CN103701489A - 水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其包括以下步骤：步骤S1，接收端参数初始化；步骤S2，接收端采集信号；步骤S3，第二处理信号块变量与本地同步参考信号进行相关运算；步骤S4，计算第二处理信号块变量与本地同步参考信号相关运算结果的峰值位置；步骤S5，判断pos_1、pos_2差值是否小于一定偏差容许范围；步骤S6，取第一处理信号块变量中的一段信号s₁(k)；步骤S7，s₁(k)与本地解调参考信号的反转序列s_fliplr(k)进行圆周卷积计算；步骤S8，判断峰值位置离信号起始或结束位置一定偏差容许范围。本发明不增加信号报头，易于组网，对平台计算能力要求不高，操作简便，不易产生虚触发或漏触发。

Description

水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种时间同步方法，特别是涉及一种水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法。

背景技术

扩频通信具有抗多径、抗干扰、易组网等特点，在浅海信道条件下得到了广泛应用，同时由于扩频通信具有扩频增益，在低信噪比远程水声遥控中也得到了应用。时间同步是包括扩频通信在内的通信系统接收端正确解码的前提。同其他水声通信系统一样，扩频通信的时间同步的现有方法是采用外同步法，即在码元信号前置一个辅助的同步头信号，例如线性调频信号，双曲调频信号等。接收端将信号逐点移位通过匹配滤波器，当匹配滤波器输出信号幅度超过设定的门限时，即认为时间同步完成。这种方法的缺点是：一，采用辅助同步头，降低了传输速度，同时在组网场合，寻找大量正交的同步头信号也有一定的困难；二，采用逐点移位，每个采样周期都要进行一次匹配滤波运算，这对平台的计算能力提出了较高的要求以满足实时性；三，采用幅度门限判决，需要提前发送一段训练的同步头信号来获取门限，当改变海区、收发位置和距离或其他条件时，需要重新获取门限，带来了操作的复杂性，同时由于干扰信号的存在、水声信道的时变性，容易产生时间同步的虚触发或漏触发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其不增加信号报头，易于组网，对平台计算能力要求不高，操作简便，不易产生虚触发或漏触发。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤S1，接收端参数初始化，令第一处理信号块变量r_{process_prev}(k)和第二处理信号块变量r_process(k)为全0序列，采样点数为2倍码元时间采样点数，第一位置变量pos_1初始值为0，第二位置变量pos_2初始值为0；

步骤S2，接收端采集一个码元时间宽度的信号，更新第一处理信号块变量r_{process_prev}(k)和第二处理信号块变量r_process(k)；

步骤S3，第二处理信号块变量r_process(k)与本地同步参考信号s_ref(k)进行相关运算，可通过r_process(k)与本地同步参考信号的反转序列s_{ref_fliplr}(k)的圆周卷积运算得到；

步骤S4，计算圆周卷积运算结果y(k)的峰值位置；将第二位置变量pos_2的值赋予第一位置变量pos_1，将y(k)的峰值位置值赋予pos_2；

步骤S5，判断pos_1和pos_2的差值是否小于一定偏差容许范围，即判断是否满足以下条件：

条件一：|pos_1-pos_2|<Len/50；

条件二：||pos_1-pos_2|-Len<Len/50；

条件三：pos_1<Len；

如果条件一或者条件二成立，并且条件三成立，则转到步骤S6，进行进一步判决；否则转到步骤S2；

步骤S6，取r_{process_prev}(k)中以pos_1为起点、长度为Len的一段信号，记为第一码元信号s₁(k)；取r_process(k)中以pos_2为起点、长度为Len的一段信号，记为第二码元信号s₂(k)；

步骤S7，第一码元信号s₁(k)与本地解调参考信号的反转序列s_fliplr(k)进行圆周卷积计算，计算第三位置变量pos_max_1；第二码元信号s₂(k)与s_fliplr(k)进行圆周卷积计算，计算第四位置变量pos_max_2；

步骤S8，判断pos_max_1、pos_max_2离信号起始或结束位置一定偏差容许范围。

优选地，所述步骤S2块处理采用乒乓缓冲机制。

优选地，所述步骤S3中的相关运算采用任何形式的快速运算算法。

优选地，所述步骤S5包括以下三个判断条件：

条件一：|pos_1-pos_2|<Len/50；

条件二：||pos_1-pos_2|-Len<Len/50；

条件三：pos_1<Len；

优选地，所述步骤S8包括以下四个判断条件：

条件四：pos_max_1<Len/50；

条件五：|Len-Len/50|<pos_max_1；

条件六：|pos_max_2|<Len/50；

条件七：|Len-Len/50|<pos_max_2。

优选地，所述步骤S5中的偏差容许范围和步骤S8中的偏差容许范围进行改变。

优选地，所述处理信号块由前一个采集信号片断和当前采集信号片联结而成，每个采集信号片断的长度等于码元时间长度。

本发明的积极进步效果在于：(1)通过采用基于峰值位置信息的判决方法，解决了现有同步方法采用幅度门限判决，需要提前发送一段训练的同步头信号来获取门限，当改变海区、收发位置和距离或其他条件时，需要重新获取门限，操作复杂性的问题，通过多个判决条件的限制，大大降低了同步虚触发的概率，由于对峰值位置的判决具有一定范围的允许偏差，降低了由于干扰信号的存在、水声信道的时变性，产生的同步漏触发。(2)通过采用自同步头，解决了现有同步方法采用辅助同步头，传输速度降低，同时在组网场合，寻找大量正交的同步头信号具有一定的困难的问题。(3)通过采用块处理，解决了现有同步方法采用逐点移位，每个采样周期都要进行一次匹配滤波运算，对平台的计算能力具有较高要求的问题；由于采用块处理，可以采用乒乓(ping-pong)缓冲机制，采样数据可以采用DMA(Direct MemoryAccess，直接内存存取)传输，进一步降低了处理器负荷。

附图说明

图1为本发明水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法的流程图。

图2为本发明各个处理信号块的信号形式和其相关结果的相关峰位置示意图。

图3为本发明处理信号块中截取的信号的相关峰位置示意图。

图4为本发明一个具体实施例的时域波形。

图5(a)为本发明具体实施例第4个处理块的时域信号及其相关结果的示意图(采样点)。

图5(b)为本发明具体实施例第4个处理块的时域信号及其相关结果的示意图(延迟采样点)。

图6(a)为本发明具体实施例第5个处理块的时域信号及其相关结果的示意图(采样点)。

图6(b)为本发明具体实施例第5个处理块的时域信号及其相关结果的示意图(延迟采样点)。

图7(a)为本发明从第4个处理信号块中截取的信号的时域波形(采样点)和相关结果的示意图(采样点)。

图7(b)为本发明从第4个处理信号块中截取的信号的时域波形和相关结果的示意图(延迟采样点)。

图8(a)为本发明从第5个处理信号块中截取的信号的时域波形和相关结果的示意图(采样点)。

图8(b)为本发明从第5个处理信号块中截取的信号的时域波形和相关结果的示意图(延迟采样点)。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

假设扩频通信中码元周期T_b等于扩频码周期，本地解调参考信号为正相调制的码元信号s(t),0<t≤T_b，s(t)的反转序列为s_fliplr(t)。接收端采样率为F_s，则s(t)和s_fliplr(t)的采样点数为F_s×T_b(记该采样点数为Len)。s_ref(k)为本地同步参考信号的采样信号，通过本地解调参考信号s(t)的采样信号s(kF_s)补零得到，即公式(1)：

$s_{\mathrm{ref}}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}s(k/F_s),& k=\mathrm{1,2},...,\mathrm{Len}\\ 0,& \mathrm{Len}+1,\mathrm{Len}+2,...,2\mathrm{Len}\end{array}\right.\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$

s_ref(k)的反转序列记为s_{ref_fliplr}(k)。时间同步时采用分块处理，记第一处理信号块变量为r_{process_prev}(k)(代表前一个处理信号块)，第二处理信号块变量为r_process(k)(代表当前处理信号块)，两者采样长度都为2×Len。

如图1所示，本发明水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法包括以下步骤：

步骤S1，信号处理接收端参数初始化，令第一处理信号块变量r_{process_prev}(k)(代表前一处理信号块)和第二处理信号块变量r_process(k)(代表当前处理信号块)为全0序列，采样点数为2×Len，第一位置变量pos_1(代表第一处理信号块变量与本地同步参考信号相关结果的峰值位置)初始值为0，第二位置变量pos_2(代表第二处理信号块变量与本地同步参考信号相关结果的峰值位置)初始值为0；如式(2)所示：

r_process(kFs)=0,k=1,2,...,2Len   ……………………(2)

pos_1=0

pos_2=0

步骤S2，接收端采集一个码元时间宽度的信号(其采样点数记为Len)，更新第一处理信号块变量r_{process_prev}(k)和第二处理信号块变量r_process(k)。更新原则为：首先令r_{process_prev}(k)=r_process(k)，以r_process(k)信号的后面Len个采样点，连接当前采集信号块r_acquire(k)，构成新的r_process(k)，如式(3)所示：

r_{process_prev}(k)=r_process(k),k=1,2,...,2Len

r_process(k)=r_process(k+Len),k=1,2,...,Len……………………(3)

r_process(k+Len)=r_acquire(k),k=1,2,...,Len

步骤S3，第二处理信号块变量r_process(k)与本地同步参考信号的采样信号s_ref(k)进行相关运算，可通过r_process(k)与本地同步参考信号的反转序列s_{ref_fliplr}(k)的圆周卷积运算得到，根据数字信号处理知识，圆周卷积可通过频域算法实现，从而可以利用FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)实现。即如式(4)所示：

$y\left(k\right)=r_{\mathrm{process}}\left(k\right)\&CircleTimes;s_{\mathrm{ref}\_\mathrm{fliplr}}\left(k\right)=\mathrm{ifft}(\mathrm{fft}\left(r_{\mathrm{process}}\left(k\right)\right)\&times;\mathrm{fft}\left(s_{\mathrm{ref}\_\mathrm{fliplr}}\left(k\right)\right))\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(4\right)$

其中

表示圆周卷积。

步骤S4，计算圆周卷积运算结果y(k)的峰值位置；将第二位置变量pos_2的值赋予第一位置变量pos_1，将y(k)的峰值位置值赋予pos_2。如图2所示。

步骤S5，判断前后两个处理块峰值位置(pos_1和pos_2)差值是否小于一定偏差容许范围，比如是否满足以下条件：

记条件一：|pos_1-pos_2|<Len/50；

条件二：||pos_1-pos_2|-Len<Len/50；

条件三：pos_1<Len；

条件一表示第n-1个处理块包含了第一个码元信号和第二个码元的部分信号，峰值位置出现在第一个码元信号起始位置，第n个处理块包含了第一个码元部分信号、第二个码元信号及第三个码元部分信号，峰值位置出现在第二个码元信号起始位置。理想情况下，两个处理信号块的相关峰峰值位置相等，由于信道是一时变信道，峰值位置允许一定范围的偏差，其范围由Len/50指定。

条件二表示第n-1个处理块包含了第一个码元信号和第二个码元的部分信号，峰值位置出现在第一个码元信号起始位置，第n个处理块包含了第一个码元部分信号、第二个码元信号及第三个码元部分信号，峰值位置出现在第三个码元信号起始位置。由于步骤S3采取了圆周卷积运算以及噪声的存在，当第一个和第三个码元传输比特相同时，峰值位置出现在第三个码元信号起始位置是可能的。

条件三保证了第n-1个处理块包含一个完整的码元信号。

在信号未到达的情况下，第n-1个处理块和第n个处理块均为噪声，其与同步参考信号的相关运算的峰值位置是随机的，因此一般情况下不满足条件一或条件二。

如果条件一或者条件二成立，并且条件三成立，则转到步骤S6，进行进一步判决；否则转到步骤S2。

步骤S6，取r_{process_prev}(k)中以pos_1为起点、长度为Len的一段信号，记为第一码元信号s₁(k)；取r_process(k)中以pos_2(如果pos_2>Len，则以pos_2-Len)为起点、长度为Len的一段信号，记为第二码元信号s₂(k)。

步骤S7，第一码元信号s₁(k)与本地解调参考信号的反转序列s_fliplr(k)进行圆周卷积计算，计算第三位置变量pos_max_1(代表该圆周卷积运算结果的峰值位置)；s₂(k)与s_fliplr(k)进行圆周卷积计算，计算第四位置变量pos_max_2(代表该圆周卷积运算结果的峰值位置)，如图3所示；

步骤S8，判断峰值位置离信号起始或结束位置一定偏差容许范围，比如是否满足以下条件：

条件四：pos_max_1<Len/50；

条件五：|Len-Len/50|<pos_max_1；

条件六：|pos_max_2|<Len/50；

条件七：|Len-Len/50|<pos_max_2。

理想情况下，

结果的峰值位置为s₁(k)的起始时刻。

条件四表示如果同步较正常时刻提前，则相关峰位置基本接近s₁(k)的起始时刻，相关峰偏离起始时刻的允许范围由Len/50指定。

条件五表示如果同步较正常时刻推迟，

结果的相关峰位置基本接近s₁(k)的结束时刻，相关峰偏离结束时刻的允许范围由Len/50指定。

理想情况下，

结果的峰值位置为s₂(k)的起始时刻。

条件六表示如果同步较正常时刻提前，则相关峰位置基本接近s₂(k)的起始时刻，相关峰偏离起始时刻的允许范围由Len/50指定。

条件七表示如果同步较正常时刻推迟，结果的相关峰位置基本接近s₂(k)的结束时刻，相关峰偏离结束时刻的允许范围由Len/50指定。

如果条件四或者条件五的其中一个满足，同时条件六或者条件七的其中一个满足，则表明时间同步已完成，否则表明步骤S5产生了时间同步的虚触发，转到步骤S2继续搜索同步。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤S2块处理可以采用乒乓(ping-pong)缓冲机制，保证采样数据不丢失。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤S3中的相关运算可以采用任何形式的快速运算算法，以保证实时性。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤S5中的偏差容许范围和步骤S8中的偏差容许范围可以进行改变。当偏差容许范围变大时，系统的时间同步虚触发概率增加，当偏差容许范围变小时，系统的时间同步漏触发概率增加。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述扩频调制适用于任何形式的扩频调制，如直接序列扩频、线性调频信号扩频、双曲调频信号扩频、混沌调频等。

在一个具体实施例中，假设扩频调制方式为直接序列扩频，信号采样率为10kHz，载波频率为1kHz，码长为127位，切普时间宽度为2ms，码元时间宽度为254ms，即一个码元周期的采样点数为2540点。因此同步搜索时每次采集2540个点，每个处理块大小为5080个点，假设信噪比为10dB。图4表示接收的该扩频信号时域波形，图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)分别表示对第4个至第5个处理信号块的时域波形，以及信号与参考信号的相关结果。在该具体实施例中，从图4可以看出，信号的起始时刻为8000。

分别将第4个处理块和第5个处理块与参考信号进行相关运算，从图5和6可以看出，其峰值位置都为380，满足步骤S5所列条件，利用第4个处理块的相关峰位置，取出一定长度的信号，与参考信号进行相关运算，其相关峰位置如图7(a)、图7(b)所示，利用第5个处理块的相关峰位置，取出一定长度的信号，与参考信号进行相关运算，其相关峰位置如图8所示，从图7(a)、图7(b)、图8(a)、图8(b)可以看出，两段信号的峰值位置满足步骤S8所列条件，因此判断时间同步完成，对应的信号起始位置为第4个处理块的相关峰位置，即2540*3+380=8000，与仿真信号的起始时刻吻合，表明本方法在无需采用辅助同步头，无需通过训练获取相关峰幅值门限的情况下，成功实现了时间同步。

由于噪声与参考信号相关结果的峰值位置具有随机性，信号与参考信号相关结果的峰值位置具有规律性，并且码元信号具有一定的周期性，本发明的时间同步方法通过合理设置处理信号块的大小、处理信号块的组合方式，当信号未到达时，处理信号块与参考信号的相关峰的位置具有随机性，因此前后处理信号块的相关峰的位置一般不相等，信号到达时，前后处理信号块的相关峰的位置基本相等，利用该特点来实现时间同步。

本发明采用自同步头、块处理，首先判断前后处理信号块与参考信号的相关峰峰值位置相差是否在一定范围内，再从前一个处理信号块中取出一个完整码元周期的信号，与本地参考信号作相关，从当前处理信号块中也取出一个完整码元周期的信号，与本地参考信号作相关，如果两个相关峰峰值位置都位于起始位置一定范围或结束位置一定范围，则表明时间同步完成。本发明基于峰值位置信息的时间同步，无需采用辅助的同步头信号。一次处理中的信号块由前一个采集信号片断和当前采集信号片联结而成，每个采集信号片断的长度等于码元时间长度。判断前后处理信号块的峰值位置关系时，允许峰值位置具有一定范围的偏差容许范围。

本发明省去了发射同步头训练序列以获取同步头相关峰门限步骤，带来了操作简便，性能可靠的优点，在上述处理过程中，采用了块处理，带来了对平台计算能力要求不高的优点，采用了自同步头技术，带来了系统速率提升，易于组网的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，其包括以下步骤： 

步骤S1，接收端参数初始化，令第一处理信号块变量r_{process_prev}(k)和第二处理信号块变量r_process(k)为全0序列，采样点数为2倍码元时间采样点数，第一位置变量pos_1初始值为0，第二位置变量pos_2初始值为0； 

步骤S2，接收端采集一个码元时间宽度的信号，更新第一处理信号块变量r_{process_prev}(k)和第二处理信号块变量r_process(k)； 

步骤S3，第二处理信号块变量r_process(k)与本地同步参考信号s_ref(k)进行相关运算，可通过r_process(k)与本地同步参考信号的反转序列s_{ref_fliplr}(k)的圆周卷积运算得到； 

步骤S4，计算圆周卷积运算结果y(k)的峰值位置；将第二位置变量pos_2的值赋予第一位置变量pos_1，将y(k)的峰值位置值赋予pos_2； 

步骤S5，判断pos_1和pos_2的差值是否小于一定偏差容许范围，即判断是否满足以下条件： 

条件一：|pos_1-pos_2|<Len/50； 

条件二：||pos_1-pos_2|-Len|<Len/50； 

条件三：pos_1<Len； 

如果条件一或者条件二成立，并且条件三成立，则转到步骤S6，进行进一步判决；否则转到步骤S2； 

步骤S6，取r_{process_prev}(k)中以pos_1为起点、长度为Len的一段信号，记为第一码元信号s₁(k)；取r_process(k)中以pos_2为起点、长度为Len的一段信号，记为第二码元信号s₂(k)； 

步骤S7，第一码元信号s₁(k)与本地解调参考信号的反转序列s_fliplr(k)进行圆周卷积计算，计算第三位置变量pos_max_1；第二码元信号s₂(k)与s_fliplr(k)进行圆周卷积计算，计算第四位置变量pos_max_2； 

步骤S8，判断pos_max_1、pos_max_2离信号起始或结束位置一定偏差容许范围。 

2.如权利要求1所述的水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S2块处理采用乒乓缓冲机制。 

3.如权利要求1所述的水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S3中的相关运算采用任何形式的快速运算算法。 

4.如权利要求1所述的水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下三个判断条件： 

条件一：|pos_1-pos_2|<Len/50； 

条件二：||pos_1-pos_2|-Len<Len/50； 

条件三：pos_1<Len。 

5.如权利要求1所述的水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S8包括以下四个判断条件： 

条件四：pos_max_1<Len/50； 

条件五：|Len-Len/50|<pos_max_1； 

条件六：|pos_max_2|<Len/50； 

条件七：|Len-Len/50|<pos_max_2。 

6.如权利要求1所述的水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S5中的偏差容许范围和步骤S8中的偏差容许范围进行改变。 

7.如权利要求1所述的水声扩频通信中的基于相关峰位置信息的时间同步方法，其特征在于，所述处理信号块由前一个采集信号块和当前采集信号块联结而成，每个采集信号块的长度等于码元时间长度。 

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