质环境及人类活动等方面的影响，是当今海洋环境学领域的重点之一。
下面将列出一些相关数据，并进行分析说明。
1. 首尔东海岸近海每月平均声压级和频率分布声压级（dB） 20-30 30-40 40-50 50-60 >601月 15.2 37.8 34.5 11.0 1.52月 14.1 37.9 35.0 11.6 1.43月 13.3 37.3 35.9 12.2 1.34月 13.0 37.1 36.2 12.8 0.95月 13.0 37.1 36.4 12.9 0.66月 17.6 39.2 33.2 9.7 0.47月 16.0 37.5 35.3 10.5 0.78月 14.1 36.5 36.6 11.8 0.99月 13.1 35.7 37.4 12.9 0.910月 12.1 36.2 37.8 13.3 0.611月 13.1 37.7 35.6 12.2 1.412月 14.1 37.6 34.7 11.8 1.8分析：从数据中可以看出，不同季节、不同月份的噪声水平存在较大差异。
OFDM水声通信技术研究的开题报告
OFDM水声通信技术研究的开题报告一、研究背景与意义水声通信技术是一种利用水中传播声波进行通信的技术，其在水下探测、海洋资源开发、海洋科学研究等领域具有广泛的应用前景。
由于水下通信信道的复杂性，如长延迟、高衰减、多路径干扰、杂音等，传统的数字信号处理技术对于水声通信的应用不够有效，因此需要采用OFDM技术来提高水声通信系统的传输性能。
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术是一种多载波调制技术，其利用正交子载波和快速傅里叶变换进行信号的多路传输，能够有效地克服多径干扰和频率失真，提高信号的抗干扰性和传输速率。
因此，利用OFDM技术设计水声通信系统是提高水声通信传输性能的重要途径，具有重要的研究意义和应用价值。
二、研究内容和目标本文主要研究利用OFDM技术进行水声通信的关键技术和实现方法。
具体包括以下内容：1. OFDM技术原理及其在水声通信中的应用；2. 水声通信信道特性分析及其对OFDM系统的影响；3. OFDM水声通信系统的信号处理流程及其关键参数设计；4. 实验验证和性能评估。
本项目的主要目标是设计并实现一个OFDM水声通信系统原型，验证其传输性能并进行性能评估，为实际水声通信系统的设计和应用提供参考。
三、研究方法和步骤1. OFDM技术原理研究对OFDM技术的原理和常用算法进行研究，包括快速傅里叶变换（FFT）、反演快速傅里叶变换（IFFT）等。
2. 水声通信信道特性分析分析水声通信信道的特性，包括衰减、多径干扰、杂波等影响因素，对OFDM系统的影响进行分析。
3. OFDM水声通信系统参数设计根据水声通信信道特性和OFDM技术的原理，确定OFDM水声通信系统的设计参数和信号处理流程，包括子载波数量、带宽分配、调制方式、信道编码等。
4. OFDM水声通信系统实验验证设计并实现OFDM水声通信系统原型，对其传输性能进行实际测试，并对实验结果进行性能评估，包括误码率、比特误差率等指标的测试和分析。
矢量水听器标准装置水声低频计量应用研究
被 测 压 电 陶 瓷 水 听 器 的 接 收 灵 敏 度 Ｍｅ＝ ｅ。 ／ｐ。，是 通过 直接 测 量 被 测 水 听 器 开 路 输 出 电 压 ｅ。 和间接测量作用在水 听器上的实加声压 ｐ 求得参数求 出的。
校准腔
被校矢量水听器 ３ 两 套 标 准 装 置 性 能 比较
收稿 日期 ：２０１５—０７—２５，修 回 日期 ：２０１６一Ｏｌ—ｌ６ 作者筒介 ：卢治强 （１９７８一），男 ，工程师 ，主要研究方向 ：水声计量测试 。
宇航 计测技 术
２０１６矩
装发射换能器 ，被校矢量水听器通过与接收灵敏度 值 已知 的标 准水 听 器 进 行 比较 ，根 据 各 自输 出的 开 路 电压数值可计算 出被校矢 量水听器 的接 收灵敏 度 ，校 准原 理如 图 １所示 。
标准水 听器
通 过对 两 套 标准 装 置 技术 性 能 进行 比较 ，包 括 技术参数、测量范 围、扩展不确定度等 ，可 以得 出它 们之间的优势和局限性 ，具体见表 １和表·２。
表 １ 矢量水听器标准装置性能
图 １ 驻波法校准原理 示意 图
在ｉ贝０量被校矢量水听器 的开路 电压 。 后 ，被
声学性能提供依据 。通 过研究 ，试 图把 “矢量 水听
器标准装 置”拓展用 于传 统压 电陶瓷水 听器 的校 ２．１ 矢量 水听 器低 频校 准原 理
准 ，以弥补用于传统压 电陶瓷水听器校准 的低频水
采 用 “驻 波 法 ”对 矢 量 水 听 器 进 行 校 准 。 · 该
声计量标准装置校准腔体体积小、被测水听器尺寸 方法采用不锈钢管作为校准腔 ，在校准腔 的底部安
关键词 矢量水听器 水声计量 低频 驻波 振动液法 灵敏度
单矢量水听器的目标测向及试验研究
式中， （ ， ａ ｘ ） 为相 位和 幅度 传 递 函数 。
程亚乔 等：单 矢量水听器的 目 标测向及试验研究
１ ． ２ 矢量场振速信号复原
令 矢 量 水 听 器 质 点 振 速 的 笛 卡 儿 坐 标 系 为
Ｏ ｘ ｌ Ｙ ｔ Ｚ ｌ ，罗 盘 的 大地 坐 标 系 为 Ｏ ｘ ２ Ｙ ２ Ｚ ２ 。坐 标 系
矢 量水 听器 声压 通道 的灵 敏度 ）为 参考值 ，计 算 出 各 通道 在 该频 点灵敏 度 的补偿 因子 。 声源 级与 水 听器灵 敏度 的关 系式 如下 ：
Ｉ 一 ２ ０ ｌ ｇ ｒ ＋ 标 ＋ 口 ｌ ＝ ２ ０ １ ｇ
ｌ Ｓ Ｌ 一 ２ ０ １ ｇ ｒ ＋ ０ － ｔ － ａ ２ ＝ ２ ０ １ ｇ ０
Ｍ测＝ ２ ０ １ ｇ ＿ 钡 ４ — ２ ０ ｌ ｇ ＿ 标＋ 标＋ ａ ｌ — ａ ２（ ２ ）
１ ． １ ． பைடு நூலகம்各通 道 相位校 准 在 进行 相位 补偿 时 ，可 以首 先测 出接 收 数据 的
１ 基 于单 矢 量 水 听 器 的方 位 估 计 方 法
基 于 单 矢 量 水 听器 的 目标 测 向主 要 实 现 方 法
矢 量传 感器 同 时 获 取海 洋 声场 中 声 压 和 振速
信 息 ， 具 有 偶 极 子 指 向性 且 与 频 率 无 关 的特 点 ，
效值 己 以及 被测 矢量 水 听器各 个 通道 响应 有效 值
４ ， 利用 标准 水 听器灵 敏度 的灵敏 度 以及 、 ４ 的
依 靠 单 个 矢 量 传 感 器 即 可 完 成 以往 需 要 声 压 阵 才 能 实 现 的 目标 方位 估 计 。 因此 基 于 单 矢 量 传 感 器 的方 位 估 计 问题 是 水 声 信 号 处 理 研 究 的一 个 重 要 领域【 １ ］ 。 经过 二 十 余年 发 展 ，单 矢 量水 听器 方位 估 计 技 术 在 理 论 和 仿 真 研 究方 面 均 取 得 了丰 硕 成
程亚乔 等：单 矢量水听器的 目 标测向及试验研究
１ ． ２ 矢量场振速信号复原
令 矢 量 水 听 器 质 点 振 速 的 笛 卡 儿 坐 标 系 为
Ｏ ｘ ｌ Ｙ ｔ Ｚ ｌ ，罗 盘 的 大地 坐 标 系 为 Ｏ ｘ ２ Ｙ ２ Ｚ ２ 。坐 标 系
矢 量水 听器 声压 通道 的灵 敏度 ）为 参考值 ，计 算 出 各 通道 在 该频 点灵敏 度 的补偿 因子 。 声源 级与 水 听器灵 敏度 的关 系式 如下 ：
Ｉ 一 ２ ０ ｌ ｇ ｒ ＋ 标 ＋ 口 ｌ ＝ ２ ０ １ ｇ
ｌ Ｓ Ｌ 一 ２ ０ １ ｇ ｒ ＋ ０ － ｔ － ａ ２ ＝ ２ ０ １ ｇ ０
Ｍ测＝ ２ ０ １ ｇ ＿ 钡 ４ — ２ ０ ｌ ｇ ＿ 标＋ 标＋ ａ ｌ — ａ ２（ ２ ）
１ ． １ ． பைடு நூலகம்各通 道 相位校 准 在 进行 相位 补偿 时 ，可 以首 先测 出接 收 数据 的
１ 基 于单 矢 量 水 听 器 的方 位 估 计 方 法
基 于 单 矢 量 水 听器 的 目标 测 向主 要 实 现 方 法
矢 量传 感器 同 时 获 取海 洋 声场 中 声 压 和 振速
信 息 ， 具 有 偶 极 子 指 向性 且 与 频 率 无 关 的特 点 ，
效值 己 以及 被测 矢量 水 听器各 个 通道 响应 有效 值
４ ， 利用 标准 水 听器灵 敏度 的灵敏 度 以及 、 ４ 的
依 靠 单 个 矢 量 传 感 器 即 可 完 成 以往 需 要 声 压 阵 才 能 实 现 的 目标 方位 估 计 。 因此 基 于 单 矢 量 传 感 器 的方 位 估 计 问题 是 水 声 信 号 处 理 研 究 的一 个 重 要 领域【 １ ］ 。 经过 二 十 余年 发 展 ，单 矢 量水 听器 方位 估 计 技 术 在 理 论 和 仿 真 研 究方 面 均 取 得 了丰 硕 成
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
e j2 f0
e j2 f1
e j2 fN 1
图 1 OFDM 发射原理框图 Fig.1 The transmitter of OFDM systems
e j2 f0
e j2 f1
e j2 fN 1
图 2 OFDM 接收原理框图 Fig. 2 The receiver of OFDM systems
0.2
归
导频的信道估计方法。根据以往的实验经验，块
状导频的性能随着时间的推移而降低，梳状导频
0
则受到水声信道相干带宽较窄特点的限制，效率
偏低。因此本系统采用块状导频与低密度梳状导
频相结合的方案[11]。
⑤矢量合并。声压和振速进行适当的组合，
单矢量水听器还可以形成多种指向性[9]。经过电
子旋转后，振速传感器的组合指向性 vc 和 vs 为：
2
哈尔滨工程大学学报
第 33 卷
比，降低了系统复杂度，便于工程实现。 文献［5-6］对基于 OFDM 技术的水声通信
Modem 进 行 了 研 究 ， 开 发 了 基 于 DSP 的 (2×2)MIMO-OFDM 及 SISO-OFDM 水声 Modem 原型，MIMO-OFDM 采用 QPSK 调制，1/2 码率 的卷积码和 LDPC 码，带宽为 6kHz。文献［7-8］ 对基于频率和相位调制的矢量水声通信技术进 行了研究。本文在对以上文献研究的基础上，研 究了基于矢量水听器的 OFDM 水声通信技术，首 次提出并设计了基于 DSP 和矢量水听器的矢量 OFDM 实 时 水 声 通 信 调 制 解 调 器 （Vector-OFDM-Modem），进行了水池及松花江 实验，通过理论研究和实验，验证了该方案的可 行性以及应用矢量水听器为水声通信系统性能 带来的提高。
复用（OFDM）水声通信技术得到了很大的发展， 矢量水声信号处理技术由于可带来空间增益也得 到了广泛的应用。国内外许多学者针对 OFDM 技 术在水声通信中的应用进行了广泛研究，并通过 湖上或者海上实验取得了初步的效果[1-3]。目前， 大部分水声通信系统都只使用单个传统的声压水 听器或大尺寸的多重空间上分开的阵列声呐系统 去处理复杂多变的水下声信道。从矢量声学的角 度看，传统的声压水听器只采集声压信号，没有 利用声场空间中的振速信号分量，丢失了声场中 的信息。矢量水听器可采集声场中的声压和振速 信号，应用矢量信号处理技术理论上可以带来空 间增益[4]，进而提高接收信号的信噪比，有效地 改善通信系统性能。利用阵列信号处理技术也可 以提高接收信号的信噪比，但设备复杂，不适合 做小型水声 Modem 节点。单矢量水听器与之相
听器，它可对声源进行方位估计，从而借助于其
空间指向性提高接收信号信噪比。采用复声强器
法实现方位估计，对矢量水听器输出做傅立叶变
换，得到声压与振速信号的频谱，目标信号的能
量集中在复声强器互谱输出的实部，虚部中主要
为干扰能量。目标水平方位 的估计 ˆ 为：
∀ # (
Re P( ) ! arctan
)Vy∃ (
图 3 OFDM 信号帧结构示意图 Fig.3 Schematic of OFDM frame structure
1.1 OFDM 基本原理 作为多载波通信的一种，与一般的频分复用
技术相比，OFDM 系统中各个子载波信号在整个 符号周期上相互正交，在频谱上相互重叠，OFDM 系统最有优势的应用环境是频率选择性衰落信 道，这恰恰是浅海水声信道的主要特点之一。
基础上，提出并设计了一套基于 DSP 平台和三维同振型矢量水听器的矢量 OFDM 实时水声通信调制解调器。在哈尔滨市松
花江水域中进行了水平方向上矢量水声通信实验，实验结果表明，系统达到实时通信的要求，在 4.3km 的水平通信距离上，
QPSK 调制，1/2 卷积码编码，系统带宽 4~8kHz 的条件下，通信速率达到 1873bit/s，最终误码率低于 10-4，矢量 OFDM 比
同步即用本地 LFM 与接收到的 LFM 相关得到的
定时结果，所谓细同步即生成一个受多普勒影响
的本地 LFM 与接收到的 LFM 做相关得到定时结
果。根据一定的检测准则来进行信号同步与定时。
帧头部分的第一个 LFM 信号用于粗同步，中间的
单频信号用于测量多普勒因子，第二个 LFM 用于
细同步。
②信源方位估计。由于接收单元采用矢量水
在接收端以一定的时间间隔来对接收到的信 号进行采样，然后对数字信号进行DFT变换，就 可以把原来的复数序列还原出来，再经过解载波 映射，则可恢复出原始发送数据。由此可知OFDM 技术的调制解调过程可以分别由IFFT/FFT来实 现，这样一来使用快速傅立叶算法可以减小计算
图 4 OFDM 符号的结构示意图 Fig.4 Schematic of OFDM symbol structure
发射和接收的原理如图 1 和图 2 所示。设 OFDM 的基带调制信号带宽为 B ，码元周期为
t 。OFDM 的基本原理是将原信号通过串并转换 分割为 N 个子信号，若串行的码元速率为 R，则 转换后码元速率为 R / N ，周期为T ! N * t ，然后 将 N 个子信号分别调制在N 个相互正交的子载波上， 最后把 N 路调制后的信号相加即得到发射信号。
&∋vc (t) ! vx cos! % vy sin! ! x(t) cos( !) (∋)vs (t) ! vx sin! % vy cos! ! x(t)sin( !)
（2）
其中! 为引导方位角。若声压信号 p(t)和振速信
号 v(t)按 p(t)+v(t)进行组合，则：
-0.2
2.96
2.98
收稿日期：2011-11-18 基金项目：国家863重点项目基金资助项目(2009AA093601-2)；国防
基础研究基金资助项目(B2420110007)；水声技术重点实验 室基金资助项目(9140C200801110C2004). 作者简介：刘凇佐(1986-)，男，博士研究生. 乔钢（1974-)，男，教授，博士生导师. 通信作者：刘凇佐，E-mail：liusongzu-o@;
水下无线信息传输是一个快速发展的科研领 域。随着对海洋的开发越来越深入，人们希望在 水下也能像陆地上一样快速实时地传输语音、文 字等信息，所以对实时水声通信的需求显得越发 迫切。
海洋信道属于不平整双界面随机不均匀介质 信道，传输频带有限，具有多普勒不稳定性，因 海洋界面反射和水中粒子及生物引起的散射造成 的多途效应导致信号畸变进而引起通信的严重误 码，限制着水声通信的发展。近年来，正交频分
网络出版时间：2012-08-06 15:34 网络出版地址：/kcms/detail/23.1390.U.20120806.1534.011.html
第 33 卷第 8 期 2012 年 8 月
哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University
1 OFDM 基本原理及波形设计
量从而减少系统运行时间。 1.2 发射波形设计
图 3 是 OFDM 信号帧结构，一帧信号由两部 分组成：帧头和 OFDM 数据。帧头采用 2 个 LFM 信号加 1 个 CW 脉冲的结构。数据部分可以包括 一个或多个 OFDM 符号。由于信道的多径时延会 造成 OFDM 符号的子信道间干扰和码间干扰，从 而无法在接收端准确解调原始信息，本设计中采 用加循环前、后缀的形式来抗多途影响，OFDM 符号结构如图 4 示。
Vol.33 No.8 Aug. 2012
单矢量水听器 OFDM 水声通信技术实验
刘凇佐，周锋，孙宗鑫，李慧，乔钢
（哈尔滨工程大学 水声技术国家级重点实验室，黑龙江省哈尔滨市 150001）
摘 要：针对水声通信中信道特性复杂、低信噪比的情况，为提高水声通信质量，在理论研究 OFDM 与矢量信号处理技术
)
∀ # Re P( )Vx∃( )
（1）
图 5 矢量信号处理流程图
Fig.5 Flow chart of vector signal processing
式中横杠表示滑动窗平均周期图，根据式（1）
浅海信道冲激响应模型，噪声为高斯白噪声，声
可以计算每个频率的方位，再利用加权直方图法
源水平方位角为 60 度。
Abstract：In order to improve the quality of the underwater acoustic communication（UAC）, overcome the server effective by complex underwater acoustic channel and low signal to noise ratio, based on the theory of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and vector signal processing. This paper presents the design considerations, implementation details, and initial experimental results of modem based on DSP platform and a resonant-sphere type three-dimensional vector hydrophone. According to river trial, the data rates are 1873bps, bit error rate less than 10-4 with QPSK modulation, rate-1/2 channel coding, and signal frequency between 4kHz and 8kHz in the distance of 4.3km. Bit error rate of vector OFDM is better than traditional OFDM communication system. Keywords：underwater acoustic communication; OFDM; vector hydrophone; vector signal processing; underwater modem
e j2 f1
e j2 fN 1
图 1 OFDM 发射原理框图 Fig.1 The transmitter of OFDM systems
e j2 f0
e j2 f1
e j2 fN 1
图 2 OFDM 接收原理框图 Fig. 2 The receiver of OFDM systems
0.2
归
导频的信道估计方法。根据以往的实验经验，块
状导频的性能随着时间的推移而降低，梳状导频
0
则受到水声信道相干带宽较窄特点的限制，效率
偏低。因此本系统采用块状导频与低密度梳状导
频相结合的方案[11]。
⑤矢量合并。声压和振速进行适当的组合，
单矢量水听器还可以形成多种指向性[9]。经过电
子旋转后，振速传感器的组合指向性 vc 和 vs 为：
2
哈尔滨工程大学学报
第 33 卷
比，降低了系统复杂度，便于工程实现。 文献［5-6］对基于 OFDM 技术的水声通信
Modem 进 行 了 研 究 ， 开 发 了 基 于 DSP 的 (2×2)MIMO-OFDM 及 SISO-OFDM 水声 Modem 原型，MIMO-OFDM 采用 QPSK 调制，1/2 码率 的卷积码和 LDPC 码，带宽为 6kHz。文献［7-8］ 对基于频率和相位调制的矢量水声通信技术进 行了研究。本文在对以上文献研究的基础上，研 究了基于矢量水听器的 OFDM 水声通信技术，首 次提出并设计了基于 DSP 和矢量水听器的矢量 OFDM 实 时 水 声 通 信 调 制 解 调 器 （Vector-OFDM-Modem），进行了水池及松花江 实验，通过理论研究和实验，验证了该方案的可 行性以及应用矢量水听器为水声通信系统性能 带来的提高。
复用（OFDM）水声通信技术得到了很大的发展， 矢量水声信号处理技术由于可带来空间增益也得 到了广泛的应用。国内外许多学者针对 OFDM 技 术在水声通信中的应用进行了广泛研究，并通过 湖上或者海上实验取得了初步的效果[1-3]。目前， 大部分水声通信系统都只使用单个传统的声压水 听器或大尺寸的多重空间上分开的阵列声呐系统 去处理复杂多变的水下声信道。从矢量声学的角 度看，传统的声压水听器只采集声压信号，没有 利用声场空间中的振速信号分量，丢失了声场中 的信息。矢量水听器可采集声场中的声压和振速 信号，应用矢量信号处理技术理论上可以带来空 间增益[4]，进而提高接收信号的信噪比，有效地 改善通信系统性能。利用阵列信号处理技术也可 以提高接收信号的信噪比，但设备复杂，不适合 做小型水声 Modem 节点。单矢量水听器与之相
听器，它可对声源进行方位估计，从而借助于其
空间指向性提高接收信号信噪比。采用复声强器
法实现方位估计，对矢量水听器输出做傅立叶变
换，得到声压与振速信号的频谱，目标信号的能
量集中在复声强器互谱输出的实部，虚部中主要
为干扰能量。目标水平方位 的估计 ˆ 为：
∀ # (
Re P( ) ! arctan
)Vy∃ (
图 3 OFDM 信号帧结构示意图 Fig.3 Schematic of OFDM frame structure
1.1 OFDM 基本原理 作为多载波通信的一种，与一般的频分复用
技术相比，OFDM 系统中各个子载波信号在整个 符号周期上相互正交，在频谱上相互重叠，OFDM 系统最有优势的应用环境是频率选择性衰落信 道，这恰恰是浅海水声信道的主要特点之一。
基础上，提出并设计了一套基于 DSP 平台和三维同振型矢量水听器的矢量 OFDM 实时水声通信调制解调器。在哈尔滨市松
花江水域中进行了水平方向上矢量水声通信实验，实验结果表明，系统达到实时通信的要求，在 4.3km 的水平通信距离上，
QPSK 调制，1/2 卷积码编码，系统带宽 4~8kHz 的条件下，通信速率达到 1873bit/s，最终误码率低于 10-4，矢量 OFDM 比
同步即用本地 LFM 与接收到的 LFM 相关得到的
定时结果，所谓细同步即生成一个受多普勒影响
的本地 LFM 与接收到的 LFM 做相关得到定时结
果。根据一定的检测准则来进行信号同步与定时。
帧头部分的第一个 LFM 信号用于粗同步，中间的
单频信号用于测量多普勒因子，第二个 LFM 用于
细同步。
②信源方位估计。由于接收单元采用矢量水
在接收端以一定的时间间隔来对接收到的信 号进行采样，然后对数字信号进行DFT变换，就 可以把原来的复数序列还原出来，再经过解载波 映射，则可恢复出原始发送数据。由此可知OFDM 技术的调制解调过程可以分别由IFFT/FFT来实 现，这样一来使用快速傅立叶算法可以减小计算
图 4 OFDM 符号的结构示意图 Fig.4 Schematic of OFDM symbol structure
发射和接收的原理如图 1 和图 2 所示。设 OFDM 的基带调制信号带宽为 B ，码元周期为
t 。OFDM 的基本原理是将原信号通过串并转换 分割为 N 个子信号，若串行的码元速率为 R，则 转换后码元速率为 R / N ，周期为T ! N * t ，然后 将 N 个子信号分别调制在N 个相互正交的子载波上， 最后把 N 路调制后的信号相加即得到发射信号。
&∋vc (t) ! vx cos! % vy sin! ! x(t) cos( !) (∋)vs (t) ! vx sin! % vy cos! ! x(t)sin( !)
（2）
其中! 为引导方位角。若声压信号 p(t)和振速信
号 v(t)按 p(t)+v(t)进行组合，则：
-0.2
2.96
2.98
收稿日期：2011-11-18 基金项目：国家863重点项目基金资助项目(2009AA093601-2)；国防
基础研究基金资助项目(B2420110007)；水声技术重点实验 室基金资助项目(9140C200801110C2004). 作者简介：刘凇佐(1986-)，男，博士研究生. 乔钢（1974-)，男，教授，博士生导师. 通信作者：刘凇佐，E-mail：liusongzu-o@;
水下无线信息传输是一个快速发展的科研领 域。随着对海洋的开发越来越深入，人们希望在 水下也能像陆地上一样快速实时地传输语音、文 字等信息，所以对实时水声通信的需求显得越发 迫切。
海洋信道属于不平整双界面随机不均匀介质 信道，传输频带有限，具有多普勒不稳定性，因 海洋界面反射和水中粒子及生物引起的散射造成 的多途效应导致信号畸变进而引起通信的严重误 码，限制着水声通信的发展。近年来，正交频分
网络出版时间：2012-08-06 15:34 网络出版地址：/kcms/detail/23.1390.U.20120806.1534.011.html
第 33 卷第 8 期 2012 年 8 月
哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University
1 OFDM 基本原理及波形设计
量从而减少系统运行时间。 1.2 发射波形设计
图 3 是 OFDM 信号帧结构，一帧信号由两部 分组成：帧头和 OFDM 数据。帧头采用 2 个 LFM 信号加 1 个 CW 脉冲的结构。数据部分可以包括 一个或多个 OFDM 符号。由于信道的多径时延会 造成 OFDM 符号的子信道间干扰和码间干扰，从 而无法在接收端准确解调原始信息，本设计中采 用加循环前、后缀的形式来抗多途影响，OFDM 符号结构如图 4 示。
Vol.33 No.8 Aug. 2012
单矢量水听器 OFDM 水声通信技术实验
刘凇佐，周锋，孙宗鑫，李慧，乔钢
（哈尔滨工程大学 水声技术国家级重点实验室，黑龙江省哈尔滨市 150001）
摘 要：针对水声通信中信道特性复杂、低信噪比的情况，为提高水声通信质量，在理论研究 OFDM 与矢量信号处理技术
)
∀ # Re P( )Vx∃( )
（1）
图 5 矢量信号处理流程图
Fig.5 Flow chart of vector signal processing
式中横杠表示滑动窗平均周期图，根据式（1）
浅海信道冲激响应模型，噪声为高斯白噪声，声
可以计算每个频率的方位，再利用加权直方图法
源水平方位角为 60 度。
Abstract：In order to improve the quality of the underwater acoustic communication（UAC）, overcome the server effective by complex underwater acoustic channel and low signal to noise ratio, based on the theory of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and vector signal processing. This paper presents the design considerations, implementation details, and initial experimental results of modem based on DSP platform and a resonant-sphere type three-dimensional vector hydrophone. According to river trial, the data rates are 1873bps, bit error rate less than 10-4 with QPSK modulation, rate-1/2 channel coding, and signal frequency between 4kHz and 8kHz in the distance of 4.3km. Bit error rate of vector OFDM is better than traditional OFDM communication system. Keywords：underwater acoustic communication; OFDM; vector hydrophone; vector signal processing; underwater modem