摘要
同时同频全双工通信的频谱利用率在理想情况下是传统半双工通信方式的两倍，因此其对于带宽严重受限的水声通信而言具有重要的意义。同时同频全双工水声通信系统需要在相同频率和相同时间上发射信号并接收远端的期望信号，自干扰抵消性能决定了全双工水声通信的性能。自干扰抵消技术根据处理域的不同分为模拟自干扰抵消和数字自干扰抵消，模拟自干扰抵消通常在数字自干扰抵消之前进行，其目的是使包含自干扰信号和期望信号的接收信号强度不超过系统的动态范围，期望信号不会淹没在模数转换器的量化噪声中，而数字自干扰抵消对残余的自干扰信号进行抵消。 全双工水声通信系统与全双工无线电通信系统差异性较大，由于水声通信的载波频率较低(10kHz左右)，不需要使用振荡器产生载波进行上下变频。因此全双工水声通信系统不要考虑IQ不平衡和振荡器相位噪声，只需要考虑功放的非线性失真。但是水声信号的传播速度为1500m/s，远小于无线电信号的传播速度，自干扰信号和期望信号在不同时隙达接收端，这一特性对全双工水声通信技术提出了新的挑战，全双工水声通信系统无法和全双工无线电系统一样，通过划分不同时隙，分别估计自干扰信道和期望信道，以避免期望信号对自干扰信道的估计精度产生影响。综上，全双工水声通信系统主要面临两个问题:功放的非线性失真和全双工水声通信系统为异步系统。针对这两个问题，本文进行了以下研究: 首先对水声信道进行了建模，介绍了不同海洋环境下的传播损失和海洋环境噪声级的经验公式，然后分别计算了在高斯信道和衰落信道条件下全双工水声通信和半双工水声通信的加权速率和，分析了全双工水声通信性能优于半双工水声通信所需的自干扰抵消性能以及加权系数、声源级、环境噪声级对全双工水声通信系统的影响。设计了模拟自干扰抵消方案，分析水声通信系统中功放的非线性失真和自干扰信号传播时延差对抵消性能的影响，完成了模拟自干扰抵消系统的软硬件设计调试。 其次针对全双工水声通信系统为异步系统，提出了一种利用自干扰信号和期望信号的非交叠区域估计自干扰信道的抵消算法，该算法能够有效避免期望信号对自干扰信道估计精度的影响，提高自干扰抵消性能。针对功放非线性失真问题，使用基于过参数化理论的递归最小二乘算法和基于双线性理论的递归最小二乘算法，仿真结果表明基于过参数化理论的递归最小二乘算法的抵消性能优于基于双线性理论的递归最小二乘算法。为了进一步降低对非交叠区域长度的要求，提出了带稀疏约束的过参数化递归最小二乘算法，仿真和实验结果证明了算法的有效性。 针对非交叠区域过短，无法利用其估计自干扰信道的情况。本文使用基于最大似然原理的自干扰抵消算法，推导了非参数最大似然自干扰信道算法的收敛条件和稳态误差。针对稀疏自干扰水声信道，使用自然梯度原理对非参数最大似然算法进行改进，提高其收敛速度。最后提出了一种稀疏非参数最大似然算法，提高了收敛速度和稳态估计精度，并推导了稀疏非参数最大似然算法的收敛条件和稳态估计误差，理论上证明了在稀疏信道条件下，该算法优于非参数最大似然算法。仿真和实验结果表明非参数最大似然类算法的估计精度明显优于最小二乘算法，稀疏非参数最大似然算法的性能最优。 最后针对时变自干扰水声信道，提出了基于卡尔曼自适应滤波器的自干扰抵消算法。首先研究了标准卡尔曼滤波器参数对其性能影响，并介绍了简化卡尔曼自适应滤波器，提出了动态参数的卡尔曼自适应滤波器。针对稀疏水声自干扰信道，介绍了基于伪测量理论的压缩感知卡尔曼自适应滤波器，提出了一种新的稀疏卡尔曼自适应滤波器。仿真结果表明新的稀疏卡尔曼自适应滤波器的综合性能最优，动态参数卡尔曼自适应滤波器相较于标准卡尔曼自适应滤波器，能够有效避免期望信号对估计精度的影响。
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