基于广义多载波M元CSK扩频的高速率水声通信技术研究

Underwater acoustic (UWA) spread spectrum communication is widely used because of its good anti-noise ability and anti-interference ability. But owing to the limited data rate spread spectrum communication cannot meet the demand of the development. High data rate reliable UWA spread spectrum communication is proposed as a solution to enhance data rate at no cost of reliability in this research. The research is organized as follows: 1. The channel is explored in different topography and different seasons based on real measured sea channels. In addition, time-variable channel model is established based on different topography. 2. A UWA spread spectrum telemetry is explored to combine M-ary and CSK based on small Kasami sequences to enhance the data rate, which carries information by both code phase and sequence number. 3. A UWA communication telemetry is proposed to combine generalized multi-carrier and M-ary CSK spread spectrum, which utilizes frequency spectrum efficiently. Meanwhile, the time-variable channel model is adopted to simulate and analyze the variation of system parameters. As a result, reliable multi-carrier M-ary CSK UWA spread spectrum telemetry can be available. The development of high data rate reliable UWA spread spectrum communication will be promoted by this research.

扩频水声通信由于其良好的抗噪声和干扰的能力而被广泛应用，但由于其有限的通信速率，而逐渐不能满足需求。本课题提出的高速率扩频水声通信技术就是针对以上的问题提出的解决方案，在不以稳健性为牺牲的前提下，研究提高水声通信速率的方法。研究内容包括：1.依据真实测量的海洋信道，对不同地形条件、不同季节的信道进行研究，建立不同地形条件的时变信道模型。2.提出了一种基于小Kasami序列，M元和CSK技术相结合的水声扩频通信技术，该技术分别利用序列的码相位和序列簇序号来携带信息，从而达到提高通信速率的目的。3.提出基于广义多载波和M元CSK扩频技术相结合的水声通信技术，该技术利用频谱重叠技术提高频谱利用率，同时利用时变信道模型进行仿真的手段，分析系统参数变化规律，从而设计稳定的多载波M元CSK扩频水声通信技术。本课题的研究将推动高速率稳健扩频水声通信的发展。

声波是唯一一种能在水下进行远距离传输的信息载体，因此水下声通信技术成为水下信息交互的最主流的技术。水声信道具有带宽有限、载波传播速率低、衰减严重、快速时变等特点，水声信道的诸多限制和不确定性导致水声通信系统的性能受限。.首先，提出了一种时变水声信道建模方法，将信道衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落，考虑了散射作用引入的随机分量，同时将引起多普勒频移的运动建模为稳定运动分量和随机运动分量。分析了实测水声信道数据，建模结果和实测数据的信道参数统计特性具有很好的吻合度。.其次，提出一种基于两种技术相结合的M元CSK扩频水声通信技术。通过将两种技术的结合，在扩频增益对通信速率的制约上获得了比传统M元扩频和CSK技术更好的效果，并且更充分的使用了序列的自相关特性和互相关特性，提高了水声通信系统的通信速率。建立了M元CSK 高速扩频水声通信系统，在5km的距离下，最高可以达到349.2bps通信速率的无误码传输。.最后，提出了一种正交多载波M元循环移位键控技术提高传输速率。该技术采用多载波调制，每个载波分别采用M元扩频调制和循环移位键控扩频调制的方式，并提出了一种复合序列抑制载波间干扰算法改进系统性能。进行了三种调制方式，多载波M元CSK调制、M元DSSS与DSSS-MFSK调制的仿真和水池实验对比分析，在误码率接近的前提下，M元CSK调制的通信速率明显高于其他两种调制方式。.本课题在信道建模方面所取得的成果，对于掌握水声信道特性对于通信系统具有重要的意义，建立水声信道模型可以有效地、便捷地评估算法性能，减小外场试验带来的资源损耗。.在水声扩频通信技术上所取得的成果，突破了多载波M元CSK水声扩频通信技术，仿真和外场试验验证了技术的性能，在保证可靠性的基础上，提高了水声扩频通信系统的通信速率。无论是在海洋环境监测，海洋资源开发以及军事领域都有广泛的应用需求。