專利名稱：移動水聲通信信號的多普勒估計(jì)與同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲通信領(lǐng)域，涉及一種移動水聲通信中的同步和多普勒偏移估計(jì)的 方法。
背景技術(shù)：
水下無人航行器(uuv)作為海洋探測的重要工具，已成為各國海洋工程領(lǐng)域的研 究熱點(diǎn)，其中，應(yīng)用于uuv高速運(yùn)動過程中的移動水聲通信，是涵蓋海洋技術(shù)與信
息技術(shù)的世界各國急需的高新技術(shù)之一。
水聲信道一般可以表征為帶寬有限、多徑干擾嚴(yán)重的時、頻、空變信道。水聲信 道的復(fù)雜性及多變性嚴(yán)重限制了水聲通信性能。特別地，對于移動水聲通信，由于聲
波在海水種的傳播速度僅為1500 m/s,而航行器在水下的運(yùn)動速度通常為1.5-15 m/s。 相對來說，航行器間較高的相對運(yùn)動速度和聲波在水中較低的傳播速度導(dǎo)致了通信信 號的時間展寬或壓縮。對于水下低速運(yùn)動平臺，其通信信號時間展寬或壓縮量為0.1%, 而對水下高速運(yùn)動平臺，其通信信號的時間展寬或壓縮量可達(dá)1%。通信信號的時間 展寬或壓縮，將導(dǎo)致符號同步誤差累積。如時間展寬或壓縮量為1%，其影響為在100 個符號后，同步誤差累積量為1個符號寬度。
對于高數(shù)據(jù)率的移動水聲通信而言，必須首先估計(jì)出信號到達(dá)時刻和多普勒因子， 然后，根據(jù)估計(jì)出的多普勒因子對接收信號重采樣，消除信號展寬或壓縮，以實(shí)現(xiàn)低 誤碼率的水下無線信息傳輸。當(dāng)前，用于水聲通信中的幀同步的方法主要有如下幾種
1. 在通信信號之前插入利用自相關(guān)性好的信號(線性調(diào)頻信號或偽隨機(jī)調(diào)相信號) 作為同步信號；在接收端進(jìn)行相關(guān)檢測，以獲得通信信號的同步參數(shù)。信號幀格式如 圖l所示，這種方法不能估計(jì)多普勒偏移，僅適合小多普勒下的高速水聲通信或非相 干低速水聲通信中。在大多普勒情況下，相關(guān)峰出現(xiàn)位置偏移、幅度下降以及譜峰分 裂的現(xiàn)象，如圖2所示。
2. 在通信信號之前按順序插入LFM信號和單頻脈沖信號(CW信號)作為幀同步信 號-,在接收端利用相關(guān)檢測，獲得通信信號的起始時刻，對用譜分析方法對單頻CW 信號進(jìn)行多普勒估計(jì)。對于高速水聲通信來說，需要較高的頻率分辨率，因此，需要 較長持續(xù)時間的CW信號，降低了通信數(shù)據(jù)率。在大多普勒下，同樣會出現(xiàn)如圖2的一系列現(xiàn)象，造成通信信號的起始點(diǎn)估計(jì)不準(zhǔn)確。這進(jìn)一步影響對單頻信號的估計(jì)， 嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能。
3. 在通信信號前后分別插入兩個線性調(diào)頻信號，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，在接收端相 關(guān)檢測進(jìn)行同步，同時，利用首尾兩個相關(guān)峰之間的時間差的變化估計(jì)多普勒因子。 這種方法估計(jì)精度高，適用于高速水聲通信對載波頻率估計(jì)精度的要求。但是，由于 這一方法計(jì)算首尾兩個相關(guān)峰的時間差變化量，因而，需要先保存一個完整的幀信號， 占用的內(nèi)存很大，不利于實(shí)時實(shí)現(xiàn)，降低了高速水聲通信的有效性。但是，這種方法
只適用于UUV低速運(yùn)動時(IO節(jié)以內(nèi))的通信信號的同步和Doppler估計(jì)，對于大多普 情況下，出現(xiàn)譜峰分裂等原因，造成兩相關(guān)峰之間的時間差估計(jì)不精確，影響了 Doppler 估計(jì)的精度，如圖4所示。
4. 為了減少方法三對內(nèi)存的需求，方法四在通信信號前后插入正調(diào)制和負(fù)調(diào)制率 的兩個線性調(diào)頻信號，通過計(jì)算兩個相關(guān)峰之間的時間差估計(jì)多普勒偏移。這種方法 占用內(nèi)存少，但是和前三種方法一樣，在UUV高速運(yùn)動時無法工作。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)同步和多普勒估計(jì)的不足，本發(fā)明提供一種移動水聲通信信號
的多普勒估計(jì)與同步方法，可實(shí)現(xiàn)UUV等水下航行器高速運(yùn)動(MO節(jié))時通信信號的
精確同步和多普勒估計(jì)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟
(1) 選取覆蓋水聲通信系統(tǒng)帶寬的兩個相同的線性調(diào)頻信號，兩個線性調(diào)頻信號 的時間間隔為D,作為幀同步信號；
(2) 對接收信號作采樣處理，設(shè)其采樣率為乂，采樣頻率通常為通信信號最高頻率 的4-6倍。對接收采樣信號^t)和其延遲信號^fc + D)做互相關(guān)處理，并計(jì)算相關(guān)函數(shù)
的絕對值IC^;
(3) IC,W與一預(yù)定的門限進(jìn)行比較，門限值為IC乂r均值的1/10，若小于門限，
則返回步驟(2)繼續(xù)進(jìn)行滑動相關(guān)處理；若大于門限，則判斷有同步信號達(dá)到，獲得 粗同步，并轉(zhuǎn)入步驟4;
(4) 加倍互相關(guān)處理的觀測窗口長度，對接收采樣信號rOt)和其延遲信號r(/UD)
計(jì)算互相關(guān)函數(shù)，并計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的絕對值lc"q,判斷l(xiāng)c"^最大值對應(yīng)的時間與互相關(guān)函數(shù)的中心點(diǎn)的偏移"，計(jì)算多普勒因子A-，；
(5)利用多普勒因子A，對副本信號進(jìn)行重采樣獲得受多普勒影響的副本信號 "W，利用此信號，和接收信號做相關(guān)處理，計(jì)算互相關(guān)函數(shù)ICj^的最大值對應(yīng)的時間
r2，并以此作為幀同步信號的時間起點(diǎn)。
本發(fā)明的有益效果是與以往方法無法在大Doppler環(huán)境下工作相比，本發(fā)明通過 水聲通信中幀同步信號的特殊設(shè)計(jì)以及改進(jìn)的信號處理方法可以在大多普勒環(huán)境下工
作，提供uuv等高速運(yùn)動情況下的精確的多普勒和同步估計(jì)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖l是LFM信號作為幀同步信號的水聲通信信號幀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是在不同多普勒條件下的同步出示意圖。
圖3是用兩個LFM信號來估計(jì)多普勒的水聲通信信號幀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是在不同多普勒條件下的多普勒估計(jì)示意圖。 圖5是本發(fā)明的水聲通信信號幀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是本發(fā)明的多普勒與同步估計(jì)實(shí)施流程圖。 圖7是在不同多普勒條件下的多普勒估計(jì)結(jié)果示意圖。 圖8是在不同多普勒條件下的同步估計(jì)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，幀同步信號采用兩個相同的線性調(diào)頻(LFM)信號40,它可表示為 々)=sin(2;^ +豐2), e [o, r] (1)
式中，/'為LFM信號的起始頻率， 〃為線性調(diào)頻信號的調(diào)制率，^>0為正調(diào)頻， #<()為負(fù)調(diào)頻，T為信號脈沖寬度，信號帶寬為B,有如下關(guān)系成立 萬=, (2)
兩個線性調(diào)頻信號之間有一段標(biāo)識信號^)，其目的是有兩點(diǎn)(1).標(biāo)識調(diào)制方法 或參數(shù)；(2).提高多普勒估計(jì)精度。聯(lián)合三段信號，形成幀同步信號，可表示為 刷4)] (3)其中，設(shè)前兩段信號的持續(xù)時間為D。
通信信號經(jīng)線性功率放大器輸出，通過發(fā)射換能器將聲信號發(fā)射到水聲信道中。
由于uuv等的運(yùn)動，造成了水聲通信收發(fā)機(jī)之間存在一定的相對運(yùn)動.對于寬帶高
速水聲通信來說，其接收信號在時間上受到壓縮或擴(kuò)展，在每個頻點(diǎn)上產(chǎn)生的多普勒
頻移不一致。因此，水聲通信接收信號一般建模為
r(f) = x((l + A)0 (4)
式中，W)表示發(fā)射信號和KO接收到的具有Doppler偏移的信號，A表示Doppier 因子，可以表示為
八_ V/
AVc (5) 其中，c是聲速，v是發(fā)射和接收機(jī)相對徑向速度。
對于寬帶水聲通信信號，當(dāng)接收端僅考慮載波頻率偏移補(bǔ)償時，碼元符號的展寬 或壓縮將導(dǎo)致符號同步誤差。受D叩pler影響的接收信號的幀長度可表示為
Z)'=(1 + A)D (6)
因而，多普勒因子A可表示為
" (7) 根據(jù)式(7),通過符號長度的變化可以估計(jì)出多普勒因子A。按照已有的方法利用已
知的LFM同步信號副本對接收機(jī)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理時，會由于存在信號的失配造成相
關(guān)峰值下降、時延和譜峰分裂，如圖2和4所示。本發(fā)明通過特殊幀同步信號的設(shè)計(jì)，
對接收信號做如下處理
ci W = J"r(" r)/ G + D)力
o (8)
即接收信號^)和其延遲信號 + D)做互相關(guān)，觀測時間為T， re(-r,r)。多普
勒偏移和水聲信道，對這兩個信號的影響一致。當(dāng)le'(d大于某一預(yù)定門限^時，說明，
通信信號已到達(dá)，獲得粗同步"。為了保證多普勒估計(jì)的精度，在粗同步后，增加觀 測時間，再做一次互相關(guān)，可表示為2T1
o (9)
根據(jù)相關(guān)峰包絡(luò)^W最大值的位置^相對于互相關(guān)函數(shù)中心點(diǎn)的偏移量
"=7,—7。 (10)
根據(jù)式7可得到
" (11)
該方法的另一優(yōu)點(diǎn)是利用了水聲信道的多徑信息，提高了多普勒估計(jì)的精度。
當(dāng)估計(jì)出多普勒因子A之后，對拷貝副本々)按A進(jìn)行重采樣獲得^W，
^K(1,) (12)
而后，利用^(0對最后一段觀測的接收信號進(jìn)行細(xì)同步，
o (13)
計(jì)算lG(d的最大值對應(yīng)的位置^，用此點(diǎn)最為幀信號的時間起點(diǎn)
本發(fā)明所述的這種移動水聲通信中的精確Doppler和同步的方法，計(jì)算過程如圖6 所示。具體步驟如下
步驟l:選取覆蓋水聲通信系統(tǒng)帶寬的兩個相同的線性調(diào)頻信號，兩個線性調(diào)頻信 號的時間間隔為D,作為幀同步信號；
步驟2:按照式8對輸入信號^)和其延遲信號r(f + Z))作互相關(guān)處理，并計(jì)算互相
關(guān)函數(shù)的絕對值lc^)。
ci W =卜t+rK G+,f
0
步驟3: IC,(r)與一設(shè)定的門限7進(jìn)行比較，門限值為IC，W均值的1/10，若小于門 限，則返回步驟l繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)處理，若ld(r)超過門限，則判為有同步脈沖到達(dá)，實(shí) 現(xiàn)粗同步，計(jì)算轉(zhuǎn)入步驟3。
步驟4:加倍觀測時間窗口長度，按照式9對輸入信號咔)和其延遲信號^ + ")作 互相關(guān)處理，并計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的絕對值IC"r)。C2 (7) = JV(Z0 + T> * (,0 + D)戌
計(jì)算lq(^的最大值所對應(yīng)的位置L ，并按式10計(jì)算其與互相關(guān)函數(shù)的中點(diǎn)的間隔
"，再按式ll計(jì)算多普勒因子A。
步驟5:細(xì)同步，按式12，用估計(jì)出的A對副本信號々)進(jìn)行重采樣獲得&")。按
式13，用重采樣后的信號^(/)，計(jì)算互相關(guān)函數(shù)|073(^的最大值對應(yīng)的時間^，并以此
作為幀同步信號的時間起點(diǎn)。
具體的計(jì)算實(shí)例
步驟l:選取兩個相同的LFM信號。
LFM脈沖信號的帶寬為10-20kHz,脈沖寬度T:20ms，采樣頻率為80kHz，接收信 噪比為OdB。
步驟2:計(jì)算IC,W。
根據(jù)式(5)產(chǎn)生不同多普勒偏移影響的接收信號，包括A = 0 ，無相對運(yùn)動；A = 0.01 ， 相對運(yùn)動速度約為30節(jié)；A-0.02，相對運(yùn)動速度約為60節(jié)。 再根據(jù)式(8)計(jì)算IC,(r〗，
步驟3: IC,(r)與一預(yù)定的門限進(jìn)行比較，并進(jìn)行判決。
步驟4:計(jì)算|(72(^，判斷IC,(^最大值對應(yīng)的時間與與互相關(guān)函數(shù)的中心點(diǎn)的偏移 "，計(jì)算多普勒因子A-^。
如圖7所示，不同多普勒因子時的互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)輸出結(jié)果。與圖2比較可知，采 用本發(fā)明所提供的技術(shù)，其相關(guān)函數(shù)的最大值基本不變，只存在時延偏移。通過時延 偏移量，根據(jù)式(ll)可準(zhǔn)確估計(jì)出多普勒因子。
步驟5:細(xì)同步。
圖8給出了利用估計(jì)的多普勒因子A，產(chǎn)生拷貝相關(guān)器的副本信號^(0同步估計(jì)結(jié) 果示意圖。
權(quán)利要求
1、移動水聲通信信號的多普勒估計(jì)與同步方法，其特征在于包括下述步驟(1)選取覆蓋水聲通信系統(tǒng)帶寬的兩個相同的線性調(diào)頻信號，兩個線性調(diào)頻信號的時間間隔為D，作為幀同步信號；(2)對接收信號作采樣處理，設(shè)其采樣率為fs，采樣頻率通常為通信信號最高頻率的4-6倍；對接收采樣信號r(k)和其延遲信號r(k+D)做互相關(guān)處理，并計(jì)算相關(guān)函數(shù)的絕對值|C1(τ)|；(3)|C1(τ)|與一預(yù)定的門限進(jìn)行比較，門限值為|C1(τ)|均值的1/10，若小于門限，則返回步驟(2)繼續(xù)進(jìn)行滑動相關(guān)處理；若大于門限，則判斷有同步信號達(dá)到，獲得粗同步，并轉(zhuǎn)入步驟4；(4)加倍互相關(guān)處理的觀測窗口長度，對接收采樣信號r(k)和其延遲信號r(k+D)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)，并計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的絕對值|C2(τ)|，判斷|C2(τ)|最大值對應(yīng)的時間與互相關(guān)函數(shù)的中心點(diǎn)的偏移α，計(jì)算多普勒因子<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>α</mi> <mi>D</mi></mfrac><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100219760002C1.tif" wi="13" he="8" top= "147" left = "110" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>(5)利用多普勒因子Δ，對副本信號進(jìn)行重采樣獲得受多普勒影響的副本信號sΔ(t)，利用此信號，和接收信號做相關(guān)處理，計(jì)算互相關(guān)函數(shù)|C3(τ)|的最大值對應(yīng)的時間τ2，并以此作為幀同步信號的時間起點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移動水聲通信信號的多普勒估計(jì)與同步方法，選取兩個線性調(diào)頻信號作為幀同步信號；對接收信號采樣，對接收采樣信號和其延遲信號互相關(guān)處理，計(jì)算相關(guān)函數(shù)的絕對值并與門限比較，小于門限則繼續(xù)進(jìn)行滑動相關(guān)處理；大于門限則判斷有同步信號達(dá)到，加倍互相關(guān)處理的觀測窗口長度，對接收采樣信號和其延遲信號計(jì)算互相關(guān)函數(shù)，計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的絕對值，判斷其最大值對應(yīng)的時間與互相關(guān)函數(shù)的中心點(diǎn)的偏移，計(jì)算多普勒因子；對副本信號進(jìn)行重采樣獲得受多普勒影響的副本信號，和接收信號做相關(guān)處理，計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的最大值對應(yīng)的時間作為幀同步信號的時間起點(diǎn)。本發(fā)明可以在大多普勒環(huán)境下工作，提供精確的多普勒和同步估計(jì)。
文檔編號H04B13/02GK101594185SQ20091002197
公開日2009年12月2日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者何成兵, 張群飛, 申曉紅, 雷開卓, 晶 韓, 黃建國 申請人:西北工業(yè)大學(xué)