CN101594185B - 移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，选取两个线性调频信号作为帧同步信号；对接收信号采样，对接收采样信号和其延迟信号互相关处理，计算相关函数的绝对值并与门限比较，小于门限则继续进行滑动相关处理；大于门限则判断有同步信号达到，加倍互相关处理的观测窗口长度，对接收采样信号和其延迟信号计算互相关函数，计算互相关函数的绝对值，判断其最大值对应的时间与互相关函数的中心点的偏移，计算多普勒因子；对副本信号进行重采样获得受多普勒影响的副本信号，和接收信号做相关处理，计算互相关函数的最大值对应的时间作为帧同步信号的时间起点。本发明可以在大多普勒环境下工作，提供精确的多普勒和同步估计。

Description

移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法

技术领域

本发明属于水声通信领域，涉及一种移动水声通信中的同步和多普勒偏移估计的方法。 

背景技术

水下无人航行器(UUV)作为海洋探测的重要工具，已成为各国海洋工程领域的研究热点，其中，应用于UUV高速运动过程中的移动水声通信，是涵盖海洋技术与信息技术的世界各国急需的高新技术之一。 

水声信道一般可以表征为带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂性及多变性严重限制了水声通信性能。特别地，对于移动水声通信，由于声波在海水种的传播速度仅为1500m/s，而航行器在水下的运动速度通常为1.5-15m/s。相对来说，航行器间较高的相对运动速度和声波在水中较低的传播速度导致了通信信号的时间展宽或压缩。对于水下低速运动平台，其通信信号时间展宽或压缩量为0.1％，而对水下高速运动平台，其通信信号的时间展宽或压缩量可达1％。通信信号的时间展宽或压缩，将导致符号同步误差累积。如时间展宽或压缩量为1％，其影响为在100个符号后，同步误差累积量为1个符号宽度。 

对于高数据率的移动水声通信而言，必须首先估计出信号到达时刻和多普勒因子，然后，根据估计出的多普勒因子对接收信号重采样，消除信号展宽或压缩，以实现低误码率的水下无线信息传输。当前，用于水声通信中的帧同步的方法主要有如下几种： 

1.在通信信号之前插入利用自相关性好的信号(线性调频信号或伪随机调相信号)作为同步信号；在接收端进行相关检测，以获得通信信号的同步参数。信号帧格式如图1所示，这种方法不能估计多普勒偏移，仅适合小多普勒下的高速水声通信或非相干低速水声通信中。在大多普勒情况下，相关峰出现位置偏移、幅度下降以及谱峰分裂的现象，如图2所示。 

2.在通信信号之前按顺序插入LFM信号和单频脉冲信号(CW信号)作为帧同步信号；在接收端利用相关检测，获得通信信号的起始时刻，对用谱分析方法对单频CW信号进行多普勒估计。对于高速水声通信来说，需要较高的频率分辨率，因此，需要较长持续时间的CW信号，降低了通信数据率。在大多普勒下，同样会出现如图2的 一系列现象，造成通信信号的起始点估计不准确。这进一步影响对单频信号的估计，严重影响通信系统性能。 

3.在通信信号前后分别插入两个线性调频信号，帧结构如图3所示，在接收端相关检测进行同步，同时，利用首尾两个相关峰之间的时间差的变化估计多普勒因子。这种方法估计精度高，适用于高速水声通信对载波频率估计精度的要求。但是，由于这一方法计算首尾两个相关峰的时间差变化量，因而，需要先保存一个完整的帧信号，占用的内存很大，不利于实时实现，降低了高速水声通信的有效性。但是，这种方法只适用于UUV低速运动时(10节以内)的通信信号的同步和Doppler估计，对于大多普情况下，出现谱峰分裂等原因，造成两相关峰之间的时间差估计不精确，影响了Doppler估计的精度，如图4所示。 

4.为了减少方法三对内存的需求，方法四在通信信号前后插入正调制和负调制率的两个线性调频信号，通过计算两个相关峰之间的时间差估计多普勒偏移。这种方法占用内存少，但是和前三种方法一样，在UUV高速运动时无法工作。 

发明内容

为了克服现有技术同步和多普勒估计的不足，本发明提供一种移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，可实现UUV等水下航行器高速运动(＞10节)时通信信号的精确同步和多普勒估计。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤： 

(1)选取覆盖水声通信系统带宽的两个相同的线性调频信号，两个线性调频信号的时间间隔为D，作为帧同步信号； 

(2)对接收信号作采样处理，设其采样率为f_s，采样频率通常为通信信号最高频率的4-6倍。对接收采样信号r(k)和其延迟信号r(k+D)做互相关处理，并计算相关函数的绝对值|C₁(τ)|； 

(3)|C₁(τ)|与一预定的门限进行比较，门限值为|C₁(τ)|均值的1/10，若小于门限，则返回步骤(2)继续进行滑动相关处理；若大于门限，则判断有同步信号达到，获得粗同步，并转入步骤4； 

(4)加倍互相关处理的观测窗口长度，对接收采样信号r(k)和其延迟信号r(k+D)计算互相关函数，并计算互相关函数的绝对值|C₂(τ)|，判断|C₂(τ)|最大值对应的时间与互 相关函数的中心点的偏移α，计算多普勒因子 $\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\α}}{D};$

(5)利用多普勒因子Δ，对副本信号进行重采样获得受多普勒影响的副本信号s_Δ(t)，利用此信号，和接收信号做相关处理，计算互相关函数|C₃(τ)|的最大值对应的时间τ₂，并以此作为帧同步信号的时间起点。 

本发明的有益效果是：与以往方法无法在大Doppler环境下工作相比，本发明通过水声通信中帧同步信号的特殊设计以及改进的信号处理方法可以在大多普勒环境下工作，提供UUV等高速运动情况下的精确的多普勒和同步估计。 

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

附图说明

图1是LFM信号作为帧同步信号的水声通信信号帧结构示意图。 

图2是在不同多普勒条件下的同步出示意图。 

图3是用两个LFM信号来估计多普勒的水声通信信号帧结构示意图。 

图4是在不同多普勒条件下的多普勒估计示意图。 

图5是本发明的水声通信信号帧结构示意图。 

图6是本发明的多普勒与同步估计实施流程图。 

图7是在不同多普勒条件下的多普勒估计结果示意图。 

图8是在不同多普勒条件下的同步估计结果示意图。 

具体实施方式

在本发明中，帧同步信号采用两个相同的线性调频(LFM)信号s(t)，它可表示为： 

s(t)＝sin(2πf_lt+πμt²)    t∈[0，T]    (1) 

式中，f_l为LFM信号的起始频率，μ为线性调频信号的调制率，μ＞0为正调频，μ＜0为负调频，T为信号脉冲宽度，信号带宽为B，有如下关系成立 

B＝μT    (2) 

两个线性调频信号之间有一段标识信号I(t)，其目的是有两点：(1).标识调制方法或参数；(2).提高多普勒估计精度。联合三段信号，形成帧同步信号，可表示为 

p(t)＝[s(t) I(t) s(t)]    (3) 

其中，设前两段信号的持续时间为D。 

通信信号经线性功率放大器输出，通过发射换能器将声信号发射到水声信道中。 

由于UUV等的运动，造成了水声通信收发机之间存在一定的相对运动.对于宽带高速水声通信来说，其接收信号在时间上受到压缩或扩展，在每个频点上产生的多普勒频移不一致。因此，水声通信接收信号一般建模为： 

r(t)＝x((1+Δ)t)    (4) 

式中，x(t)表示发射信号和r(t)接收到的具有Doppler偏移的信号，Δ表示Doppler因子，可以表示为： 

Δ＝v/c    (5) 

其中，c是声速，v是发射和接收机相对径向速度。 

对于宽带水声通信信号，当接收端仅考虑载波频率偏移补偿时，码元符号的展宽或压缩将导致符号同步误差。受Doppler影响的接收信号的帧长度可表示为 

D′＝(1+Δ)D    (6) 

因而，多普勒因子Δ可表示为 

$\mathrm{\Δ}=\frac{D^{\′}-D}{D}---\left(7\right)$

根据式(7)，通过符号长度的变化可以估计出多普勒因子Δ。按照已有的方法利用已知的LFM同步信号副本对接收机进行拷贝相关处理时，会由于存在信号的失配造成相关峰值下降、时延和谱峰分裂，如图2和4所示。本发明通过特殊帧同步信号的设计，对接收信号做如下处理 

$C_1\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}r(t+\mathrm{\τ})r^{*}(t+D)\mathrm{dt}---\left(8\right)$

即接收信号r(t)和其延迟信号r(t+D)做互相关，观测时间为T，τ∈(-T，T)。多普勒偏移和水声信道，对这两个信号的影响一致。当|C₁(τ)|大于某一预定门限η时，说明，通信信号已到达，获得粗同步t₀。为了保证多普勒估计的精度，在粗同步后，增加观测时间，再做一次互相关，可表示为 

$C_2\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{2T}{\∫}}r(t_0+\mathrm{\τ})r^{*}(t_0+D){\mathrm{dt}}_0---\left(9\right)$

根据相关峰包络|C₂(τ)|最大值的位置τ₁相对于互相关函数中心点的偏移量 

α＝τ₁-τ₀    (10) 

根据式7可得到 

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\α}}{D}---\left(11\right)$

该方法的另一优点是利用了水声信道的多径信息，提高了多普勒估计的精度。当估计出多普勒因子Δ之后，对拷贝副本s(t)按Δ进行重采样获得s_Δ(t)， 

s_Δ(t)＝s((1+Δ)t)    (12) 

而后，利用s_Δ(t)对最后一段观测的接收信号进行细同步， 

$C_3\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{2T}{\∫}}r(t_0+\mathrm{\τ})s_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(13\right)$

计算|C₃(τ)|的最大值对应的位置τ₂，用此点最为帧信号的时间起点 

本发明所述的这种移动水声通信中的精确Doppler和同步的方法，计算过程如图6所示。具体步骤如下： 

步骤1：选取覆盖水声通信系统带宽的两个相同的线性调频信号，两个线性调频信号的时间间隔为D，作为帧同步信号； 

步骤2：按照式8对输入信号r(t)和其延迟信号r(t+D)作互相关处理，并计算互相关函数的绝对值|C₁(τ)|。 

$C_1\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}r(t+\mathrm{\τ})r^{*}(t+D)\mathrm{dt}$

步骤3：|C₁(τ)|与一设定的门限η进行比较，门限值为|C₁(τ)|均值的1/10，若小于门限，则返回步骤1继续进行相关处理，若|C₁(τ)|超过门限，则判为有同步脉冲到达，实现粗同步，计算转入步骤3。 

步骤4：加倍观测时间窗口长度，按照式9对输入信号r(t)和其延迟信号r(t+D)作互相关处理，并计算互相关函数的绝对值|C₂(τ)|。 

$C_2\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{2T}{\∫}}r(t_0+\mathrm{\τ})r^{*}(t_0+D){\mathrm{dt}}_0$

计算|C₂(τ)|的最大值所对应的位置τ₁，并按式10计算其与互相关函数的中点的间隔α，再按式11计算多普勒因子Δ。 

步骤5：细同步，按式12，用估计出的Δ对副本信号s(t)进行重采样获得s_Δ(t)。按式13，用重采样后的信号s_Δ(t)，计算互相关函数|C₃(τ)|的最大值对应的时间τ₂，并以此作为帧同步信号的时间起点。 

$C_3\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{2T}{\∫}}r(t_0+\mathrm{\τ})s_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

具体的计算实例： 

步骤1：选取两个相同的LFM信号。 

LFM脉冲信号的带宽为10-20kHz，脉冲宽度T＝20ms，采样频率为80kHz，接收信噪比为0dB。 

步骤2：计算|C₁(τ)|。 

根据式(5)产生不同多普勒偏移影响的接收信号，包括Δ＝0，无相对运动；Δ＝0.01，相对运动速度约为30节；Δ＝0.02，相对运动速度约为60节。 

再根据式(8)计算|C₁(τ)|， 

步骤3：|C₁(τ)|与一预定的门限进行比较，并进行判决。 

步骤4：计算|C₂(τ)|，判断|C₂(τ)|最大值对应的时间与与互相关函数的中心点的偏移α，计算多普勒因子 $\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\α}}{D}.$

如图7所示，不同多普勒因子时的互相关函数包络输出结果。与图2比较可知，采用本发明所提供的技术，其相关函数的最大值基本不变，只存在时延偏移。通过时延偏移量，根据式(11)可准确估计出多普勒因子。 

步骤5：细同步。 

图8给出了利用估计的多普勒因子Δ，产生拷贝相关器的副本信号s_Δ(t)同步估计结果示意图。 

Claims (1)

1.移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)选取覆盖水声通信系统带宽的两个相同的线性调频信号，两个线性调频信号的时间间隔为D，作为帧同步信号；

(2)对接收信号作采样处理，设其采样频率为f_s，采样频率通常为通信信号最高频率的4-6倍；对接收采样信号r(k)和其延迟信号r(k+D)做互相关处理，并计算相关函数的绝对值|C₁(τ)|；

(3)|C₁(τ)|与一预定的门限进行比较，门限值为|C₁(τ)|均值的1/10，若小于门限，则返回步骤(2)继续进行滑动相关处理；若大于门限，则判断有同步信号达到，获得粗同步，并转入步骤(4)；

(4)加倍互相关处理的观测窗口长度，对接收采样信号r(k)和其延迟信号r(k+D)计算互相关函数，并计算互相关函数的绝对值|C₂(τ)|，判断|C₂(τ)|最大值对应的时间与互相关函数的中心点的偏移α，计算多普勒因子

(5)利用多普勒因子Δ，对副本信号进行重采样获得受多普勒影响的副本信号s_Δ(t)，利用此信号，和接收信号做相关处理，计算互相关函数|C₃(τ)|的最大值对应的时间τ₂，并以此作为帧同步信号的时间起点。

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