CN101692629B

CN101692629B - 一种测量并计算多普勒偏移的方法及其系统

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Publication number: CN101692629B
Application number: CN2009100983045A
Authority: CN
Inventors: 张学森; 冯海泓; 郭霖; 黄敏燕; 温周斌
Original assignee: JIAXING ZHONGKE ACOUSTICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIAXING ZHONGKE ACOUSTICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: CN101692629A

Abstract

本发明所述的一种测量并计算多普勒偏移的方法为：信号产生在信号处理单元1中通过导频信号产生模块和合成模块实现，信号解算在信号处理单元2中通过相关器1，相关器2和信号解算模块实现。本发明所述的测量并计算多普勒偏移方法的系统包括接收端和发射端，发射端包括信号处理单元1，功放，发射换能器，接收端包括接收换能器，滤波器，信号处理单元。信号处理单元1与功放之间通过数据线连接；功放和发射换能器之间通过数据线连接；发射换能器和接收换能器之间是无线水声信道；接收换能器和滤波器之间通过数据线连接；滤波器和信号处理单元之间通过数据线连接。

Description

一种测量并计算多普勒偏移的方法及其系统

技术领域：

本发明提出了一种多普勒偏移估计和时间同步的方法，其目的是应用于相干解调系统的水声通信系统，为相干解调提供频率偏移的估计，并且准备的给出时间同步信息。本发明也给出了测量并计算多普勒偏移方法的系统

背景技术：

现在的水声通信技术已经由纯军事用途扩展到民用和商用中，广泛用于导航，水下测量，海洋勘探和开发等众多领域。随着对海洋探索的不断深入，传统的低速率通信方式已经越来越不能满足人们对于传输大量数据的要求，现在需要的是高速率、高可靠性的通信方式。

在过去的20年间，相干解调的水声通信系统取得了长足的进展。相干解调本身的特性决定了这种方法对于时间定位和频偏估计精度的要求很高。而声波在水中传播的时候，多普勒效应非常明显，这给水声通信带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的是研究出一种测量并计算多普勒偏移的方法及其系统。

本发明针对水声通信中出现的多普勒现象而带来的水声通信困难，给出了一种快速测量并计算多普勒偏移的方法。

本发明所述的测量并计算多普勒偏移的方法的技术方案为：

至少包括以下步骤：

水声通信系统的发射端在发送有效数据前，先发送一对双曲线调频信号作为导频信号，形式如下：

P (n) = s (n T_{s} - \frac{T}{2}) + s (\frac{3 T}{2} - n T_{s})

其中，

其中，T_s是水声通信系统的采样间隔，A是双曲线调频信号的幅度，T是双曲线调频信号由最低频扫到最高频所经过的时间，m是信号的调频斜率，f₀是信号s(n)过零点时的频率；导频信号与待发送有效数据之间的间隔是确定的；水声通信系统的接收端需要有相关器1和相关器2对接收的信号进行相关处理，

相关器1参考信号形式如下：

R_{1} (n) = s (n T_{S} - \frac{T}{2})

相关器2的参考信号形式如下：

R_{2} (n) = s (\frac{T}{2} - n T_{S})

设相关器1和相关器2输出信号的包络出现峰值对应的点数为n₁和n₂，那么：

A、频率偏移系数

p = \frac{m (n_{2} - n_{1})}{{2 f}_{0} F_{s} + m (n_{2} - n_{1})}

参数p的物理意义是，在发射端发出的频率为f的信号，经过信道传播后，接收端接到的信号频率为p·f。

B、扫频信号出现频率最大值的时刻是：

n_{\max} = \frac{n_{1} + n_{2}}{2}

则有效数据对应的信号出现时刻为：

n_e＝n_max+(τ-T)T_s

本发明的优点是：解决频偏估计精度和时间定位的问题。本发明的方法应用于水声通信服务。

附图说明

图1为本发明发射端与接收端的各部分关系框图。

图2为导频信号产生模块和合成模块连接关系框图。

图3为相关器1、相关器2和相关峰分板模块关系框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图所示，本发明所述的测量并计算多普勒偏移的方法为：

信号产生在信号处理单元1(1)中通过导频信号产生模块(7)和合成模块(8)实现，信号解算在信号处理单元2(6)中通过相关器1(9)，相关器2(10)和信号解算模块(11)实现，包括如下步骤：

步骤1、根据实际测量需要，选择双曲线调频信号的幅度A，频率下限f_L，频率上限f_H，扫频时间T。令：

f_{0} = \frac{2 f_{l} f_{H}}{f_{l} + f_{H}},

m = \frac{4 f_{L} f_{H} (f_{H} - f_{L})}{T {(f_{L} + f_{H})}^{2}}

获得双曲线调频信号的解析表达式如下：

步骤2、导频信号产生模块(7)产生作为导频信号的一对双曲线调频信号，解析表达式如下：

P (t) = s (t - \frac{T}{2}) + s (\frac{3 T}{2} - t)

实际生成的数字信号：

P (n) = s (n T_{S} - \frac{T}{2}) + s (\frac{3 T}{2} - n T_{S})

其中，采样间隔T_S应当与有效数据的频带信号的采样间隔一致。

步骤3、合成模块(8)将有效数据的频带信号Q(n)延迟τ(τ＞2T)，与导频信号相加，生成发出的信号，表达式如下：

C (n) = P (n) + Q (n - \frac{t}{T_{S}})

步骤4、C(n)作为发射信号经放大等处理后，通过发射换能器(3)发射出去。接收换能器(4)收到信号后，送入滤波器处理，再经过采样后，得到接收信号：

D (n) = \tilde{C} (n - k) + N (n)

其中，

表示出现了多普勒偏移的发射信号，k是发射端和接收端之间的延迟，主要由声速以及发射换能器(3)和接收换能器(4)间的距离决定。N(n)表示信道中的加性噪声。

步骤5、D(n)被分别送入相关器1(9)和相关器2(10)是进行相关运算。相关器1(9)中的参考信号表达式如下：

R_{1} (n) = s (n T_{S} - \frac{T}{2})

相关器2(10)中的参考信号表达式如下：

R_{2} (n) = s (\frac{T}{2} - n T_{S})

相关器1(9)的输出信号表达式如下：

V_{1} (n) = Σ_{m = 0}^{T / T_{s}} D (n + m) R_{1} (m)

相关器2(10)的输出信号表达式如下：

V_{2} (n) = Σ_{m = 0}^{T / T_{s}} D (n + m) R_{2} (m)

步骤6、相关器1(9)和相关器2(10)的输出结果V₁(n)和V₂(n)送入相关峰分析模块(11)。相关峰分析模块(11)计算出相关器1(9)输出的相关峰时刻的点数

和相关器2(10)输出的相关峰时刻相关峰分析模块(11)依据n₁和n₂，可解得接收到的信号出现的多普勒偏移系数，表达式如下：

p = \frac{m (n_{2} - n_{1})}{2 f_{0} F_{s} + m (n_{2} - n_{1})}

其中，F_S＝1/T_s为系统采样频率。

相关峰分析模块(11)依据n₁和n₂，可解得导频信号出现频率最大值的时刻，表达式如下：

n_{\max} = \frac{n_{1} + n_{2}}{2}

可以计算出接收端出现有效数据对应的信号的时刻为：

n_e＝n_max+(τ-T)T_s。

上述测量并计算多普勒偏移的方法采用的系统为原有水声通信系统的发射和接收系统。该测量并计算多普勒偏移方法的系统包括：接收端和发射端。

发射端包括信号处理单元1(1)，功放(2)，发射换能器(3)，接收端包括接收换能器(4)，滤波器(5)，信号处理单元(6)。信号处理单元1(1)与功放(2)之间通过数据线连接；功放(2)和发射换能器(3)之间通过数据线连接；发射换能器(3)和接收换能器(4)之间是无线水声信道；接收换能器(4)和滤波器(5)之间通过数据线连接；滤波器(5)和信号处理单元(6)之间通过数据线连接。

信号处理单元1(1)用于将需要发送的信息转化为待发送的信号，可由一块DSP实现。它包括导频信号产生模块(7)，合成模块(8)。

功放(2)用于放大待发送的信号。

发射换能器(3)用于将电信号转化为声信号发送出去。

接收换能器(4)用于接收声信号，并转化为电信号。

滤波器(5)用于选择特定频段的信号，以提高信噪比。

信号处理单元2(6)用于对接收到的信号进行解算，获得发射端发出的信息可由一块FPGA和一块DSP实现。FPGA实现相关器1(9)和相关器2(10)，DSP实现相关峰分板模块(11)，FPGA与DSP间由数据线连接。

但由于本发明需要进行较为复杂的运算，因而可以使用但并不是必须使用额外信号处理设备。

Claims

1.一种测量并计算多普勒偏移的方法，其特征在于至少包括以下步骤：

其中，