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随着人类对海洋资源的开发和利用,水声通信与组网技术迅速发展起来,并在其中起着至关重要的作用,使人与设备以及设备之间可以协同工作。水声通信体制的各个方面近些年来迅速发展,在不同的水声环境及应用需求中得到广泛应用。但是,由于水声环境的复杂性质,以及应用需求要求各异,某一种通信体制并不能适用于所有情况。
本文以水声网络的物理层为研究基础,研究多体制水声通信中的关键技术,首先分析了多体制水声通信对于水声通信与网络的必要性,进而针对正交频分复用通信体制和直接序列扩频通信体制进行了深入研究,并解决了正交频分复用中的帧同步受多径信道影响以及峰均比高等关键问题,解决了扩频通信体制在大尺度多普勒频移下的载波同步。进而,针对多种通信体制的兼容性和切换等问题进行介绍并给出了一个可行的方案。此外,针对如何在有限的硬件资源上实现多种体制进行了研究,在基于软件无线电的水声通信机上实现了多种通信体制。通信体制及其中的关键算法均经过湖试或者海试验证。本文的主要研究工作如下。
针对水声通信环境和应用需求,提出了采用多通信体制实现水声网络物理层的有效方法。
为满足高速率信息传输要求,和针对于水声环境中多途效应明显的问题,设计了一套适用于水下的OFDM通信系统,并着重研究了水下OFDM抗多途的帧同步算法,该算法可以有效抵抗多途,准确定位信号的开始时刻。
针对OFDM的峰均比大问题,并结合实际需求,开发了一种实时的峰均比解决算法,算法通过将信号幅度从正态分布变换为均匀分布,从而解决了峰均比问题,并在实际中通过湖试验证。
面向远程稳定可靠通信,设计并开发了一套水下直接序列扩频通信系统。
针对于扩频通信系统中运动节点产生大多普勒频移问题,设计了一个快速的载波同步算法,算法综合了载波同步的效果和运算复杂度的优势,在通信机上实现实时解调,并通过海试验证。
研究了多种通信体制的选择问题,提出了一系列参考条件,为通信体制的选择提供一定的理论依据。
开发了一种通信体制识别方法,充分考虑到了水声通信的脉冲特性,利用不同长度的帧同步信号成功识别了OFDM、FSK、PSK和DSS信号。
在基于软件无线电的水声通信机上实现多种通信体制,进行了DSP程序的设计及优化,为多体制水声通信机的应用打下了良好的基础。