CN100392993C - 通信信号的反多普勒频移方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信信号的反多普勒频移方法。通讯系统的发射端发射一发射信号，该通讯系统的接收端接收与该发射信号对应的接收信号；该发射信号及其相应的接收信号包括：同步信号、测定信号和通信信号。通讯系统的接收端根据接收信号中的测定信号获取多普勒频移系数，并根据多普勒频移系数对接收信号中通信信号的频谱进行频移，使得频移后的通信信号的频谱与发射信号的通信信号的频谱相一致。本发明的反多普勒频移方法不需要在通讯系统的接收端存储大量的通信信号的频移拷贝信号，减少了系统存储量的要求，并且显著的提高了计算效率。

Description

通信信号的反多普勒频移方法

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及水声通信信号的多普勒失配修正。

背景技术

水声通信中，信号发射机与接收机之间的相互运动和水体的流动都将引起信号的多普勒频移。水声通信是用于舰船之间的通信方式，信号发射机是位于发射船上的发射换能器，信号的接收机是位于接收船上的水听器阵。发射机在发射船上发射通信信号，通过水声信道的传播，接收机在接收船上接收信号，完成通信。多普勒频移的计算公式如下：

$\mathrm{\Δf}=|f_r-f_s|=|f_s\·\frac{c-v_r}{c-v_s}-f_s|=f_s\·\left|\frac{v_s-v_r}{c-v_s}\right|---\left(1\right)$

式中：f_s是发射信号频率、f_r是接收信号(或者说多普勒频移信号)频率、v_s是发射机运动速度、v_r是接收机运动速度，c是水中的声速。公式(1)的另一种常用的表达方式如下式所示：

f_r＝f_s(1+β)    (2)

其中，β是多普勒频移系数，从公式(1)可看出，多普勒频移Δf是和发射机运动速度v_s、接收机运动速度v_r和水中的声速c相关的一个物理量。在收发双方发生相对运动时，信号频率越高则多普勒频移越大。此外时变、空变的信道也会导致信号的多普勒频移。

多普勒频移通常会降低匹配滤波器的检测能力，当其超出一定的容限之后，通信的可靠性会严重降低，以至于无法正常通信。因此通常需要将带有多普勒频移的接收信号作如公式(3)的修正，把接收机收到的发生多普勒频移的信号恢复到没有多普勒频移的状态，使得接收信号的频谱与其相应的发射信号的频谱一致。

f_s＝f_r/(1+β)    (3)

但是在现有技术中，由于不能够先验地得到多普勒频移系数β，因此在对多普勒频移信号进行宽带匹配滤波时，首先需要生成并存储发射信号的拷贝信号，这些拷贝信号对应于发射信号经各种可能的多普勒频移后的信号。也就是说，对于任何可能出现的多普勒频移系数β都生成与该多普勒频移系数β对应的发射信号的拷贝信号。然后在这些拷贝信号中利用穷举法或牛顿法进行搜索匹配，找到与多普勒频移信号(接收信号)最相近的拷贝信号，并将该拷贝信号对应的发射信号的频谱作为接收信号的频谱。这样就消除了接收信号的多普勒频移，也就是对接收信号的多普勒频移进行了修正。这种处理方法的存储量和运算量很大。在实际应用中，尤其是在M元通信方式下，拷贝信号包括同步信号和发射的通信信号，每种信号都要保存200个左右的频移拷贝信号，系统存储量要求太大，需要采用一种减小存储量和运算量的多普勒频移修正方法。

本申请人在申请号为03156106.3的中国专利申请“一种M-ary扩频通信方法”中提供了一种混沌调频信号的生成方法，该方法是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成混沌调频信号，该专利在本申请中引入作为参考。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，得到一种有效的反多普勒频移的方法，通过这种方法可以修正信号的多普勒失配，并且显著减小系统的存储量和运算量。

为了实现上述目的，本发明提供的通信信号的反多普勒频移方法，包括步骤：

a)从接收到的发射信号中测量得到多普勒频移系数β，对接收到的发射信号中的通信信号做窗快速傅立叶变换得到接收频谱；

b)根据多普勒频移系数β，对步骤a)得到的接收频谱作频移变换，得到最终频谱；所述频移变换的方法如下：

设所述最终频谱通信频带内的频点为N，则该频点N在接收频谱内对应的频点为N′，N′＝(1+β)N；对于所述最终频谱通信频带内的每个频点N，将接收频谱N′频点处的谱线平移至该频点处，当N′不是整数时，则通过插值求得该点的谱线值。

上述技术方案中，测量所述多普勒频移系数β的方法如下：

1)通讯系统的发射端发射一发射信号，该通讯系统的接收端接收与所述发射信号对应的接收信号；所述发射信号及其相应的接收信号包括：

同步信号，用于在接收端确定接收信号的起始位置；

测定信号，用于测定在信号传输过程中的产生的多普勒频移；

通信信号，该信号为携带有所需传输数据的通信信号；

2)所述通讯系统的接收端根据接收信号中的同步信号同步所述接收信号；

3)所述通讯系统的接收端根据接收信号中的测定信号获取多普勒频移系数β。

上述技术方案中，所述测定信号为单频信号。

本发明的优点在于：

(1)本发明的反多普勒频移方法通过在发射信号中提供一测定信号来测定信号传输过程中的发生的多普勒频移，并根据测定的多普勒频移对通信信号进行反多普勒频移补偿。相比于现有技术，不需要在通讯系统的接收端存储大量的通信信号的频移拷贝信号，减少了系统存储量的要求。

(2)本发明的反多普勒频移方法在获得多普勒频移系数后，用一次反多普勒频移补偿计算来对接收信号进行频移。相比于现有技术，不需要做大量的搜索匹配运算，显著的提高了计算效率。

附图说明

图1是本发明的反多普勒频移方法应用于水声通信系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1给出了将本发明用于水声通信系统的一个原理图。如图1所示，在本发明中，通信系统的发射信号10包括有三个部分：同步信号11、测定信号12、通信信号13。

其中，同步信号11是为了让通信系统能够在接收端找到接收信号的起始位置，通常是要确定接收信号的信号头位置。同步信号11可选取为线性调频信号、编码调相信号或双曲调频信号。应当理解，采用同步信号来确定接收信号中信号头位置是本领域的常用技术手段，本领域的技术人员对同步信号的选取是熟知的。在一个实施例中，同步信号11选取为线性调频信号，根据实际通信的要求，该线性调频信号的时间长度在2s～20s之间选取，起始频率在400Hz～1000Hz之间选取，带宽在30Hz～300Hz之间选取。

通信信号13是发射信号10中的主体部分，通信信号13中携带有通信系统进行数据通信时所需的数据信号。应当理解，本发明中对通信信号13的类型不作限制。这里的通信信号13可以是本领域的技术人员所公知的一些通信信号，例如M元扩频通信信号、GOLD_BPSK信号、MFSK信号等。通信信号13也可以是本申请人在申请号为03156106.3的中国专利申请“一种M-ary扩频通信方法”中提供的混沌调频信号。在一个实施例中，通信信号13为混沌调频信号，根据实际通信的要求，该混沌调频信号的时间长度在2.0s～20.0s之间选取，中心频率小于1000Hz，信号带宽在30Hz～300Hz之间选取，混沌序列长度在63～4095之间选取。

相比于现有技术，本发明的发射信号10中还包括了一个测定信号12，该测定信号12用于测定接收信号的多普勒频移系数。测定信号12可以选取为单频信号、脉间频移信号或阶梯调频信号。由于单频信号频谱简单，所以测定信号12优选为单频信号。在一个实施例中，测定信号12为单频信号，该单频信号的时间长度在2s～20s之间选取，载波频率在400Hz～1000Hz之间选取。

将同步信号11、测定信号12和通信信号13顺序相接，得到发射信号10。

发射信号10通过换能器20发射，经水声信道传播，用水听器阵30接收到信号，再将接收的信号通过带通滤波器滤波，放大、采集后得到数字化的接收信号40。对应于发射信号10中的同步信号11、测定信号12和通信信号13，接收信号40中包括同步信号41、测定信号42和通信信号43。

对接收信号40中的同步信号41做傅立叶变换50，根据同步信号41确定接收信号40的起始位置61。相应于前述的一个实施例，接收信号40中的同步信号41为线性调频信号，由于线性调频信号的自相关是一个窄脉冲信号，因此通过发射信号10中的线性调频信号与接收信号40中的线性调频信号做搜索匹配，能够得到接收信号40的起始位置61。

根据得到的接收信号40的起始位置，提取出测定信号42，对测定信号42作傅立叶变换50，测定信号传输过程中所产生的多普勒频移量，通过公式(2)求得多普勒频移系数β62。

用测定信号42获得多普勒频移系数β62后，即可根据多普勒频移系数β62利用公式(3)对接收信号40中的通信信号43进行频移，以便将通信信号43恢复到没有多普勒频移的状态，也就是得到反多普勒频移信号70。在进行频移前，先对通信信号43作傅立叶变换(FFT)50，得到通信信号43的复包络63，然后对通信信号包络63作频移得到反多普勒频移信号70。反多普勒频移信号70与发射信号中的通信信号13的频谱一致。

前述的傅立叶变换50最好是窗快速傅立叶变换(ZoomFFT)，这样可以得到信号的复包络，可减小运算量。进一步的，如下文所述，在反多普勒频移信号70的计算过程中需要使用频域插值，为提高插值的精度，要求FFT具有高的分辨率。实际运用中，FFT的分辨率较低时反多普勒频移算法的效果不理想；提高FFT分辨率的方法是增加FFT的数据长度，这就增大了计算量；在保证一定分辨率的前提下，使用ZoomFFT可以大大减少FFT计算的点数，从而减小计算量。

下面详细描述反多普勒频移信号70的计算过程：

设发射信号10中的通信信号13的有效频带范围是[f_a，f_b](f_b＞f_a)，拷贝信号数字化时使用的采样率为f_s，根据采样定理，f_s＞2f_b以保证信号的有效频带的频谱不发生混叠，用于作FFT的数据样点数为N_FFT，则频率f_t(f_i∈[f_a，f_b])对应的FFT频点为

$N_{f_t}=\frac{f_i}{f_s}{N}_{\mathrm{FFT}}.---\left(4\right)$

当通信信号13经过传播发生了多普勒频移后，在接收信号40中的通信信号43中，与发射频率f_i相对应的接收频率变成f′_i

f_i′＝f_i(1+β)，    (5)

其中β为多普勒频移系数。

将(5)式代入(4)式，得到通信信号43中频率为f′_i的FFT频点N′_ft为

$f_{f_t}^{\′}=\frac{f_i^{\′}}{f_s}{N}_{\mathrm{FFT}}=\frac{(1+\mathrm{\β})f_i}{f_s}{N}_{\mathrm{FFT}}=(1+\mathrm{\β})N_{f_t}.---\left(6\right)$

为了从通信信号43中恢复出消除频移的第N_fi点的频谱，利用(6)式求得其在频移后的频谱中的对应位置N′_ft，将N′_ft位置的频谱的值赋给接收信号频谱的第N_ft点，这一运算可称之为反多普勒频移变换。依此类推，对接收信号中的通信信号43的整个通信频段都进行这一操作，则得到通信信号43按照多普勒频移系数β进行反多普勒频移后的反多普勒频移信号70。从公式(4)～(6)可以看出，反多普勒频移信号70与发射信号中的通信信号13的频谱是一致的。特别是，当公式(6)中的N′_ft不是整数时，可以通过插值求得该点的谱线值。

表1中列出了常规滑动相关方法和本发明的反多普勒频移方法的计算量和存储量。可以看出，反多普勒频移方法对系统的存储量的要求比常规滑动相关方法减小了4个数量级，运算速度比常规滑动相关方法快了2个数量级。反多普勒频移方法结合ZoomFFT很大程度减少了计算量和对系统的存储要求。

表1常规滑动相关方法和反多普勒频移方法的计算量和存储量比较表

在本具体实施方式部分虽然以水声通讯过程来描述本发明，但是本领域的技术人员可以理解，本发明的技术方案也同样适用于其他通讯过程中需要对多普勒频移作出修正的技术场合。

Claims (3)

1.一种通信信号的反多普勒频移方法，包括步骤：

a)从接收到的发射信号中测量得到多普勒频移系数β，对接收到的发射信号中的通信信号做窗快速傅立叶变换得到接收频谱；

b)根据多普勒频移系数β，对步骤a)得到的接收频谱作频移变换，得到最终频谱；所述频移变换的方法如下：

设所述最终频谱通信频带内的频点为N，则该频点N在接收频谱内对应的频点为N′，N′＝(1+β)N；对于所述最终频谱通信频带内的每个频点N，将接收频谱N′频点处的谱线平移至该频点处，当N′不是整数时，则通过插值求得该点的谱线值。

2.根据权利要求1所述的通信信号的反多普勒频移方法，其特征在于，测量所述多普勒频移系数β的方法如下：

1)通讯系统的发射端发射一发射信号，该通讯系统的接收端接收与所述发射信号对应的接收信号；所述发射信号及其相应的接收信号包括：

同步信号，用于在接收端确定接收信号的起始位置；

测定信号，用于测定在信号传输过程中的产生的多普勒频移；

通信信号，该信号为携带有所需传输数据的通信信号；

2)所述通讯系统的接收端根据接收信号中的同步信号同步所述接收信号；

3)所述通讯系统的接收端根据接收信号中的测定信号获取多普勒频移系数β。

3.根据权利要求2所述的通信信号的反多普勒频移方法，其特征在于，所述测定信号为单频信号。

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