CN111342949A - 一种水声移动通信的同步检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水声移动通信的同步检测方法，采用尺度展缩组合滤波器的接收机，该接收机的组合滤波器由不同时间展缩及时移的信号之和组成，提高了滤波器与不同运动速度的宽带多普勒回波信号的匹配度，从而提高宽带多普勒回波时的检测概率及同步时间估计精度。此外，本发明提出的接收机与匹配滤波器的运算相同，适合于实时、低功耗要求的移动移动水声通信的同步检测。

Description

一种水声移动通信的同步检测方法
技术领域
本发明属于水声通信与组网领域，涉及匹配滤波、水下信号处理、水声通信和水声组网等理论。
背景技术
水声通信大多为突发协作通信，在这种突发协作通信中，接收机能正确地检测并估计通信信号的到达时刻是突发协作通信首先要解决的重要问题。为了使接收机快速解决该问题，通常在突发协作通信的数据帧前增加一段收发双方约定好的同步信号，以实现突发信号的检测和时间同步。
为了在一定的虚警概率下获得高的检测概率及信号精准的到达时间，水声通信工作者进行了深入的研究，做了大量的工作，通常选取自相关性好的线性调频信号(LFM)、双曲调频信号(HFM)或伪随机调制信号作为同步信号，接收机通常采用匹配滤波器。这种接收机在无径向运动时获得了很好的检测性能及信号到达时刻的估计精度，但由于水声通信收发端的相对运动，运动的海面、海底反射以及声速不均匀引起的折射，使得水声信道是连续的时变扩展信道，此时产生的径向速度使得接收机的性能急剧下降，此时即使能够正确检测到，但是由于信号到达时刻的估计误差较大，使得接收信号的解调误码率增大。目前各类的研究都是假设没有多普勒频偏，这就使得根据匹配滤波理论设计的滤波器出现失配问题。因此考虑多普勒频偏，根据尺度展缩构造组合滤波器，可以提高滤波器与不同运动速度的宽带多普勒回波信号的匹配度，进而提高接收机的检测性能和同步时间估计精度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水声移动通信的同步检测方法，采用尺度展缩组合滤波器的接收机，该接收机的组合滤波器由不同时间展缩及时移的信号之和组成，提高了滤波器与不同运动速度的宽带多普勒回波信号的匹配度，从而提高宽带多普勒回波时的检测概率及同步时间估计精度。此外，本发明提出的接收机与匹配滤波器的运算相同，适合于实时、低功耗要求的移动移动水声通信的同步检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
第一步，发射探测信号s(t)，探测信号为LFM信号、HFM信号或伪随机调制信号；
第二步，构造尺度组合滤波器，尺度组合滤波器为发射信号经过不同的尺度展缩及时间延迟之和，其冲激响应
Figure BDA0002387539540000021
式中，vth为速度间隔，满足vth＝c(apth-1)，apth为尺度间隔，c为水中声速，
Figure BDA0002387539540000022
为第p条路径的时间延迟，f0为线性调频信号起始频率，M为线性调频信号频率调制斜率，vmax为系统的最大相对运动速度，组合滤波器的个数
Figure BDA0002387539540000023
Figure BDA0002387539540000024
为向上取整运算符，
Figure BDA0002387539540000025
为能量归一化系数，∑为求和运算符号，*为卷积运算符号；
第三步，设计基于尺度组合滤波器的接收机，接收机的输出最大值为检验统计量Ts＝ApT，Ap为第p条路径对应的幅值，T为发射信号持续时间；根据检测任务给定的虚警概率PFA，由奈曼-皮尔逊准则得接收机的检测门限
Figure BDA0002387539540000026
检测概率
Figure BDA0002387539540000027
式中，n～N(0,σ2)为加性高斯白噪声，Q-1(·)为Q(·)函数的反函数，
Figure BDA0002387539540000028
第四步，回波信号与尺度组合滤波器中的第i阶组件相匹配，尺度组合滤波器输出的最大值
Figure BDA0002387539540000029
取尺度组合滤波器的最大值及第i-1阶和i+1阶组件的输出的极大值之和为检验统计量；
第五步，设置判决门限对第四步中的检验统计量进行检测判决。
本发明的有益效果是：提出了一种尺度展缩组合滤波器的接收机，该接收机的组合滤波器由不同时间展缩及时移的信号之和组成，提高了滤波器与不同运动速度的宽带多普勒回波信号的匹配度，从而提高宽带多普勒回波时的检测概率及同步时间估计精度。此外，本专利提出的接收机与匹配滤波器的运算相同，适合于实时、低功耗要求的移动移动水声通信的同步检测。本发明具有较强的适用性，不仅可用于对LFM信号的同步检测，同样适用于对HFM或伪随机信号的同步检测。为水下组网通信及水下网络安全提供技术支撑，为建设智慧海洋、发展海洋经济、建立海上强国打下坚实基础。
附图说明
图1是本发明设计的接收机滤波检测原理框图；
图2是本发明设计的组合滤波器结构图。
具体实施方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
第一步：发射探测信号
发射信号记为s(t)，可以为LFM信号、HFM信号或伪随机调制信号。
第二步：构造尺度组合滤波器
尺度组合滤波器为发射信号经过不同的尺度展缩及时间延迟之和，其冲激响应如下式所示，
Figure BDA0002387539540000031
式中，vth为速度间隔，满足vth＝c(apth-1)，apth为尺度间隔，c为水中声速，
Figure BDA0002387539540000032
为第p条路径的时间延迟，f0为线性调频信号起始频率，M为线性调频信号频率调制斜率，vmax为系统的最大相对运动速度为，组合滤波器的个数
Figure BDA0002387539540000033
Figure BDA0002387539540000034
为向上取整运算符，
Figure BDA0002387539540000035
为能量归一化系数，∑为求和运算符号，*为卷积运算符号，s(t)为发射信号。
第三步：设计基于尺度组合接收滤波器的接收机
接收机设计的关键是在恒虚警条件下选取合适的检验统计量获取满足检测任务的检测概率。取组合滤波器中输出最大值为检验统计量Ts＝ApT，Ap为第p条路径对应的幅值，T为发射信号持续时间，n～N(0,σ2)为加性高斯白噪声，N(0,σ2)代表均值为0，方差为σ2的正态分布，归一化检验统计量如下，
Figure BDA0002387539540000036
根据检测任务给定的虚警概率PFA，由奈曼-皮尔逊准则得检测门限
Figure BDA0002387539540000041
检测概率
Figure BDA0002387539540000042
式中，Q-1(·)为Q(·)函数的反函数，
Figure BDA0002387539540000043
第四步：计算检验统计量
回波信号与组合滤波器中的第i阶组件相匹配，组合滤波器输出的最大值为
Figure BDA0002387539540000044
为了提高检测概率，取尺度组合滤波器的最大值及第i-1阶和i+1阶组件的输出的极大值之和为检验统计量。
第五步：设置判决门限对检验统计量进行检测判决
设置判决门限对第四步中的检验统计量进行检测判决，本发明中认为匹配滤波器输出最大值变为原始值(这里的原始值为接收信号经过传统匹配滤波器后输出的最大值)的一半时无法正确检测，因此选择此时的最大值作为判决门限。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
第一步：发射探测信号
发射信号为持续时间T的矩形包络LFM信号：
Figure BDA0002387539540000045
式中，f0为载波频率，一般取9-16kHz,M为线性调频指数，一般取500Hz～2000Hz，瞬时频率为fu(t)＝f0+Mt，频率调制宽度W＝|M|T，
Figure BDA0002387539540000046
为Woodward函数。
此外，发射还可以为LFM信号、HFM信号或伪随机调制信号。
水声信道是连续的时变扩展信道其时变冲击响应可表示为
Figure BDA0002387539540000047
其中，Np为信道在采样点上可分离出的独立路径数，Ap、τp、ap分别为接收到的每一条路径的幅值、时间延迟、多普勒尺度，且
Figure BDA0002387539540000051
Figure BDA0002387539540000059
为径向速度，c为水中声速。
到达接收机的信号r(t)可表示为
Figure BDA0002387539540000052
式中，τp为信号沿第p条路径传播到达接收机的时刻。
第二步：构造尺度组合滤波器
第p条路径为幅值最大的路径，由多普勒频移和时延引起的接收信号为
Figure BDA0002387539540000053
将匹配滤波器的冲激响应函数设计为与发射信号相匹配，即
Figure BDA0002387539540000054
接收信号rp(t)经过hr(t)表示的滤波器后，其输出信号为
Figure BDA0002387539540000055
输出信号最大值与相对运动速度的关系如下
Figure BDA0002387539540000056
式中，
Figure BDA0002387539540000057
Figure BDA0002387539540000058
为菲涅尔积分。
此时
t＝f0(1-ap)/M+apτp
为了提高信号到达时刻的估计精度，接收滤波器中增加的尺度展缩信号必须为时移信号。尺度组合滤波器为发射信号经过不同的尺度展缩及时间延迟之和，其冲激响应如下式所示，
Figure BDA0002387539540000061
式中，apth为尺度间隔，vth为速度间隔，满足apth＝1+vth/c，c为水中声速，
Figure BDA0002387539540000062
为时间延迟，vmax为系统的最大相对运动速度为，组合滤波器的个数
Figure BDA0002387539540000063
Figure BDA0002387539540000064
为向上取整运算符，
Figure BDA0002387539540000065
为能量归一化系数，Σ为求和运算符号，*为卷积运算符号，s(t)为发射信号。
第三步：设计基于尺度组合接收滤波器的接收机
取匹配滤波器输出最大值为检验统计量Ts＝ApT，Ap为第p条路径对应的幅值，T为发射信号持续时间，n～N(0,σ2)为加性高斯白噪声，N(0,σ2)代表均值为0，方差为σ2的正态分布，归一化检验统计量如下，
Figure BDA0002387539540000066
根据检测任务给定的虚警概率PFA，由奈曼-皮尔逊准则得检测门限
Figure BDA0002387539540000067
检测概率
Figure BDA0002387539540000068
式中，Q-1(·)为Q(·)函数的反函数，
Figure BDA0002387539540000069
第四步：计算检验统计量
回波信号与组合滤波器中的第i阶组件相匹配，组合滤波器输出的最大值为
Figure BDA00023875395400000610
为了提高检测概率，取尺度组合滤波器的最大值及第i-1阶和i+1阶组件的输出的极大值之和为检验统计量。
第五步：设置判决门限对检验统计量进行检测判决
设置判决门限对第四步中的检验统计量进行检测判决，本发明中认为匹配滤波器输出最大值变为原始值(这里的原始值为接收信号经过传统匹配滤波器后输出的最大值)的一半时无法正确检测，因此选择此时的最大值作为判决门限。

Claims (1)

1.一种水声移动通信的同步检测方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步，发射探测信号s(t)，探测信号为LFM信号、HFM信号或伪随机调制信号；
第二步，构造尺度组合滤波器，尺度组合滤波器为发射信号经过不同的尺度展缩及时间延迟之和，其冲激响应
Figure FDA0002387539530000011
式中，vth为速度间隔，满足vth＝c(apth-1)，apth为尺度间隔，c为水中声速，
Figure FDA0002387539530000012
为第p条路径的时间延迟，f0为线性调频信号起始频率，M为线性调频信号频率调制斜率，vmax为系统的最大相对运动速度，组合滤波器的个数
Figure FDA0002387539530000013
Figure FDA0002387539530000014
为向上取整运算符，
Figure FDA0002387539530000015
为能量归一化系数，∑为求和运算符号，*为卷积运算符号；
第三步，设计基于尺度组合滤波器的接收机，接收机的输出最大值为检验统计量Ts＝ApT，Ap为第p条路径对应的幅值，T为发射信号持续时间；根据检测任务给定的虚警概率PFA，由奈曼-皮尔逊准则得接收机的检测门限
Figure FDA0002387539530000016
检测概率
Figure FDA0002387539530000017
式中，n～N(0,σ2)为加性高斯白噪声，Q-1(·)为Q(·)函数的反函数，
Figure FDA0002387539530000018
第四步，回波信号与尺度组合滤波器中的第i阶组件相匹配，尺度组合滤波器输出的最大值
Figure FDA0002387539530000019
取尺度组合滤波器的最大值及第i-1阶和i+1阶组件的输出的极大值之和为检验统计量；
第五步，设置判决门限对第四步中的检验统计量进行检测判决。
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