CN106027116A - 一种基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法。选取合适的chirp信号作为调制信号，并采用CSSBOK调制方式进行调制；利用chirp信号的采样点数在多普勒效应产生前后的变化量来得到实际chirp信号长度的变化量，从而估计出多普勒系数。本发明所述的基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法，简单易行，计算量小，估计精度高，既能对每个码元的多普勒系数进行精确的估计，又能同时对信号进行准确地解调。

Description

一种基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法
技术领域
本发明涉及的是一种水声通信方法，具体涉及一种移动水声通信多普勒系数估计方法。
背景技术
对于水声通信中的多普勒估计问题，可以归纳为两类：一是测量接收信号的频率，通过频率的偏移量来对多普勒系数进行估计，二是根据多普勒效应引发的时域展宽或压缩的效应，通过测量信号的时域展宽或者压缩量进行多普勒系数的估计，其中比较典型的方法是模糊度函数方法与块多普勒估计方法。但以上方法一般都只是适用于静止水声通信的多普勒估计。
公开的移动水声通信多普勒系数估计方法中多是利用首尾的同步信号或是循环前缀进行整体的多普勒系数估计，再用估计的多普勒系数对进行多普勒补偿。例如：公开号为CN105282082A的专利文件中公开的一种基于拷贝相关与空子载波结合的多普勒估计方法，是在每帧信号首尾插入线性调频信号，利用首尾的线性调频信号进行整体的多普勒系数估计；公开号为CN104901718A的专利文件公开的一种基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计方法，是对解扩后的信号进行低通滤波后，利用高分辨率计算方法测量频率值，根据频率值和原载波频率值估计多普勒系数；公开号为CN104793194A的专利文件公开的一种基于循环前缀的水声正交频分复用多普勒估计方法，是对正交频分复用水声通信系统的帧头部分加入线性调频信号和单频信号，数据符号部分均添加循环前缀，用接收的单频信号进行多普勒系数粗侧，再用循环前缀进行多普勒系数精测；公开号为CN103618686A的专利文件公开的一种水声OFDM多普勒因子精确估计方法，设计一种OFDM帧格式，加入带循环前缀的前同步码和CW单频信号，对接收信号进行三次多普勒估计；公开号为CN101594185A的专利文件中公开的一种移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，是选取两个线性调频信号作为帧同步信号，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。公开号为CN102916922A的专利文件中公开的一种水声OFDM自适应搜索多普勒补偿方法，是采用CW信号作为训练序列进行多普勒频偏因子粗测，利用高倍DFT对多普勒频偏进行补偿。上述技术方案是通过同步信号或是循环序列进行整体的多普勒系数估计，而不能精确地估计出每一个码元的多普勒系数，也不能达到在估计多普勒系数的同时对信号进行准确的解调的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现多普勒补偿和数据解调同时进行的基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法。
本发明的目的是这样实现的：
选取chirp信号作为调制信号，并采用CSSBOK调制方式进行调制；利用chirp信号的采样点数在多普勒效应产生前后的变化量得到实际chirp信号长度的变化量，从而估计出多普勒系数；具体包括：
(1)首先找出接收信号的第一个和第二个信号的位置，对第一个信号和第二个信号进行滑动匹配相关处理，利用chirp信号的强自相关性得到第一个chirp信号的时域长度变化量，从而估计出第一个信号的多普勒系数估计值；
(2)接下来利用第一个信号的多普勒系数估计值对第一个信号进行多普勒补偿；
(3)按照与步骤(1)至(2)相同的方法，再对第二第三个信号做滑动匹配相关处理，依次类推，对每一个信号都进行多普勒系数估计与补偿；
(4)利用滑动匹配多普勒系数估计方法在对信号进行多普勒补偿的同时也完成了对信号的解调。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)具体包括：设一个chirp信号的初始采样点数为Ng，取接收端一帧信号的第1个到第N个采样点与第N+1个到第2N个采样点对应的数值依次相乘并且求和取平均：
M i = 1 N i Σ j = 1 N i c ( j ) c ( j + N i ) N i = N g + i , i = 0 , ± 1 , ... , ± I M A X
其中IMAX是多普勒系数估计采样点最大滑动范围，
改变i的数值，得到一组Mi的值，只有当i＝n0时，Mi取到最大值Mn0，只需找出Mi中的最大值所对应的采样点数Nmax，再与初始采样点数Ng作差，即此时多普勒系数的估计值：
Δ ^ = i N g = n ^ 0 N g .
为信号长度的变化量。
2、步骤(4)具体包括：首先找到第一个信号所在的位置，并在多普勒补偿后用分数阶Fourier变换进行解调，设其为二进制数据“1”，若其能与第二个信号进行匹配，则第二个信号也为数据“1”；若不能进行匹配，则为数据“0”，在确定了第二个信号信息后，又对第三个信号进行解调，依次类推完成对所有信号的解调。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明基于具有大多普勒容限的chirp信号，提出了一种新的多普勒系数估计的方法——滑动匹配迭代多普勒系数估计方法，这种方法不仅能对每个码元的多普勒系数进行精确地估计，并且能够在估计多普勒系数的同时对信号进行准确的解调，实现了多普勒补偿和数据解调同时进行。
本发明的基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法中，选取chirp信号作为调制信号，并采用CSSBOK调制方式进行调制，通过估计chirp信号的采样点数在多普勒效应产生前后的变化量来得到实际chirp信号长度的变化量，从而估计出每个码元多普勒系数，并且在估计多普勒系数的同时对信号进行准确的解调。本发明所述的基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法，简单易行，计算量小，估计精度高，既能对每个码元的多普勒系数进行精确的估计，又能同时对信号进行准确地解调。
附图说明
图1为滑动匹配多普勒系数估计原理图；
图2为CSSBOK调制原理图；
图3为多普勒效应原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明基于具有大多普勒容限的chirp信号，提出了一种新的多普勒系数估计的方法——滑动匹配迭代多普勒系数估计方法，这种方法不仅能对每个码元的多普勒系数进行精确地估计，并且能够在估计多普勒系数的同时对信号进行准确的解调，实现了多普勒补偿和数据解调同时进行。
基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法，包括：
步骤1：选取合适的chirp信号作为调制信号，并采用CSSBOK(Chirp SpreadSpectrum Binary orthogonal keyed)调制方式进行调制；
步骤2：利用chirp信号的采样点数在多普勒效应产生前后的变化量来得到实际chirp信号长度的变化量，从而估计出多普勒系数；
假设一段chirp信号的时域长度为Ng，在其经过水声信道后受多普勒效应的影响，长度变为了Ng+n0，此时多普勒系数Δ＝n0/Ng，而我们只需要估计出信号长度的变化量即可得到多普勒系数的估计值
步骤3：首先找出接收信号的第一个和第二个信号的大概位置，对第一个信号和第二个信号进行滑动匹配相关处理，利用chirp信号的强自相关性得到第一个chirp信号的时域长度变化量，从而估计出第一个信号的多普勒系数估计值；
假设一个chirp信号的初始采样点数为Ng，我们取接收端一帧信号的第1个到第N个采样点与第N+1个到第2N个采样点对应的数值依次相乘并且求和取平均：
M i = 1 N i Σ j = 1 N i c ( j ) c ( j + N i ) N i = N g + i , i = 0 , ± 1 , ... , ± I M A X
其中IMAX是多普勒系数估计采样点最大滑动范围，这样改变i的数值，我们得到一组Mi的值，由匹配相关的原理可知，只有当i＝n0时，Mi取到最大值Mn0，因此只需找出Mi中的最大值所对应的采样点数Nmax，再与初始采样点数Ng作差，即此时多普勒系数的估计值：
Δ ^ = i N g = n ^ 0 N g
我们称以上多普勒系数估计方法为滑动匹配多普勒系数估计方法；
步骤4：接下来利用第一个信号的多普勒系数估计值对第一个信号进行多普勒补偿，同理，再对第二第三个信号做滑动匹配相关处理，依次类推，对每一个信号都能够进行较为精确的多普勒系数估计与补偿；
步骤5：利用滑动匹配多普勒系数估计方法在对信号进行多普勒补偿的同时也完成了对信号的解调；
我们首先找到第一个信号所在的位置，并在多普勒补偿后用分数阶Fourier变换对其进行解调，在这里我们假设其为二进制数据“1”，若其能与第二个信号进行匹配，则第二个信号也为数据“1”，若不能进行匹配，则为数据“0”，在确定了第二个信号信息后，我们又可以对第三个信号进行解调，依次类推，就能完成对所有信号的解调。

Claims (3)

1.一种基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法，其特征是：
选取chirp信号作为调制信号，并采用CSSBOK调制方式进行调制；利用chirp信号的采样点数在多普勒效应产生前后的变化量得到实际chirp信号长度的变化量，从而估计出多普勒系数；具体包括：
(1)首先找出接收信号的第一个和第二个信号的位置，对第一个信号和第二个信号进行滑动匹配相关处理，利用chirp信号的强自相关性得到第一个chirp信号的时域长度变化量，从而估计出第一个信号的多普勒系数估计值；
(2)接下来利用第一个信号的多普勒系数估计值对第一个信号进行多普勒补偿；
(3)按照与步骤(1)至(2)相同的方法，再对第二第三个信号做滑动匹配相关处理，依次类推，对每一个信号都进行多普勒系数估计与补偿；
(4)利用滑动匹配多普勒系数估计方法在对信号进行多普勒补偿的同时也完成了对信号的解调。
2.根据权利要求1所述的基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法，其特征是步骤(1)具体包括：设一个chirp信号的初始采样点数为Ng，取接收端一帧信号的第1个到第N个采样点与第N+1个到第2N个采样点对应的数值依次相乘并且求和取平均：
M i = 1 N i Σ j = 1 N i c ( j ) c ( j + N i ) , N i = N g + i , i = 0 , ± 1 , ... , ± I M A X
其中IMAX是多普勒系数估计采样点最大滑动范围，
改变i的数值，得到一组Mi的值，只有当i＝n0时，Mi取到最大值Mn0，只需找出Mi中的最大值所对应的采样点数Nmax，再与初始采样点数Ng作差，即此时多普勒系数的估计值：
Δ ^ = i N g = n ^ 0 N g .
为信号长度的变化量。
3.根据权利要求1或2所述的基于chirp信号的移动水声通信多普勒系数估计方法，其特征是步骤(4)具体包括：首先找到第一个信号所在的位置，并在多普勒补偿后用分数阶Fourier变换进行解调，设其为二进制数据“1”，若其能与第二个信号进行匹配，则第二个信号也为数据“1”；若不能进行匹配，则为数据“0”，在确定了第二个信号信息后，又对第三个信号进行解调，依次类推完成对所有信号的解调。
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