CN108243138A - 一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法 - Google Patents

一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，包括以下步骤：S1、通过添加一个LFM+CW信号的起始帧进行载波捕获和粗同步；S2、通过测定LFM信号的峰值偏移进行细同步。所述步骤S1包括以下步骤：在通过匹配滤波得到的LFM脉冲压缩峰值识别到第一个LFM信号后，单载波通过COSTAS环实现捕获和粗同步，得到一个初始的多普勒估计结果，并对采样率进行第一次调整。与现有技术相比，本发明方法具有估计结果准确可靠、运算量少、实现简单、实时性强且易于实现等优点。

Description

一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法。
背景技术
随着海洋开发活动的频繁，水声通信系统不仅在军事领域有着极大的应用价值，其在民用领域的应用价值也越来越突出。如海洋水质监测、海洋灾害预警、资源勘探等。基于多输入多输出的正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的水声通信系统，因具有数据传输速率高和可靠性高等优点成为了水下通信领域的重要开发方向。然而，OFDM对频率准确性的要求比较高，当存在频偏时，子载波的正交性受到破坏，会导致子载波间互相干扰，若频偏较大，则严重影响系统的性能。在水声信道中，多径传输造成的频率选择性衰落和多普勒效应引起的频移是影响水声通信系统速率和数据传输可靠性的主要因素。由于线性调频(linear frequency modulation，LFM)信号在受到频偏影响时会产生脉冲压缩后波形的形变，因此，通过判断前后两帧产生波形的区别可以初步分析出在该段时间存在的频率偏移量。但当初始频偏过大且多径效应明显时，估计准确性受多径效应影响明显会大幅降低，严重影响水声通信的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种估计结果准确可靠的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，包括以下步骤：
S1、通过添加一个LFM+连续波(continuous wave，CW)信号的起始帧进行载波捕获和粗同步；
S2、通过测定LFM信号的峰值偏移进行细同步。
本发明的有益效果在于：本发明方法能够在载波同步初始阶段避免受到多径效应影响，实现一个较大的捕获范围，并在跟踪阶段实现一个窄噪声带宽的多普勒跟踪环路。本发明方法的估计结果准确可靠，运算量少，实现简单，实时性强且易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例的帧格式；
图2为本发明实施例的costas环结构；
图3为本发明实施例匹配滤波得到的波形图；
图4为本发明实施例不同相偏下匹配滤波得到的波形图；
图5为本发明实施例多普勒因子与左右差值的关系图；
图6为本发明实施例组合多普勒估计方法的逻辑框图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：通过添加一个LFM+CW的起始帧做载波捕获和粗同步，再通过测定LFM峰值的偏移进行细同步，在载波同步初始阶段避免受到多径效应的影响，实现一个较大的捕获范围，并在跟踪阶段实现一个窄噪声带宽的多普勒跟踪环路。
一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，包括以下步骤：
S1、通过添加一个LFM+连续波(continuous wave，CW)信号的起始帧进行载波捕获和粗同步；
S2、通过测定LFM信号的峰值偏移进行细同步。
本发明的有益效果在于：本发明方法能够在载波同步初始阶段避免受到多径效应影响，实现一个较大的捕获范围，并在跟踪阶段实现一个窄噪声带宽的多普勒跟踪环路。本发明方法的估计结果准确可靠，运算量少，实现简单，实时性强且易于实现。
进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：在通过匹配滤波得到的LFM脉冲压缩峰值识别到第一个LFM信号后，单载波通过科斯塔斯环(COSTAS环，也称为同相正交环法或边环法)实现捕获和粗同步，得到一个初始的多普勒估计结果，并根据所述多普勒估计结果对采样率进行第一次调整。
进一步地，所述LFM脉冲压缩峰值通过匹配滤波器将相位谱校正为频率的一次函数后，再对其进行傅立叶逆变换得到。
进一步地，所述步骤S2的具体操作如下：通过联合判断峰值位置的偏移和左右两个采样点的差值(简称左右差值)的变化，实现峰值的模糊估计，并依据峰值的模糊估计进行采样率调整，完成对多普勒频移的校正。
进一步地，当峰值偏移超过一个采样点时，即峰值相对上帧位置提前或延后时，所述步骤S2中的采样率调整包括以下步骤S21、根据峰值位置对多普勒频移校正；S22、根据采样点的左右差值对采样率进行调整；其中，所述根据峰值位置对多普勒频移校正具体操作为：
假设一帧的时间长度固定为T，原始采样率为Fs，经过采样后的总采样点数为N，当峰值提前或延后n个采样点时，其多普勒因子即为此时将采样率调整为即完成了根据峰值位置的多普勒频移的校正。
进一步地，所述步骤S22还包括通过拟合多普勒因子和左右差值的曲线，实现对采样率的调整。
进一步地，当峰值偏移少于一个采样点时，所述步骤S2中的采样率调整过程如下：根据左右差值对采样率进行调整，通过拟合多普勒因子和左右差值的曲线，实现对采样率的调整。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过对峰值的多次估计调整采样率，完成多普勒频移的校正，估计结果准确可靠。
本发明的实施例一为：一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，包括以下步骤：S1、通过添加一个LFM+连续波(continuous wave，CW)信号的起始帧进行载波捕获和粗同步；S2、通过测定LFM信号的峰值偏移进行细同步。
具体地，如图1所示，设计帧的格式如下：一帧长度为120ms，其中LFM处于帧头位置，长度为30ms，起始帧为同步帧，一帧中除LFM外的90ms为6kHz单载波；后续帧为数据帧，90ms为OFDM调制信号。发送信号时，连续发送起始帧和数据帧，无结束帧。
在通过匹配滤波得到的LFM脉冲压缩峰值识别到第一个LFM信号后，单载波通过COSTAS环实现捕获和粗同步，得到一个初始的多普勒估计结果，并对采样率进行第一次调整。其中，所述COSTAS环结构如图2所示。所述LFM的脉冲压缩是通过一个匹配滤波器实现的，其过程相当于将相位谱校正为频率的第一次函数后，再对其进行傅立叶逆变换，设线性调频信号的频率特性为：
则匹配滤波器的频率特性应为：
将以上两式相乘并进行傅立叶反变换后得到的时域波形表达式为：
其中，D为时宽带宽积，B为LFM信号带宽，f0为初始频率。整个波形是以Sinc函数包络为基础，受到时宽、带宽以及初始频率多方面影响的一个信号。
本发明系统中，采用30ms、带宽为3kHz、初始频率为6kHz的LFM信号作为帧同步的判据。通过38.4kHz采样率，经过匹配滤波器后得到的脉冲压缩时域波形如图3所示。图3为区配滤波得到的理想波形，但实际过程中由于信号存在相偏、频偏以及多径的影响，波形会出现较大的变化，如若LFM信号在进入匹配滤波器时，出现0～0.3π的相偏时，波形会产生不同程度的波动如图4所示。
由于采样时钟与信号相位关系不固定的影响，相偏常常在一个采样点内波动，但产生的影响却会使得峰值发生偏移。峰值的偏移会使得峰值左右两个采样点产生幅值变化。通过对左右差值与实际多普勒频移进行相关计算发现，在一定范围内，左右差值与多普勒频移因子呈现正相关，如图5所示。因此，通过联合判断峰值位置的偏移和左右两个采样点的差值的变化，即可实现峰值的模糊估计，并依据峰值的模糊估计调整采样率，完成多普勒频移的校正，其逻辑结构图如图6所示。
当峰值偏移超过一个采样点时，即峰值相对上帧位置提前或延后时，先根据峰值位置调整采样率。假设一帧的时间长度固定为T，原始采样率为Fs，经过采样后的总采样点数为N，当峰值提前或延后n个采样点时，其多普勒因子即为此时将采样率调整为即完成了根据峰值位置的多普勒频移的校正。再根据左右差值对采样率进行调整，并通过拟合多普勒因子和左右差值的曲线，实现对采样率的调整。
当峰值偏移少于一个采样点时，即可根据左右差值对采样率进行调整。通过拟合多普勒因子和左右差值的曲线，对采样率进行调整。
综上所述，本发明提供的一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，本发明方法通过理论计算、仿真验证和试验验证，本发明方法可以实现在多径信道中，对多普勒因子在0.2％以下，通信过程因子变化率0.02％/s，总变化不超过1％的频率校正，并且有良好的效果，对误码率的影响极小。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过添加一个LFM+CW信号的起始帧进行载波捕获和粗同步；
S2、通过测定LFM信号的峰值偏移进行细同步。
2.根据权利要求1所述的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：在通过匹配滤波得到的LFM脉冲压缩峰值识别到第一个LFM信号后，单载波通过COSTAS环实现捕获和粗同步，得到一个初始的多普勒估计结果，并根据所述多普勒估计结果对采样率进行第一次调整。
3.根据权利要求2所述的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：所述LFM脉冲压缩峰值通过匹配滤波器将相位谱校正为频率的一次函数后，再对其进行傅立叶逆变换得到。
4.根据权利要求1所述的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：所述步骤S2的具体操作如下：通过联合判断峰值位置的偏移和左右两个采样点的差值的变化，实现峰值的模糊估计，并依据峰值的模糊估计进行采样率调整，完成对多普勒频移的校正。
5.根据权利要求4所述的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：当峰值偏移超过一个采样点时，所述步骤S2中的采样率调整包括以下步骤：S21、根据峰值位置对多普勒频移校正；S22、根据采样点的左右差值对采样率进行调整；
其中，所述步骤S21根据峰值位置对多普勒频移校正具体操作为：
假设一帧的时间长度固定为T，原始采样率为Fs，经过采样后的总采样点数为N，当峰值提前或延后n个采样点时，将采样率调整为
6.根据权利要求5所述的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：所述步骤S22还包括通过拟合多普勒因子和左右差值的曲线，实现对采样率的调整。
7.根据权利要求1所述的适用于水声通信系统的组合多普勒估计方法，其特征在于：当峰值偏移少于一个采样点时，根据左右差值对采样率进行调整，所述步骤S2中的采样率调整过程如下：通过拟合多普勒因子和左右差值的曲线，实现对采样率的调整。
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