CN103023583B - 一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置 - Google Patents

Abstract

一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置，涉及一种水声通信设备。设有前置模块、模数转换模块、运算模块和帧同步建立/多普勒测量模块。前置模块的输入端与接收端水声换能器的信号输出端连接；模数转换模块由DDS芯片DDS1、DDS2、DDS3控制的3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3组成，所述3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3的输入端接前置模块的输出端；运算模块的输入端接3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3模数转换后的数字信号输出端；所述帧同步建立/多普勒测量模块的输入端接运算模块的经拷贝相关处理后的3个运算结果输出端。水声通信中可简单、方便地实现多普勒效应抑制并可测量多普勒。

Description

一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置

技术领域

本发明涉及一种水声通信设备，尤其涉及一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置。

背景技术

水声通信技术可广泛应用于海洋资源勘探、海洋开发、海洋环境监测、水下作业等领域，是当前海洋高技术的重要热点和前沿。由于海洋信道具有的强烈、复杂的随机时－空－频变效应、多径效应、多普勒效应及背景噪声，因此高性能水声通信系统的设计是挑战性极高的任务。

由于海水中声速与空气中电磁波传播速度相差5个数量级，与无线通信系统相比，海洋介质、海面的不均匀以及收发平台的相互运动造成的多普勒效应对水声通信过程中帧同步建立、信号解调等环节的影响要严重得多，特别是对于直接影响信号解调过程时序建立的帧同步环节，因此对多普勒效应的抑制是水声通信系统设计中必须考虑的一个重要因素。

研究人员提出了多种用于水声通信中可抑制并测量多普勒的同步方法。如以线性调频信号作为同步头，一定间隔后插入单频信号，利用线性调频信号获取帧同步信息，利用对单频信号的测频结果获得多普勒估计，但此方法使用单频信号对水声信道的频率选择性衰落特性敏感，在单频信号衰减严重时多普勒测量性能下降；第二种方法利用固定时间间隔的两个线性扫频信号作为帧同步头和多普勒测量信号，接收端通过对这两个固定间隔扫频信号的匹配滤波获取间隔时间的变化来测量多普勒效应，但由于根据固定间隔时间的压缩或者拉伸测量获得的是此段时间内的平均多普勒，在帧同步头及间隔时间均较长时无法体现多普勒效应的时变变化特性。同时，上述方法由于需两个扫频信号或扫频与单频信号组合组成帧同步头，降低了发射信号帧结构的时间利用效率。

中国专利CN100448189C提出一种水声通信中的精确帧同步方法，利用升线性调频和降线性调频信号叠加组成帧同步信号，通过接收端分别对其中的升调频和降调频部分进行匹配滤波获得的两个峰值信息来进行精确的帧同步建立及多普勒测量，可在一个帧同步信号时间范围内实现帧同步及多普勒测量。但由于其帧同步头由升线性调频和降线性调频信号叠加组成，帧同步头具有较高的峰均比将大大降低水声发射机的发射效率，导致帧同步头信号信噪比降低，从而影响同步性能；同时，当水声信道多普勒效应值较小时，该方法中两个校准信号（升调频和降调频）拷贝相关峰间的时间差极小，也将影响多普勒测量的准确性。

中国专利200910100598.0提出一种MFSK水声通信的多普勒测量与修正方法，采用对带两根多普勒测量谱线的编码复基频信号进行zoom-FFT处理获得较高分辨率的多普勒测量值，然后采用测量值进行复基频信号的多普勒修正。但由于基于两根单谱线的测量，其测量结果对水声信道的频率选择性衰落仍然有较大的敏感性，当其中一根、或者两根谱线的频率位置出现严重衰落时，测量准确度将受较大影响。

中国专利201010101289.8提出一种实时水声通信中基于直接数字频率合成(Digital DirectFrequency Synthesis，DDS)的多普勒补偿装置，首先采用DSP对输入信号进行测频、多普勒估计后，DSP通过接口送入多普勒补偿参数至DDS芯片，DDS芯片输出多普勒补偿后的采样频率控制模数转换芯片进行模数转换，实现基于硬件的多普勒补偿，避免了软件实现数据重采样付出的运算量开销。但此方法本身无法实现帧同步过程，且需依赖于帧同步建立后提供的时间起点信息进行DSP测频、多普勒估计及校正。

发明内容

本发明的目的在于提供水声通信中可简单、方便地实现多普勒效应抑制并可测量多普勒的一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置。

本发明设有：

前置模块，所述前置模块的输入端与接收端水声换能器的信号输出端连接，用于对接收信号进行前置处理；

模数转换模块（ADC模块），所述模数转换模块由DDS芯片DDS1、DDS2、DDS3控制的3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3组成，所述3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3的输入端接前置模块的输出端；

运算模块，所述运算模块用于对帧同步头进行匹配滤波处理，运算模块的输入端接3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3模数转换后的数字信号输出端；

帧同步建立/多普勒测量模块，所述帧同步建立/多普勒测量模块用于对运算模块相关运算获得的3个输出结果进行相关峰检测，通过对3个相关峰峰值位置的检测判断帧同步时间点，并由此获得多普勒测量结果，所述帧同步建立/多普勒测量模块的输入端接运算模块的经拷贝相关处理后的3个运算结果输出端。

所述前置模块可由前置放大电路和滤波器组成，所述前置放大电路的输入端接接收端水声换能器的信号输出端，滤波器的输出端接前置放大电路的输出端。

本发明的基本实现思路是仅利用一个单线性扫频信号作为帧同步头，结合通过DDS芯片控制模数转换形成的正、负多谱勒频偏校准信号进行帧同步建立及多普勒测量，从而避免了水声信道条件下采用多个线性扫频、单频信号组成帧头信号、或多个扫频信号叠加形成高峰均值的帧头信号造成帧同步建立、多普勒测量中的性能局限。

本发明所述的带声源方向跟踪功能的可抑制并测量多普勒的水声通信帧同步装置结构图如图1所示，该装置包括：由前置放大电路和带通滤波器组成的前置处理模块；由DDS芯片控制的3路模数转换芯片(Analog-to-Digital Converter,ADC)ADC1、ADC、ADC3组成的模数转换模块；对帧同步头进行匹配滤波处理的运算模块；帧同步建立及多普勒测量模块。其中，帧同步信号采用一个线性调频信号s(t)组成，因而在发射信号帧格式中只占用一个线性调频信号宽度，且具有发射信号峰均比值小、利于提高发射机发射效率的优点。在该装置的各功能模块中，前置处理模块、模数转换模块由前置放大、滤波器、（ADC）模数转换芯片、DDS芯片等硬件电路组成；相关运算模块、帧同步建立及多普勒测量模块为数字信号处理部分，由DSP芯片软件编程实现。

各模块间的连接关系为：

前置模块与接收端水声换能器的信号端连接用于对接收信号进行前置处理；

模数转换模块由3片DDS芯片通过参数控制分别产生的频率为f₁＝f_s,f₂=(1+k)f_s,f₃=(1-k)f_s的方波振荡信号用于控制模块中的3片模数转换芯片按照不同的采样频率进行模数转换，其中k为设定的多普勒范围因子；

相关运算模块首先将3片模数转换芯片模数转换后的信号存入处理缓冲区，然后分别进行拷贝相关处理，获取相关运算输出；

帧同步建立及多普勒测量模块对相关运算获得的3个输出结果进行相关峰检测，通过对3个相关峰峰值位置的检测判断帧同步时间点，并由此获得多普勒测量结果。

本发明提出的水声通信中可抑制多普勒效应的帧同步装置采用的技术方案主要包括以下步骤：

1)输入信号前置放大、带通滤波处理；

2)对接收信号进行模数转换，设定3个DDS芯片分别输出频率分别为f₁＝f_s,f₂=(1+k)f_s,f₃=(1-k)f_s的方波信号，DSP芯片利用DDS芯片输出的方波以f₁,f₂,f₃的采样率分别控制3片模数转换芯片对接收信号进行模拟数字转换。

3）对模数转换后的输入信号进行相关运算处理，以采样率f_s计算获得的线性扫频信号s(t)作为拷贝对3个模数转换芯片以采样频率f₁,f₂,f₃所得的输入信号r₁(t),r₂(t),r₃(t)进行拷贝相关处理，上述拷贝相关处理是本领域公知的一种数字信号处理方法，计算公式如下：

$R_1\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^T{r}_1(t+\mathrm{\τ})s\left(t\right)\mathrm{dt};---\left(1\right)$

$R_2\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^T{r}_2(t+\mathrm{\τ})s\left(t\right)\mathrm{dt};---\left(2\right)$

$R_3\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^T{r}_3(t+\mathrm{\τ})s\left(t\right)\mathrm{dt};---\left(3\right)$

式(1)～(3)中T为脉冲宽度。将所得拷贝相关处理结果取绝对值后与设定门限比较，若小于门限则返回步骤2)继续处理；若超过门限，则转入帧同步建立/多普勒测量步骤；

4)分别计算R₁(τ)R₂(τ)R₃(τ)最大值所对应的时刻τ_m1，τ_m2,τ_m3，则可根据下式获得抑制多普勒效应的帧同步精确时刻

${\mathrm{\τ}}_m=\frac{{\mathrm{\τ}}_{m2}+{\mathrm{\τ}}_{m3}}{2}---\left(4\right)$

由于利用正、负多普勒范围的频移信号作为校准信号，利用此时刻作为帧同步起点位置可抑制多普勒效应的影响。同时，可根据下式进行表征多普勒效应的相对多普勒因子β的估算：

$\mathrm{\β}=0.5k\frac{{\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_m}{{\mathrm{\τ}}_{m2}-{\mathrm{\τ}}_{m3}}---\left(5\right)$

由于采用正负多普勒范围因子对应的采样频率作为校准信号，本发明中即使水声信道多普勒值较小，对应的校标信号拷贝相关峰位置τ_m2，τ_m3之间的时间差也较大，有利于保证根据式(4)、(5)进行多普勒测量时的准确性。

本发明要解决的问题是在水声通信系统中仅使用一个线性调频信号脉冲作为帧同步头的条件下，提供一种可抑制多普勒的帧同步精确建立装置、并可测量多普勒效应。考虑到水声信道频率选择性衰落对单频信号的影响及升、降扫频信号叠加造成的峰均比高对水声通信发射机发射效率的影响，本发明提出采用DDS芯片硬件方式生成多普勒正、负校准采样频率进行模数转换，并通过对正、负校准采样频率获得信号的拷贝相关处理进行精确帧同步建立，同时实现多普勒测量。

与现有的多普勒条件下水声通信帧同步方法相比，本发明提出的可抑制多普勒的帧同步装置有两个突出的优点：第一，由于仅使用单一线性扫频信号作为帧同步头，因此简化了信号帧设计、提高了发射帧的时间利用率，并可以较低的峰均值提高发射机的发射效率，保证帧同步信号的信噪比；第二，由于利用DDS芯片硬件方式产生正、负校准采样频率分别对正、负频偏进行校准，因此使得帧同步建立及多普勒测量过程的实现简单、方便。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的前置处理电路原理图。

图3为本发明实施例的模数转换及与DDS、DSP接口电路原理图。

图4为本发明实施例DSP中相关处理、帧同步及多普勒测量程序流程图。

图5为本发明实施例DSP中断服务程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术内容、特征、优点更加明显易懂，下文以一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置并结合附图具体说明如下：

如图1所示，本发明实施例设有：

前置模块1，所述前置模块1的输入端与接收端水声换能器A的信号输出端连接，用于对接收信号进行前置处理。

模数转换模块（ADC模块），所述模数转换模块由DDS芯片DDS1、DDS2、DDS3控制的3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3组成，所述3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3的输入端接前置模块1的输出端。

运算模块3，所述运算模块3用于对帧同步头进行匹配滤波处理，运算模块3的输入端接3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3模数转换后的数字信号输出端。

帧同步建立/多普勒测量模块4，所述帧同步建立/多普勒测量模块4用于对运算模块3相关运算获得的3个输出结果进行相关峰检测，通过对3个相关峰峰值位置的检测判断帧同步时间点，并由此获得多普勒测量结果，所述帧同步建立/多普勒测量模块4的输入端接运算模块3的经拷贝相关处理后的3个运算结果输出端。

所述前置模块1可由前置放大电路11和滤波器12组成，所述前置放大电路11的输入端接接收端水声换能器A的信号输出端，滤波器12的输出端接前置放大电路11的输出端。

在本发明实施例中，接收水声换能器A由中心频率14～18kHz的圆柱型压电陶瓷水声换能器组成。本发明实施例包括水声换能器、前置处理模块、模数转换模块、相关处理模块、同步建立及多普勒测量模块等功能模块。实施例中帧同步脉冲宽度T为30ms，线性调频信号的中心频率为16kHz，低端频率14kHz，高端频率18kHz，信号带宽4kHz。

各组成模块中前置处理模块可由美国AD公司AD620低噪声前置放大芯片、TL084运算放大器芯片、Maxium公司的MAX274开关电容滤波器芯片组成，其中MAX273开关电容滤波器设置为通带14～18kHz的带通滤波器。具体电路如图2所示。经过前置放大、带通滤波后的输出信号分为A,B,C3路送入后续模数转换电路。

模数转换模块由3片AD9851DDS芯片，及3片MAX153模数转换芯片组成，其功能为在DSP的设置下DDS芯片输出频率分别为f₁＝f_s,f₂=(1+k)f_s,f₃=(1-k)f_s的方波信号用于控制模数转换芯片进行3种采样频率的模数转换。AD9851DDS芯片与MAX153模数转换芯片及TMS320C6713处理器之间的连接电路图如图3所示。在初始化阶段，TMS320C6713处理器通过IO口GP0,GP1,GP2,GP3对AD9851DDS芯片管脚进行设置，设置AD9851芯片output管脚输出波形的类型和频率，在本实施例中输出类型为方波，参考水声信道特性的典型数据，本实施例中多普勒范围因子k＝0.004，即分别设置3片AD9851的输出频率为f₁=96000Hz,f₂=96384Hz,f₃=95616Hz。

3片AD9851输出不同的3个振荡频率f₁,f₂,f₃后，如图3所示，实施例该装置中AD9851DDS芯片、MAX153模数转换芯片及TMS320C6713处理器之间的连接方式以前置放大、带通滤波后的A通路具体说明如下：A通路信号送入MAX153芯片U1的输入V_in脚后，由AD9851芯片U10输出频率为f₁的方波信号接入MAX153芯片U1的WR/RDY及RD端以启动模数转换转换，当模数转换结束后MAX153芯片U1的INT信号送出低电平，此INT信号与TMS320C6713芯片的GP4/EXINT4脚相连，用于触发DSP芯片的外中断服务程序，DSP的数据线ED0-ED7与MAX153芯片U1的数据线D0-D7端相连接输入模数转换结果。B,C两个通路的处理与A通路完全类似，即：AD9851芯片U11、U12分别输出频率f₂、f₃的方波信号启动MAX153芯片U2、U3，U2、U3芯片的模数转换结束信号分别连接TMS320C6713芯片的GP5/EXINT5脚、GP6/EXINT6脚，用于触发DSP芯片的外中断服务程序取走MAX153芯片U2、U3的模数转换结果。由于3片AD9851输出不同的3个振荡频率f₁，f₂,f₃不具有倍数关系，DSP的GP5/EXINT5、GP6/EXINT6、GP7/EXINT7脚对应的3个外中断服务程序可分时工作取走各自对应模数转换芯片的转换数据，输入DSP芯片的数据以双缓冲方式进行相关处理。

在实施例装置中相关处理模块、同步建立及多普勒测量模块则在TMS320C6713数字信号处理器(DSP)芯片内进行软件编程实现，其程序流程图及中断服务程序流程分别如图4和图5所示。在图4和图5中，pxng1/pxng2/pxng3缓冲区中的x代表i或者o,即取ping1/ping2/ping3或者pong1/pong2/pong3，代表双缓冲区的切换工作模式中某一时刻只在其中的一个缓冲区进行采集，另外一个进行数据处理工作。

综上所述，通过利用DDS芯片产生不同多普勒效应对应的校准频率对输入信号进行采样，本发明公开的水声通信帧同步装置可利用一个线性扫频信号作为帧同步头实现抑制多普勒的帧同步捕获过程、同时可实现多普勒的测量，并具有实现简单方便，单线性调频信号同步头占用时间少、峰均比低等优点。

Claims (2)

1.一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置，其特征在于设有：

前置模块，所述前置模块的输入端与接收端水声换能器的信号输出端连接，用于对接收信号进行前置处理；

模数转换模块，所述模数转换模块由3片DDS芯片DDS1、DDS2、DDS3输出3路频率分别为f₁＝f_s,f₂＝(1+k)f_s,f₃＝(1-k)f_s的方波信号，其中f_s为标准采样频率、k为根据应用场合中多普勒范围设定的多普勒范围因子，分别控制3路AD采样芯片ADC1、ADC2、ADC3进行采样频率各不相同的模拟数字转换，所述3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3的输入端接前置模块的输出端；

运算模块，所述运算模块用于对帧同步头进行匹配滤波处理，运算模块的输入端接3路AD采样ADC1、ADC2、ADC3模数转换后的数字信号输出端；帧同步建立/多普勒测量模块，所述帧同步建立/多普勒测量模块用于对运算模块相关运算获得的3个输出结果进行相关峰检测并进行帧同步计算和多普勒测量：通过对3个相关峰峰值位置τ_m1,τ_m2,τ_m3的检测，通过计算τ_m2,τ_m3的平均值获得抑制多普勒影响的帧同步时间位置τ_m；并进一步根据3个相关峰峰值位置τ_m1,τ_m2,τ_m3、帧同步时间位置τ_m以及多普勒范围因子k进行相对多普勒因子β计算：从而完成多普勒测量；所述帧同步建立/多普勒测量模块的输入端接运算模块的经拷贝相关处理后的3个运算结果输出端。

2.如权利要求1所述的一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置，其特征在于所述前置模块由前置放大电路和滤波器组成，所述前置放大电路的输入端接接收端水声换能器的信号输出端，滤波器的输出端接前置放大电路的输出端。