CN110995386B - 基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法，首先向发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧；接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上；计算出相应的补偿角度和多普勒预补偿因子，对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿，并将其与本地的双曲调频信号做相关运算，估出残余多普勒因子；对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的信号并将其与本地的双曲调频信号做自相关运算，得出同步位置。本发明利用残余多普勒因子对预补偿后的接收信号进行二级补偿，再与本地相关信号做相关运算，得出同步位置，从而提高了水下通信的同步单元的性能。

Description

基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法

技术领域

本发明涉及水声通信环境下接收机同步系统领域，尤其涉及基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法。

背景技术

水声通信技术是通信技术领域中的一个重要研究内容，是当前海洋军事中关键的技术。近年来，随着各国海洋战略的确立以及海洋资源的深度开发，水下通信需求急剧增长，使得如何实现高速可靠的水声通信成了研究的重点。但水声信道与空气中的无线通信信道有很大的区别，在海洋中，传输媒介是导电能力很强的海水，而在空气中传输的光波或者电磁波在海水中传输会产生极大的损耗，严重影响通信的质量。另一方面，由于信息传输的损耗与光波和电磁波的频率有关，导致传输的距离很短，严重的影响了水下远程通信的需求和发展。于是相对频率较低的声波成了水下通信的最佳载体，也是目前在水下通信中实现远距离无线通信的唯一手段。

然而复杂的海洋环境、有限的传输带宽、传输过程中时域变换、空间变换、频域变换等效应的干扰，给水声通信带来巨大的困难。另外，声波在水中的传输速度只有1500m/s，极低的传播速度使水声通信面临着比空气中的无线通信严重数万倍的多普勒频移。多普勒效应产生的原因是收发设备之间的相对运动或者水声信道中海水的流动，且相对速度越大，多普勒效应越明显，多普勒频移量也随之加大。在频域上，多普勒效应会引起接收信号的偏移或扩展，在时域上则表现为信号的展宽或压缩，从而恶化水声通信系统的码元同步和载波跟踪，最终导致误码率增加，同步概率降低，接收性能严重下降。

在现实的水下通信系统中，水声通信的收发器通常安置于高速行驶的船舰、潜艇上。因此，发射端与接收端不可避免的存在较大的相对运动，再加上海水的不断流动，海洋生物和各种漂浮物的存在，必然会造成严重的多普勒效应。因此需要在接收端进行多普勒频移因子的估计，并采用相关的方法来补偿被压缩或扩展的信号，从而保证水声通信的性能。同步算法分为非数据辅助类同步算法(盲同步算法)和数据辅助类同步算法。盲同步在时变多径的水声信道中，计算复杂度高。目前应用较多的是基于训练序列的数据辅助类同步算法，该类算法通常采用的是自相关和互相关函数来获得同步位置。在多径时变水下通信环境中，这些算法的性能都会受到影响而恶化。因此，在水下通信环境中的定时同步方案的性能有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法，该方法可获得较好的接收端定时同步性能。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法，

步骤1：发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧；

步骤2：接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上；

步骤3：根据各个子空间上的波束赋形参数计算出相应的补偿角度θ_k，并计算多普勒预补偿因子

对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿；

步骤4：接收端利用相关器对多普勒因子预补偿的信号与本地的双曲调频信号做相关运算，估出残余多普勒因子

步骤5：利用估出的残余多普勒因子

对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的信号；

步骤6：用相关器对二次补偿后的信号与本地的双曲调频信号做自相关运算，得出同步位置。

进一步的，步骤1具体还包括：发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧s(t)，经过水声信道得到接收信号，即

r(t)＝s((1+α)t)；

其中，s(t)是发送信号，r(t)是接收信号，α为多普勒因子。

进一步的，步骤2具体还包括：接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上，即

U＝[φ₁ φ₂ ... φ_N]；

其中，U为子空间的角度范围集合，N为子空间个数的天线数，φ_k为第k个子空间的角度范围，

η_k∈[0,2π]。

进一步的，步骤3具体还包括：根据各个子空间上的波束赋形参数计算出相应的补偿角度θ_k并计算出预补偿多普勒因子

对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿，得到预补偿的信号，即

其中，θ_k为第k个子空间的补偿角度，

为第k个子空间的预补偿多普勒因子，v为发送端与接收端的相对运动速度，c为声波在海水中的传播速度，

为预补偿信号。

进一步的，步骤4具体还包括：接收端利用相关器对多普勒因子预补偿的信号与本地的参考信号做相关运算，估出残余多普勒因子

即

其中，R_f(n)和R_s(n)分别为预补偿信号与本地帧头和帧尾双曲调频信号的互相关函数，d_f和d_s分别为加在帧头和帧尾的双曲调频信号，l为双曲调频信号的长度，argmax(*)为序列最大值的位置，abs(*)为对序列求绝对值，T为双曲调频信号的持续时间，

是双曲调频信号的参数，f_H和f_L分别为双曲调频信号频率范围的上限和下限，n和i为自然数。

进一步的，步骤5具体还包括：利用估出的残余多普勒因子

对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的接收信号，即

其中，

为二级补偿后的接收信号。

进一步的，步骤6具体还包括：用相关器对二级补偿后的信号与本地的参考信号做相关运算，得出同步位置，即

D＝argmax(abs(R'_f(n)))；

其中信号D为同步位置，R'_f(n)别为二级补偿信号与本地帧头参考双曲调频信号的互相关函数，n和i为自然数。

采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明对接收端波束赋形后的信号进行多普勒因子预补偿，并利用预补偿后的接收信号与本地的参考信号做相关运算，进一步估计残余多普勒因子。本发明解决了发射端与接收端存在较大的相对运动导致的水下通信同步概率低，接收性能严重下降的问题，利用残余多普勒因子对预补偿后的接收信号进行二级补偿，再与本地相关信号做相关运算，得出同步位置，从而提高了水下通信的同步单元的性能。

具体实施方式

本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。

基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法，

步骤1：发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧；

步骤2：接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上；

步骤3：根据各个子空间上的波束赋形参数计算出相应的补偿角度θ_k，并计算多普勒预补偿因子

对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿；

步骤4：接收端利用相关器对多普勒因子预补偿的信号与本地的双曲调频信号做相关运算，估出残余多普勒因子

步骤5：利用估出的残余多普勒因子

对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的信号；

步骤6：用相关器对二次补偿后的信号与本地的双曲调频信号做自相关运算，得出同步位置。

步骤1具体还包括：发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧s(t)，经过水声信道得到接收信号，即

r(t)＝s((1+α)t)；

其中，s(t)是发送信号，r(t)是接收信号，α为多普勒因子。

步骤2具体还包括：接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上，即

U＝[φ₁ φ₂ ... φ_N]；

其中，U为子空间的角度范围集合，N为子空间个数的天线数，φ_k为第k个子空间的角度范围，

η_k∈[0,2π]。

步骤3具体还包括：根据各个子空间上的波束赋形参数计算出相应的补偿角度θ_k并计算出预补偿多普勒因子

对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿，得到预补偿的信号，即

其中，θ_k为第k个子空间的补偿角度，

为第k个子空间的预补偿多普勒因子，v为发送端与接收端的相对运动速度，c为声波在海水中的传播速度，

为预补偿信号。

步骤4具体还包括：接收端利用相关器对多普勒因子预补偿的信号与本地的参考信号做相关运算，估出残余多普勒因子

即

其中，R_f(n)和R_s(n)分别为预补偿信号与本地帧头和帧尾双曲调频信号的互相关函数，d_f和d_s分别为加在帧头和帧尾的双曲调频信号，l为双曲调频信号的长度，argmax(*)为序列最大值的位置，abs(*)为对序列求绝对值，T为双曲调频信号的持续时间，

是双曲调频信号的参数，f_H和f_L分别为双曲调频信号频率范围的上限和下限，n和i为自然数。

步骤5具体还包括：利用估出的残余多普勒因子

对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的接收信号，即

其中，

为二级补偿后的接收信号。

步骤6具体还包括：用相关器对二级补偿后的信号与本地的参考信号做相关运算，得出同步位置，即

D＝argmax(abs(R'_f(n)))；

其中信号D为同步位置，R'_f(n)别为二级补偿信号与本地帧头参考双曲调频信号的互相关函数，n和i为自然数。

本发明对接收端波束赋形后的信号进行多普勒因子预补偿，并利用预补偿后的接收信号与本地的参考信号做相关运算，进一步估计残余多普勒因子。解决了发射端与接收端存在较大的相对运动导致的水下通信同步概率低，接收性能严重下降的问题，提高了水下通信的同步单元的性能。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (1)

1.基于波束赋形和多普勒因子多级补偿技术的定时同步方法，其特征在于，

步骤1：发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧；

步骤2：接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上；

步骤3：根据各个子空间上的波束赋形参数计算出相应的补偿角度θ_k，并计算多普勒预补偿因子

对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿；

步骤4：接收端利用相关器对多普勒因子预补偿的信号与本地的双曲调频信号做相关运算，估出残余多普勒因子

步骤5：利用估出的残余多普勒因子

对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的信号；

步骤6：用相关器对二次补偿后的信号与本地的双曲调频信号做自相关运算，得出同步位置；

步骤1具体还包括：发送端发送一个帧头和帧尾均为接收端已知的双曲调频信号的数据帧s(t)，经过水声信道得到接收信号，即

r(t)＝s((1+α)t)；

其中，s(t)是发送信号，r(t)是接收信号，α为多普勒因子；

步骤2具体还包括：接收端对接收信号进行波束赋形，将接收信号分割到相互正交的N个角域子空间上，即

U＝[φ₁ φ₂...φ_N]；

其中，U为子空间的角度范围集合，N为子空间个数的天线数，φ_k为第k个子空间的角度范围，

η_k∈[0,2π]；

步骤3具体还包括：根据各个子空间上的波束赋形参数计算出相应的补偿角度θ_k并计算出预补偿多普勒因子

对各个子空间上的信号进行多普勒因子预补偿，得到预补偿的信号，即

其中，θ_k为第k个子空间的补偿角度，

为第k个子空间的预补偿多普勒因子，v为发送端与接收端的相对运动速度，c为声波在海水中的传播速度，

为预补偿信号；

步骤4具体还包括：接收端利用相关器对多普勒因子预补偿的信号与本地的参考信号做相关运算，估出残余多普勒因子

即

其中，R_f(n)和R_s(n)分别为预补偿信号与本地帧头和帧尾双曲调频信号的互相关函数，d_f和d_s分别为加在帧头和帧尾的双曲调频信号，l为双曲调频信号的长度，argmax(*)为序列最大值的位置，abs(*)为对序列求绝对值，T为双曲调频信号的持续时间，

是双曲调频信号的参数，f_H和f_L分别为双曲调频信号频率范围的上限和下限，n和i为自然数；

步骤5具体还包括：利用估出的残余多普勒因子

对多普勒预补偿的信号进行二级补偿，得到二级补偿后的接收信号，即

其中，

为二级补偿后的接收信号；

步骤6具体还包括：用相关器对二级补偿后的信号与本地的参考信号做相关运算，得出同步位置，即

D＝argmax(abs(R'_f(n)))；

其中信号D为同步位置，R'_f(n)别为二级补偿信号与本地帧头参考双曲调频信号的互相关函数，n和i为自然数。