CN103913739A - 水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法。本发明包括：将可控增益滤波电路的通频带设置成增益；信号处理电路通过A/D变换器采集信号，将采集后的信号进行数字滤波，用匹配滤波器对接收的信号进行滤波，对滤波后的信号进行取包络；对接收的信号进行相关处理。本方法解决了传统测速方法所采用的单频信号在衰落信道中信号易于衰落，采用LFM脉冲对信号，利用线性调频信号宽带的特点，即使频带内的部分频点受到影响，仍可对接收信号进行连续速度估计。

Description

水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法

技术领域

本发明涉及一种水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法。

背景技术

在水声通信中，由于通信节点的运动导致的多普勒效应使得通信信号被压缩和扩展，一般采用对接收信号的功率谱估计来得到多普勒频偏值，如FFT法，复相关法等，且一般采用CW脉冲信号作为发射信号。但这些方法使用的窄带信号在水平移动的通信场合，由于信道变化较快且信道频谱呈现梳妆结构，使得接收信号可能在某段时刻信号幅度很小，因而不利于多普勒速度的连续估计。有关多普勒测速的本章较多，但方法大多采用CW脉冲信号，未见有关LFM脉冲对的测速的资料。可参见耿志辉、王玉林“实正弦信号频率估计的高精度综合算法”信号与信息处理，2008年28卷第3期；徐世军、许伟杰“复相关法测频的硬件实现”声学技术，2009年第28卷第2期。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的测速方法不利于水声通信衰落信道中连续测速，提出了一种水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）将可控增益滤波电路的通频带设置成增益；

（2）信号处理电路通过A/D变换器采集信号，将采集后的信号进行数字滤波，用匹配滤波器对接收的信号进行滤波，对滤波后的信号进行取包络，相关峰的包络会有一个主峰和两个侧峰，且在没有多普勒时，主峰和侧峰的间距为T_c＝τ，当接收到信号存在多普勒时，主峰和侧峰的间距变为T_d，根据多普勒原理可以得到脉冲压缩系数a为

$a=\frac{T_d}{T}=1-\frac{f_d}{f_c}$

f_c为发射信号的中心频率，得到没有模糊的粗的多普勒频移f_d＝(1-a)f_c；

（3）对接收的信号进行相关处理，接收到的信号为W(t)，由待测量信号x(t)和加性高斯白噪声n(t)组成：

W(t)＝x(t)+n(t)，

待测信号x(t)与噪声n(t)之间不相关，则有

E[x^*(t)n(t+τ)]＝0，

E[n^*(t)x(t+τ)]＝0，

接收信号的自相关函数为

R(τ)＝E[W^*(t)W(t+τ)]＝E[x^*(t)x(t+τ)]+E[n^*(t)n(t+τ)]+E[x^*(t)n(t+τ)]+E[n^*(t)x(t+τ)]＝R_x(τ)+R_n(τ)

R_x(τ)为待测信号的自相关函数，R_n(τ)为加性高斯白噪声的自相关函数，

$R_n\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_n\left(0\right)& \mathrm{\τ}=0\\ 0& \mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$

R(τ)＝R_x(τ)

信号的自相关函数与功率谱互为傅里叶变换，

$R_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_x\left(w\right)\exp \left(\mathrm{jw\τ}\right)\mathrm{dw}$

$S_x\left(w\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{R}_x\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-\mathrm{jw\τ})\mathrm{dw}$

S_x(w)为信号x(t)的功率谱，把信号的自相关函数用极坐标表示

A_x(τ)是偶函数，是奇函数，

A_x(τ)是偶函数，则有A'_x(0)＝0，

${R^{\′}}_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}w{S}_x\left(w\right)\exp \left(\mathrm{jw\τ}\right)\mathrm{dw}$

令τ＝0则有

${R^{\′}}_x\left(0\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}w{S}_x\left(w\right)\mathrm{dw}$

令τ＝0则有

$R_x\left(0\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_x\left(w\right)\mathrm{dw}$

多普勒频移可以表示为功率谱Sx(w)的一阶矩：

由w＝2πf，得

测得的频偏为f_p，如果f_d和f_p都在内，没有相位模糊，则真实的多普勒频率为f_r＝f_p；若f_d超出出现相位模糊，脉冲对自相关函数求得得相位为，真实的相位为k＝±1,±2,...则有

k＝(f_d-f_p)τ，得到无模糊地精确值估计出多普勒速度c为声速，数字带通滤波、匹配滤波处理是线性运算，得到的相关峰峰值点的幅值和接受信号的能量成正比，利用幅值来估计接收信号的声级。

本发明的有益效果在于：采用模拟电路和数字电路混合构成闭环电路，利用线性调频信号时间带宽积远大于1的特点，完成接收信号的检测、频率粗估计、频率细估计、接收增益控制。本发明的优点是能在衰落水声信道中完成多普勒速度的连续跟踪估计。提出了一种水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法。本方法解决了传统测速方法所采用的单频信号在衰落信道中信号易于衰落，采用LFM脉冲对信号，利用线性调频信号宽带的特点，即使频带内的部分频点受到影响，仍可对接收信号进行连续速度估计。

附图说明

图1为水声通信中用于载体相对运动稳健测速的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

即使频带内的部分频点受到影响，仍可对接收信号进行连续频偏估计。

本发明采用模拟电路和数字电路混合构成闭环电路，利用线性调频信号时间带宽积远大于1的特点，完成接收信号的检测、频率粗估计、频率细估计、接收增益控制，将采集后的信号进行数字滤波，然后用匹配滤波器对接收的信号进行滤波，对滤波后的信号进行取包络，根据检测门限判断信号的有无，然后利用包络相关峰估计粗的频偏，对脉冲对信号用相互正交的两路正余弦信号做乘法运算，得到基带复信号，接着进行相关运算，根据相关运算得到复结果的相位计算得到带有模糊地精确地频偏值，并用之前粗的频偏来修正，得到精确地测速结果。最后根据相关峰峰值来估计接收信号的声级，调节可控增益滤波电路[1]。

本方法解决了传统测速方法所采用的单频信号在衰落信道中信号易于衰落，采用LFM脉冲对信号，利用线性调频信号宽带的特点，即使频带内的部分频点受到影响，仍可对接收信号进行连续速度估计。本发明的构成主要由可控增益滤波电路[1],A/D变换器[2]和信号处理电路[3]组成，如图1所示。其中可控增益滤波电路[1]、A/D变换器[2]和信号处理电路[3]依次电信号连接，信号处理电路[3]又与可控增益滤波电路[1]构成闭环电路。

本发明的测速方法是：首先将可控增益滤波电路[1]的通频带设置成合适的增益；然后信号处理电路[3]通过A/D变换器[2]采集信号，并将采集后的信号进行数字滤波，用匹配滤波器对接收的信号进行滤波，对滤波后的信号进行取包络，相关峰的包络会有一个主峰和两个侧峰，且在没有多普勒时，主峰和侧峰的间距为T_c＝τ，当接收到信号存在多普勒时，由于信号发生压缩或扩展，主峰和侧峰的间距变为T_d，根据多普勒原理可以得到脉冲压缩系数a为

$a=\frac{T_d}{T}=1-\frac{f_d}{f_c}---\left(1\right)$

f_c为发射信号的中心频率，根据（1）式，只要测得时延差T_d，可以得到一个没有模糊的粗的多普勒频移f_d＝(1-a)f_c。再对接收的LFM脉冲对信号进行相关处理，假设接收到得信号为W(t)，它由待测量信号x(t)和加性高斯白噪声n(t)组成，可表示为：

W(t)＝x(t)+n(t)  （2）

待测信号x(t)与噪声n(t)之间不相关，则有

E[x^*(t)n(t+τ)]＝0  （3）

E[n^*(t)x(t+τ)]＝0  （4）

接收信号的自相关函数可以用下式表示

R(τ)＝E[W^*(t)W(t+τ)]＝E[x^*(t)x(t+τ)]+E[n^*(t)n(t+τ)]+E[x^*(t)n(t+τ)]+E[n^*(t)x(t+τ)]＝R_x(τ)+R_n(τ)  （5）

R_x(τ)为待测信号的自相关函数，R_n(τ)为加性高斯白噪声的自相关函数。因白噪声自相关函数的性质

$R_n\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_n\left(0\right)& \mathrm{\τ}=0\\ 0& \mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.---\left(6\right)$

将式（6）带入式（5）可以得到

R(τ)＝R_x(τ)  （7）

式（7）说明可以由接收信号的自相关函数来估计得到待测信号的自相关函数，又由维纳-辛钦定理，信号的自相关函数与功率谱互为傅里叶变换，即

$R_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_x\left(w\right)\exp \left(\mathrm{jw\τ}\right)\mathrm{dw}---\left(8\right)$

$S_x\left(w\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{R}_x\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-\mathrm{jw\τ})\mathrm{dw}---\left(9\right)$

S_x(w)为信号x(t)的功率谱。若把信号的自相关函数用极坐标表示，则有

根据自相关函数的性质可知，A_x(τ)是偶函数，是奇函数。对R_x(τ)求导可得

又由于A_x(τ)是偶函数，则其导数为奇函数，则有A'_x(0)＝0，因此可求得

对式（8）求导可得

${R^{\′}}_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}w{S}_x\left(w\right)\exp \left(\mathrm{jw\τ}\right)\mathrm{dw}---\left(14\right)$

令τ＝0则有

${R^{\′}}_x\left(0\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}w{S}_x\left(w\right)\mathrm{dw}---\left(15\right)$

式（8）中令τ＝0则有

$R_x\left(0\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_x\left(w\right)\mathrm{dw}---\left(16\right)$

多普勒频移可以表示为功率谱S_x(w)的一阶矩：

如果τ≠0且充分小时，根据导数的定义有

代入式（17）可得又由w＝2πf，可得

假设采用脉冲对法测得的频偏为f_p，如果f_d和f_p都在内，说明没有相位模糊，则真实的多普勒频率为f_r＝f_p。若f_d超出这时出现相位模糊，设脉冲对自相关函数求得得相位为真实的相位为k＝±1,±2,...则有

由式（20）、（21）可以求得k＝(f_d-f_p)τ，这样就可以得到无模糊地精确值由测得的频偏即可估计出多普勒速度c为声速。由于数字带通滤波、匹配滤波等处理是线性运算，得到的相关峰峰值点的幅值和接受信号的能量成正比，可利用幅值来估计接受信号的声级，从而动态调整可控增益滤波电路[1]使之进入A/D变换器[2]的信号幅值保持在合适的范围。

本发明水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法所采用的电路器件均为市场上可以购买到得常用器件；其中可控增益滤波电路[1]采用VC810；A/D变换器选用双极性A/D变换器，如AD7663；信号处理电路[3]是由集成数字信号处理芯片（DSP芯片）电路构成，如OMAPL138。其中数字滤波算法采用有限冲击响应滤波算法，匹配滤波器可采用快速傅里叶算法计算。

本发明的测速方法是：将采集后的信号进行数字滤波，然后用匹配滤波器对接收的信号进行滤波，对滤波后的信号进行取包络，根据检测门限判断信号的有无，然后利用包络相关峰估计粗的频偏，然后利用对脉冲对信号用相互正交的两路信号做乘法运算，得到基带复信号，接着进行相关运算，根据相关运算得到的复结果的相位计算得到带有模糊地精确地频偏值，并用之前粗的频偏来修正，得到精确地测频结果。最后根据相关峰峰值来估计接收信号的声级，调节可控增益滤波电路[1]。本发明可以应用于水声通信中载体相对运动稳健测速。

Claims (1)

1.水声通信中用于载体相对运动稳健测速的方法，其特征在于：

（1）将可控增益滤波电路的通频带设置成增益；

（2）信号处理电路通过A/D变换器采集信号，将采集后的信号进行数字滤波，用匹配滤波器对接收的信号进行滤波，对滤波后的信号进行取包络，相关峰的包络会有一个主峰和两个侧峰，且在没有多普勒时，主峰和侧峰的间距为T_c＝τ，当接收到信号存在多普勒时，主峰和侧峰的间距变为T_d，根据多普勒原理可以得到脉冲压缩系数a为

$a=\frac{T_d}{T}=1-\frac{f_d}{f_c}$

f_c为发射信号的中心频率，得到没有模糊的粗的多普勒频移f_d＝(1-a)f_c；

（3）对接收的信号进行相关处理，接收到的信号为W(t)，由待测量信号x(t)和加性高斯白噪声n(t)组成：

W(t)＝x(t)+n(t)，

待测信号x(t)与噪声n(t)之间不相关，则有

E[x^*(t)n(t+τ)]＝0，

E[nw(t)x(t+τ)]＝0，

接收信号的自相关函数为

R(τ)＝E[W^*(t)W(t+τ)]＝E[x^*(t)x(t+τ)]+E[n^*(t)n(t+τ)]+E[x^*(t)n(t+τ)]+E[n^*(t)x(t+τ)]＝R_x(τ)+R_n(τ)

R_x(τ)为待测信号的自相关函数，R_n(τ)为加性高斯白噪声的自相关函数，

$R_n\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}{R}_n\left(0\right)& \mathrm{\τ}=0\\ 0& \mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$

R(τ)＝R_x(τ)

信号的自相关函数与功率谱互为傅里叶变换，

$R_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_x\left(w\right)\exp \left(\mathrm{jw\τ}\right)\mathrm{dw}$

$S_x\left(w\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{R}_x\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-\mathrm{jw\τ})\mathrm{dw}$

S_x(w)为信号x(t)的功率谱，把信号的自相关函数用极坐标表示

A_x(τ)是偶函数，是奇函数，

A_x(τ)是偶函数，则有A'_x(0)＝0，

${R^{\′}}_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}w{S}_x\left(w\right)\exp \left(\mathrm{jw\τ}\right)\mathrm{dw}$

令τ＝0则有

${R^{\′}}_x\left(0\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}w{S}_x\left(w\right)\mathrm{dw}$

令τ＝0则有

$R_x\left(0\right)=\frac{j}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_x\left(w\right)\mathrm{dw}$

多普勒频移可以表示为功率谱S_x(w)的一阶矩：

由w＝2πf，得

测得的频偏为f_p，如果f_d和f_p都在内，没有相位模糊，则真实的多普勒频率为f_r＝f_p；若f_d超出出现相位模糊，脉冲对自相关函数求得得相位为，真实的相位为k＝±1,±2,...则有

k＝(f_d-f_p)τ，得到无模糊地精确值估计出多普勒速度c为声速，数字带通滤波、匹配滤波处理是线性运算，得到的相关峰峰值点的幅值和接受信号的能量成正比，利用幅值来估计接收信号的声级。