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1、中北大学硕士学位论文水声信号编码与传输特性研究姓名：杜坤坤申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：张丕状20090428中北大学学位论文水声信号编码与传输特性研究捅婴随着我国社会主义现代化建设的不断发展，对海洋资源的开发越来越引起人们的重视。对海洋工程而言，人们关心在什么位置发生什么样的事情，但是如果不能确定传感器所在基站的位置，采集到的信息并没有实际意义。因此必须研究对无线传感器网络所组成的基站进行定位。另外，由于海洋环境复杂多变，受到海风、海浪、潮汐和气候等因素的影响，浮标基站的位置会随时发生变化，其位置的改变与时空场信息的重建密切相关，如何精确地定位浮标基站的位置就成为一个亟待解
2、决的问题。本文首先介绍了漂浮式基站自主定位系统的基本原理和总体结构，然后通过介绍水声信号传播规律和特性，研究了定位信号的编码与传输方式。在此基础上重点设计了自主定位系统的核心部分水声定位信号收发系统，并且对定位信号的处理进行了研究。水声定位信号收发系统采用波形存储的原理，能够完成在频分复用模式下基站的自主定位；同时在理论上该系统支持基于码分复用模式的定位信号的发射，具有一定的扩展能力。在对定位信号进行分析时，文章提出了一种基于采样点数差的数据处理方法，实验证明该处理方法能够得到较高的定位精确度。最后在河流中进行了系统的测试，通过实验证明：在一定的距离范围内，采用本论文设计的定位系统能够实现漂浮
3、式基站的自主定位，且定位距离在200米x200米以内；采用本论文提出的数据处理方案可以把定位精度控制在02毫秒以内。定位系统低功耗、高精度的特点使得系统在海洋环境观测、资源勘探和水下通信中都将占有一席之位。关键词：基站的自主定位，波形存储，频分复用，MATLAB数据处理，无线传感器网络中北大学学位论文TheResearchofAcousticSignalCodingandTransmissionCharacteristicsDuKunkunTutor：ZhangPizhuangAbstractWiththeprogressofsocialistmodernizationconstruction
4、inChinathedevelopmentofmarineresourceshasincreasinglyattractedattentionOnmarineprojects，peoplecareaboutwhathappensinsomelocationButifyoucallnotdeterminethelocationofthesensorinthebasestation，theinationcollectedisnotpracticalsignificanceItisnecessarytostudythepositionofthebasestationwhichareconstruct
5、edbythewirelesssensornetworkInaddition，becausethecomplexandchangeablemarineenvironmentaleaffectedbytheseawaves，tidesandweatherandotherfactors，thelocationofthebuoybasestationhavetochangeatanytimeWhiletherealethecloserelationtothechangeof1eirpositionandthereconstructionofinationinspace-timeSotheissueh
6、owaccuratelythelocationofbasestationpositioningisnecessarytoberesolvedFirst，thisarticleintroducedthebasicprinciplesandoverallstructureoftheself-positioningsysteminthefloatingbasestationAndthentheencodingandtransmissionofpositioningsignalhavebeendesignedOnthisbasisthecoreoftheself-positioningsystemac
7、ousticpositioningsignalstosendandreceivesystem，hasbeendesignedInthissystem，itCallcompleteself-positioningofbasestationsinfrequencydivisionmultiplexingmode，bytheprincipleofwavememoryAndthesystemcansendthesignalincodedivisionmultiplexingmodeintheorySOithasacertainexpansionofcapacityWhentheanalysisofpo
8、sitioningsignalhavebeendone，adataprocessinghasbeenpresentedwhichisbasedonsamplingpo硫differenceandtheexperimentsshowthattheapproachcanbehigherpositioningaccuracyFinallMtheoverallsystemistestedintheriverTheexperimentshaveprovedthatthe中北大学学位论文floatingbasestationcanbelocatedbyitsdfcompletelyandbyusingth
9、epositioningsystemdesignedinthepaperItcanachievethedistancewhichis200meterstimes200meters，andthedataprocessingprogrampresentedinthepaperCancontrolthepositioningoflessthan02millisecondsThepositionsystemhavelowpowerandhighprecisionfeatures，anditmakethesystemwouldoccupyasignificantpositioninthemarineen
10、vironmentobservationresourceexplorationandunderwatercommunicationKeywords：self-positioningofbasestationwavememoryfrequencydivisionmultiplexingMATLABdataprocessingwirelesssensornetwork原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式
11、标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：j藿塑阻FI垮t：上旦颦L互一关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：立型牡隼一导师签名：迸型丝：日期：幽：亟：圭日期：兰竺坚鱼：墨中北大学学位论文11课题的背景和意义第一章绪论随着现代社会的信息化程度越来越高，人们已不满足对陆上事物的认知
12、，渐渐地将目光转移到了水下，水下通信越来越受到人们的重视。在水下通信中，无线传感器网络组成的基站得到了广泛的应用，尤其是在海洋信息收集、海洋资源探测、商业开发以及沿海地区防御等方面占有重要的位置n1。在浮标基站的众多应用中，用户关心的一个重要问题是：在什么位置或区域发生了什么事件。例如：目标跟踪、入侵检测、环境监控等。因此通过对浮标基站的定位可以建立一个空间坐标，以此为基准完成对其它测试基站的定位，进而根据测试基站的测试参数实现对目标的定位。只有精确地对浮标基站定位，才能精确地建立空间坐标基准，在这个基础上才能准确地对目标进行定位。另外，由于海洋环境复杂多变，受到海风、海浪、潮汐和气候等因素的
13、影响，浮标基站的位置会随时发生变化，其位置的改变与时空场信息的重建密切相关，因此如何精确地定位浮标基站的位置就成为一个亟待解决的问题。在一定的距离范围内对浮标基站的定位方法通常可以分为：基于到达时间(timeofarriveTOA)的定位、基于到达时间差(timedifferenceofarrive，TDOA)的定位、基于到达角度(angleofarriveAOA)的定位，以及基于接收信号强度指示(receivedsinglestrengthindicationRSSI)的定位。虽然基于距离的定位机制通常定位精度相对较高，但是对各浮标基站的硬件也提出了较高的要求，定位过程中消耗的能量相对多，且
14、定位系统易受到温度、湿度及障碍物等环境因素的影响乜1。针对水声信号的复杂特性以及定位方法的高消耗、易受环境影响的特点，本论文设计了一种基于TDOA定位算法的漂浮式基站自主定位系统；并根据定位原理和系统要求，对定位信号的编码方式进行了研究，重点设计了定位系统的核心水声定位信号收发系统。本论文所设计的漂浮式基站自主定位系统能够有效地克服水中风浪、潮汐等因素的影响，具有低成本、低功耗、稳定性的特点，因此不论在国防建设中还是在国民经济建设中，都有着非常广泛的用途。在国防建设中，可以通过水下无线传感器网络的节点定1中北大学学位论文位，实现对其他测试基站的跟踪和定位；也可以实现对水中武器的定位，达到检测水
15、下武器性能的目的；系统对于舰船、潜艇的作战和防护也又一定的意义。此外，在国民经济建设方面也有着非常广泛的用途。随着人类在各种水域中的活动不断的增加，水声通信越来越频繁，使用定位的方法能够快速精确地对各个基站或者船只进行定位，从而有效地进行通信，还可以避免事故的发生。同时，通过对各浮标基站的精确定位，可以对其他目标(尤其是石油等海洋资源)进行准确定位，为我们进一步开发海洋资源提供有力支持。另外，该系统全天候、无人职守的工作特点，避免了人力资源的浪费以及免收环境干扰的影响。漂浮式基站自主定位系统具有广泛的应用，因此开展对自主定位系统的研究是一个具有挑战性的课题，它不仅可以促进我国浮标基站的定位技术
16、的发展，为更好的进行各种海洋试验提供条件；同时，还有利于海洋资源的开发，能够带来良好的经济效益。12国内外研究现状1999年8月15日，在美国西雅图召开第五届ACMIEEE移动计算与网络国际学术会议年会(MOBICOM99)上，加利福尼亚大学洛衫矶分校计算机科学系的DeborahEstrin教授等发表了具有里程碑意义的研究论文：NextCenturyChallenges：ScalableCoordinationinSensorNetworks，从此拉开了传感器网络研究的序幕口1。从1992年AT&ALaboratoriesCambridge开发出陆地室内定位系统至今，许多研究者开始倾向于对无线传感器网络定位问题的研究，并且已经形成了许多相对成熟的系统和算法H1。此后，不论是在空中、陆地上还是水下，有关无线传感器网络的定位技术的研究与应用都占据着重要的一席之位。在无线传感器网络中的定位技术中，根据定位对象的不同可以分为两类，一类是对出现在网络内除节点之外的外部目标的定位即目标定位，一类是对网络内节点自身的定位即
