水声通信

摘要： 水声通信是水下唯一远距离信息有效、可靠传输的方式。水声信道具有严重的多径拓展、多普勒扩展及环境噪声,在此信道下传输会导致正交频分复用(OFDM)系统性能严重恶化。将具有良好的抗多径衰落优点的OFDM系统和对多普勒频偏不敏感的多进制频移键控(MFSK)系统相结合的OFDM—MFSK联合调制方式,无需信道估计与均衡,具有良好的抗噪声性能。在信道条件较好时,在深海垂直信道下,针对OFDM—MFSK系统频带利用率低、通信速率低问题,提出了一种OFDM—MFSK—DPSK(差分相移键控调制)通信方案。该方案利用子载波相位传输附加数据,既不影响OFDM—MFSK系统的稳定性,又能提高系统的通信速率。仿真结果表明,在深海垂直信道下,该方案明显提高了OFDM—MFSK系统的频带利用率和通信速率,且不影响OFDM—MFSK系统传输。

摘要： 多进制频移键控正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing multiple frequency shift keying,OFDM-MFSK)调制能抵抗水声信道中的多径衰落和多普勒效应,且无需复杂的信道估计与均衡,适合低成本的水声通信机设计。针对OFDM-MFSK水声通信系统,提出了一种差错控制编码方法,具体思想为在使用OFDM-MFSK传输原数据的同时调制子载波的相位以传输另一路编码,接收端结合两种解调方式,利用编码的差错图样与校验码实现数据的纠错。相比于其他前向纠错编码,此种差错控制方法的码长短、编解码复杂度低,结合OFDM-MFSK调制,能在保证通信可靠性和实时性的同时降低水声通信系统的实现成本,适用于低速率水声通信系统的设计。

摘要： 多径匹配追踪算法在水声信道稀疏估计中具有较好的估计精度,但该算法需要信道稀疏度的先验信息,且计算复杂度大。本工作提出一种基于交叉验证与正则化相结合的多径匹配追踪算法,将其用于水声信道估计。交叉验证提供算法的停止准则,不需要信道的稀疏度和噪声水平的先验信息,并检查算法是否过拟合,提高了估计的准确性。正则化用来进一步筛选候选集,减少计算复杂性及存储开销。仿真结果表明:与原始多径匹配追踪算法相比复杂度大大降低,具有更好的性能,并且不需要信道稀疏度的先验信息。

摘要： 本文提出一种基于STM32F407控制器的水声通信系统设计方案,由嵌入式程序实现对信号的频移键控(FSK)调制与解调。发送端调制信号经功率放大之后由水声换能探头进行电–声转换并向外发送,接收端通过换能器将声信号准换位电信号后通过滤波电路与比例放大电路对信号进行选取与放大,最终由微控制器进行信号的解调与输出。室外水池实验表明,本系统可实现20 m范围内实时通信。

摘要： 非正交多址接入(NOMA)技术可以有效提高多载波扩频多用户下行水声通信的系统容量,针对非正交多址水声通信系统多用户检测过程中由多用户干扰导致的误码传播问题,提出一种适用于非正交多址水声通信的判决反馈串行干扰消除算法。算法利用重构的近端用户信号对输入信号进行修正,提高远端用户信号重建精度,减少串行干扰消除过程中的误码传播,提高系统解调性能。仿真和湖试数据处理结果表明,判决反馈串行干扰消除算法的远端、近端用户误码率均优于传统算法,能够有效抑制误码传播,提高通信质量。

摘要： 支持多种载波调制方式的多制式自适应水声通信,可高效利用时变、频变、空变水声信道的通信带宽,是水声通信技术的发展趋势之一。针对多制式自适应水声通信的信号载波调制方式自动识别需求,本文提出了一种基于迁移学习的水声通信信号载波调制方式识别方法(UACCMR/TL)。通过多制式水声通信系统建模、水声信道建模,生成了单载波时间域扩频(SCTDSS)、单载波频域均衡(SC-FDE)、正交频分复用(OFDM)和多载波频域扩频(MC-FDSS)4种典型水声通信载波调制信号的时间序列数据集,采用时频分析方法将时间序列信号数据集转换成时频图像数据集,利用迁移学习方法将图像识别领域的深度学习模型VGG16应用于水声通信信号的载波调制方式识别。仿真结果表明:所提出的UACCMR/TL方法对SC-TDSS、SC-FDE、OFDM和MC-FDSS信号具有良好的识别性能,信噪比为5 dB以上时,分类准确率均达到90%以上,信噪比为15 dB时,分类准确率均接近于100%;同时,UACCMR/TL方法可以在不同信道较少数据样本模型微调下达到良好的识别性能,具有良好的信道泛化性能。

摘要： 针对水下移动平台(AUVs)直接序列扩频(DSSS)水声通信过程中大多普勒时变带来的频偏及载波相位跳变问题,该文提出一种组合差分扩频通信方法。该方法设计一种2维组合差分(TCD)扩频帧结构,接收端通过对重复码时域加窗相关实现时变多普勒粗估计;接收端提出一种频率压缩-能量接收器(FC-ED),通过采用能量检测接收器提高接收端处理多普勒容限,使用频率压缩法多频点压缩处理进一步提高系统鲁棒性,实现扩频码识别映射解码;最后提出一种组合差分算法,实现2维组合扩频间的极性差分解码,在能量接收映射解码基础上引入极性调制,进一步提高频谱利用率。经理论及仿真试验分析,该方法具备一定的抗时变多普勒能力,在恒加速度相对运动–8 dB信噪比条件下误码率小于10^(–2)。

摘要： 一背景说明“深空、深海、深地、深蓝”是人类对世界未知领域的新探索方向。随着海洋强国战略的推进实施,海洋信息技术的重要性日益凸显。陆地物联网技术的突破,为物联网在海洋领域的应用提供了契机。水下物联网(IoUT)是整合空-天-地-海网络的泛在物联网研究中最具挑战性和最为薄弱的部分。目前,声波依然是在水下进行远距离信息传输最有效的载体。在IoUT应用背景下,水声通信与信号处理面临数据可靠高效传输、海量数据存储与处理、数据安全与维护、硬件部署与维护成本等诸多挑战。挖掘人工智能、大数据和区块链等潜在可应用于IoUT和智慧海洋的技术,均是水声通信和信号处理相关的前沿课题研究。为展示国内在水声通信与信号处理领域的最新研究成果,2021年6月,作为新时代从事水声技术研究的一线工作者,我们深感肩负使命之光荣,决定与《电子与信息学报》编辑部策划推出一期“水声通信与信号处理”专题,得到了国内水声前辈的鼓励指导和青年同行的普遍欢迎。

摘要： 水下无线通信主要依靠水声通信的方式进行信息传输。但水声链路本身具有高时延和高误码率等不足,为水下应用提供低时延的通信服务是一项具有挑战性的工作。声电协同网(CRAN)旨在充分利用水面无线电链路弥补水声网络(UAN)的性能局限,提升网络的整体性能。其中,CRAN中的路由协议需要构建声、电混合路径,是声电协同网络研究中的关键问题。该文首先在网络模拟器3(NS-3)中设计并实现了声电浮标节点与CRAN协议栈,搭建了CRAN的仿真平台。随后探讨了以无线自组网按需平面距离向量路由协议(AODV)为代表的被动式路由在CRAN中的应用。该文发现,AODV协议使用的距离向量准则在CRAN中能够更多地选择高速的无线电链路进行数据转发,有效地降低了网络传输时延。最后,通过仿真对AODV与其他协议的性能进行了对比、分析。结果表明,CRAN在投递率、传输时延、网络吞吐量、能效和路由响应速度方面对比水声通信网有较大提升。同时,以AODV为代表的被动路由协议,相比于以优化链路状态路由协议(OLSR)为代表的主动路由协议更适用于CRAN。

摘要： 针对水下隐蔽声通信的需求,该文提出一种基于频移键控的仿海豚哨声水声通信方法,通过模拟海豚哨声以降低通信信号被发现的概率,从而实现水下隐蔽声通信。该方法将信息调制生成的基带信号以一定比例与海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相加获得合成哨声时频谱,再生成合成哨声作为仿生通信信号。接收端提取接收到的合成哨声与本地生成的存在固定频差的海豚哨声相干相乘,经过低通滤波获得频移键控信号进行信息解调,实现仿生通信。通过时频相关系数和Mel倒谱距离分析了通信信号仿生效果。仿真与海试试验验证了该方法的可行性,当码元宽度为0.1s时可在2km距离上实现有效通信,且时频相关系数不低于0.99。该方法调制解调原理简单,系统资源消耗更少,更易于工程实现,为仿生水声通信算法的实际应用提供技术支撑。

摘要： 目前针对水下授时服务的系统比较复杂,需要卫星协同才能实现,无法满足隐蔽性的要求,机动性差,容易遭到攻击摧毁.利用自主研发的水声通信机进行精确授时,介绍了通信授时平台架构,设计了水声授时方案,讨论并解决了搭建实际的水声通信系统发送和接收平台的若干技术问题,对授时的关键技术做了详细设计.通过水池实验对授时方案的可行性进行了评估.

摘要： 随着对海洋资源的开发和水下通信用户的增多,如何有效地利用水下有限的频谱资源已成为水声通信的重要环节.在陆上无线电通信中,频谱感知技术可有效地对频谱进行检测,提高了陆上频谱资源的利用率.本文针对水下噪声不确定、可用通信带宽有限等特性,通过对浅海水声信道进行建模,将基于小波包变换的能量感知算法应用于水下频谱检测中,并通过MATLAB仿真,与传统能量检测算法进行性能对比.仿真结果表明,在浅海水声信道中,此算法能在噪声不确定的前提下,具有较好的检测性能.

摘要： 扩频通信技术因具有保密性好,抗干扰能力强,可实现码分多址等优势,目前被广泛应用于水声通信中.由于水声信道的多途扩展干扰十分严重,由多途信道产生的码间干扰会使直扩系统的稳定性降低.通过被动时间反转镜的信道均衡技术可有效对接收的直扩信号进行重组来抑制码间干扰.本文研究的基于被动时间反转镜的直扩水声通信可有效抑制水声信道的相干多途干扰,从而实现低误码率通信.通过松花江试验,验证了该系统在复杂的水声信道中具有较强的抗多径能力,具有一定的有效性和鲁棒性.

摘要： 水声通信信号调制识别是水声信号属性识别和水声通信信号内容获取的重要环节.目前,水声通信信号调制识别多是采用模式识别方法,首先根据领域知识设计特征提取算法构造特征识别量,然后构造分类器进行分类识别.这类方法的识别性能依赖领域知识,而且合理有效的特征识别量的构造比较困难,直接影响分类效果.再者对于水声通信信号而言,水声多途效应引起信号畸变,给特征提取和识别特征量构造带来了新的困难.

摘要： 在水声通信中,海洋信道复杂多变使得常规的通信调制模式如频移键控、相移键控等调制方式不能满足可靠传输的要求,常受主动声呐信号、舰船辐射噪声等信号干扰.因此,非合作水声通信体制识别研究作为水声对抗领域的重要组成部分,日益成为重要的研究课题.

摘要： 多途传播是水声信道的典型特征之一,研究多途传播对水声通信信号特征参数的影响对于水声通信信号的有效检测和接收具有重要意义.以射线模型为基础,以单频脉冲信号为例,分析了经过多途传播后接收信号的瞬时参数取值的变化情况,结果表明:多途传播使得单个脉冲发生扩展和叠加,此时,接收信号的瞬时频率参数取值在脉冲持续周期内与原信号瞬时频率参数取值相同,适于作为信号检测和类型判别的依据.信号仿真结果和实际海试数据验证了该结果的正确性.

摘要： 海底观测网无线拓展是实现海底观测网与主干网信息交互的水声通信与组网技术。海底观测网无线拓展采用水声通信无缆传输，锚系式、座底式无线观测节点与无线网关节点的距离尺度从数百米到数百公里，拓展了海底观测网实时观测距离和空间;观测节点与主干网之间不需要连接缆，具有更加灵活的接入方式。此外，移动观测节点搭载水声通信机，完成与无线网的通信与位置获取，通过无线网关节点完成与主干网的准实时信息交互。

摘要： 近年来,关于水声通信的研究主要集中在近距离和远距离通信上,对中距离水声通信的研究较少,且数据率较低,意大利Palmese等利用Chirp调制的直扩通信系统,在波罗的海浅海实验中,通信距离25krn,实现了27bps的通信速率;法国的Loubet等在地中海浅海实验中利用2kHz以下频率,通信距离20km,实现了通信速率7bps,因此中距离水声通信迫切的需要提高数据率. 本文在CDMA技术的基础上，开发多载波通道并行的码分复用技术，高效的利用通信频带，期望提高编码效率，同时开发MVDR自适应解码技术，期望获得更强大的解码能力，从而进一步提高中距离水声通信的数据传输率。

摘要： 环境参数与距离相关条件下的多传感器、多目标宽带信号实时模拟是当前水声信号仿真技术迫切需要解决的问题.实现水声阵列接收时域信号仿真的关键在于得到信道的脉冲响应函数及其时间长度.仿真系统的运算量随着传感器和目标数量增加、信号频带范围变宽而上升,需要在精度与实时性之间进行权衡.

摘要： 环境参数与距离相关条件下的多传感器、多目标宽带信号实时模拟是当前水声信号仿真技术迫切需要解决的问题.实现水声阵列接收时域信号仿真的关键在于得到信道的脉冲响应函数及其时间长度.仿真系统的运算量随着传感器和目标数量增加、信号频带范围变宽而上升,需要在精度与实时性之间进行权衡.

摘要： 本发明涉及水声领域，特别涉及基于双曲调频信号的水声多普勒估计方法及装置、通信方法及系统。本发明在发射端发两段双曲调频信号，在接收端用第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，从而得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的整体相对时移，进而估计出多普勒因子。该方法在保持传统的基于双曲调频信号的多普勒估计方法的优点的基础上，降低了其在实际的时变多径水声信道中的估计误差，提高了估计的稳健性。该方法可用于多种需要进行多普勒估计的水声系统，具有广泛应用前景。

摘要： 本发明公开了一种基于Class‑D的水声通信功放及水声通信设备，属于水声通信技术领域。本发明的基于Class‑D的水声通信功放包括积分电路、电平转换电路、驱动部件以及MOS开关部件；所述积分电路用于产生三角波信号；所述电平转换电路用于将所述三角波信号转换为PWM信号；所述驱动部件接收所述PWM信号，以驱动所述MOS开关部件。本发明的基于Class‑D的水声通信功放有助于提高水声通信的距离，达到超远距离水声通信的目的。

摘要： 本发明属于水声通信领域，提供了一种水声通信的信号同步方法、系统及水声通信系统。该方法及系统通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信号帧的起始点，相对于同步评价函数的单峰值评价方式，降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧同步估计的干扰，提高了帧同步估计精度，降低了系统误码率。

摘要： 本发明公开了一种利用水声信道多径效应的水声通信接收机的实现方法，方法包括：在正交频分复用多载波技术的基础上，利用多路径效应基于时间反转层‑批归一化层‑卷积层组成的神经网络模型进行时间反转信号处理和特征提取，以此作为通信系统的接收端；通过全连接层实现网络的最终输出；在训练阶段，以提取和学习输入特征，通过最小化损失函数推断接收信号和二进制数据之间的关系；在测试阶段，将接收到的信号输入到训练后的网络模型中，恢复出二进制数据。本发明提高了水声通信接收机的性能，能够适应不同的水声信道环境。

摘要： 本发明公开了一种基于Class‑D的水声通信功放及水声通信设备，属于水声通信技术领域。本发明的基于Class‑D的水声通信功放包括积分电路、电平转换电路、驱动部件以及MOS开关部件；所述积分电路用于产生三角波信号；所述电平转换电路用于将所述三角波信号转换为PWM信号；所述驱动部件接收所述PWM信号，以驱动所述MOS开关部件。本发明的基于Class‑D的水声通信功放有助于提高水声通信的距离，达到超远距离水声通信的目的。

摘要： 本发明属于水声通信领域，提供了一种水声通信的信号同步方法、系统及水声通信系统。该方法及系统通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信号帧的起始点，相对于同步评价函数的单峰值评价方式，降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧同步估计的干扰，提高了帧同步估计精度，降低了系统误码率。

摘要： 本申请涉及一种基于水声通信与水声定位的信号传输方法及系统。所述方法包括：接收控制终端发送的控制指令，基于控制指令生成第一通信信号，利用水声通信将第一通信信号发送至水下信标端，水下信标端将第一通信信号发送至水下载具，水下信标端获取水下载具反馈的状态信息生成第二通信信号，水下信标端将第二通信信号和水下信标端的定位信号进行融合并将融合信号发送至水面主机端，水面主机端解析融合信号，得到水下载具的状态信息和水下信标端的位置信息。本申请可以实现定位数据在声学通信传输时同步解算，在数据通信过程中，同时得到水下目标的状态信息和位置信息，使得获取水下的信息更全面及更有效率。

摘要： 本发明公开了一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，属于水下无线传感器网络通信技术领域，主节点在换能器每次开启时发送一个超声波脉冲，用定时器控制换能器打开关闭的时间间隔将信息进行类MFSK调制；主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号；子节点捕获超声波脉冲并解调；子节点按照节点编号数值依次返回基本信息；主节点采用不同载波频率分别传递节点缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位，然后子节点将信息传递给上位机；本发明在水下通信过程中充分发挥水声换能器的性能，传输信号强度大，抗干扰能力强，传输距离远，完成较大数据包的传递和多节点通信，且编码方式更灵活。

摘要： 本发明公开了一种利用水声信道多径效应的水声通信接收机的实现方法，方法包括：在正交频分复用多载波技术的基础上，利用多路径效应基于时间反转层‑批归一化层‑卷积层组成的神经网络模型进行时间反转信号处理和特征提取，以此作为通信系统的接收端；通过全连接层实现网络的最终输出；在训练阶段，以提取和学习输入特征，通过最小化损失函数推断接收信号和二进制数据之间的关系；在测试阶段，将接收到的信号输入到训练后的网络模型中，恢复出二进制数据。本发明提高了水声通信接收机的性能，能够适应不同的水声信道环境。

摘要： 本实用新型一种基于两种水声通信体制的水声通信装置，包括：电源模块、AGC模块、滤波模块、数字信号处理模块、缓冲与放大模块及控制模块；控制模块产生驱动信号；数字信号处理模块，包括两种水声通信体制处理模式；当进行信号接收时，在相应驱动信号的控制下，采用相应体制的处理模式对滤波后的信号进行处理，解调成人耳能听到的形式，当进行信号发射时，在相应驱动信号的控制下，采用相应体制对待发送的信号进行调制，将解调/调制后的信号传输给缓冲与放大模块；缓冲与放大模块，调制后的信号缓冲放大后传输给扬声器，将解调后的信号缓冲放大后接入收听耳机中。本实用新型可采用两种通信体制与装备相同水声通信体制通信设备的潜艇进行水下通信。