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水声通信技术是水声技术领域中一个极具挑战性的研究课题。由于水声信道是一个十分复杂多径传播的信道,特性参数随着时-空-频的变化而随机变化,再加上它的环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输时延大等诸多不利因素,使得水声通信中存在的传输误码率高、传输数据率低等瓶颈问题难以解决,因此水声通信技术也成为当今最为复杂的通信技术之一。
常规的PSK水声通信系统多采用单阵元接收,受接收信噪比及码间干扰的影响,通信距离较近。本文将波束形成技术应用于PSK水声通信系统中,研究了一种适用于PSK水声通信系统的宽带恒定束宽接收波束形成技术,它不仅具有传统的PSK水声调制解调通信系统的优势,而且具有更高的信噪比,可以更好的抑制码间干扰,从而提高系统的通信距离和通信数据率。
本文首先分析了浅海水声信道的特性,建立了水声信道模型;阐述了PSK水声通信调制解调系统的基本结构和工作原理,并介绍了在PSK水声通信系统中应用的自适应均衡技术及其实现算法;同时,针对当收发两端存在相对运动时存在的多普勒频移现象,本文还介绍了数字锁相环技术,给出了内嵌二阶锁相环的判决反馈均衡器框图。
其次,本文研究了应用于PSK水声通信系统中的宽带恒定束宽波束形成关键技术。首先介绍了窄带波束形状设计算法--凹槽噪声场算法,但传统的凹槽噪声场算法对水声通信接收基阵形成波束的形状进行设计时有无法控制主瓣形状的缺点,对此,本文又研究了一种稳健的自适应主瓣约束窄带波束形状设计(稳健的凹槽噪声场方法)算法。该算法将凹槽噪声场算法中指向主极大方向的单一定向向量进行扩展,变成主瓣范围内多个定向向量的加权和,并通过自适应算法调整各定向向量的权值,从而对形成波束的主瓣形状进行有效的控制。在稳健的凹槽噪声场算法的基础上研究了一种基于复数权值FIR滤波器的时域宽带恒定束宽波束形成方法。该方法采用稳健的凹槽噪声场方法算法来设计对应不同频率点上宽带恒定束宽波束的权值,并针对水声通信中采用实数权值FIR滤波器对形成宽带恒定束宽波束的权值进行拟合时误差较大,导致形成波束容易产生畸变的缺点,采用复数权值FIR滤波器对形成宽带恒定束宽波束的权值进行拟合。
最后,文中分别对单阵元接收的PSK通信系统性能和结合了宽带恒定波束形成技术的PSK接收机性能进行了仿真和对比,发现后者的性能优于仅采用单阵元接收时的情况。