CN113078959B - 一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法。当设备作为发送端时，该通信方法包括：获取有用信号；对有用信号进行载波调制，得到调制信号；在调制信号中插入频移检测波，得到叠加信号；发送叠加信号。当设备作为接收端时，该通信方法包括：提取接收信号中的第一信号；接收信号包括第一信号和第二信号，第一信号包括由发送端发送的、经传输后的频移检测波，第二信号包括由发送端发送的、经传输后的有用信号；比较第一信号和频移检测波，确定多普勒频移补偿参数；根据多普勒频移补偿参数，对第二信号进行多普勒频移补偿，得到补偿后的信号。本发明能够根据多普勒频移实时的变化对通信数据进行频移补偿，能够有效降低移动水声通信的误码率。

Description

一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，特别是涉及一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法。

背景技术

近年来，移动式水声通信的需求在不断增大，特别是自主水下航行器(autonomousunderwater vehicles，AUVs)和远程控制水下航行器(remotely operated underwatervehicles，ROVs)在海洋测试测量和海上工程应用中引起了广泛关注。在AUVs和ROVs中，可靠而有效的移动式水声通信对于控制指令和图像/视频等数据传输至关重要。

在水声通信中，由于发射和接收端之间的相对运动，多普勒频移效应的产生是无法避免的。而移动式水声通信技术中采用的载波调制方式对多普勒十分敏感，所以需要对其进行多普勒补偿。常规的多普勒补偿方式通常假设多普勒频移是恒定的，但是，移动水声通信的发射端由于不断移动，其产生的多普勒频移是变化的。也就是说，常规的多普勒补偿方式并不适用于多普勒频移变化的场景，误码率相对较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法，以适用多普勒频移变化的场景，进而降低误码率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法，包括：

提取接收信号中的第一信号；所述接收信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号包括由发送端发送的、经传输后的频移检测波，所述第二信号包括由发送端发送的、经传输后的有用信号；在所述发送端，所述频移检测波与所述有用信号一起发送；

比较所述第一信号和所述频移检测波，确定多普勒频移补偿参数；

根据所述多普勒频移补偿参数，对所述第二信号进行多普勒频移补偿，得到补偿后的信号。

可选的，所述根据所述多普勒频移补偿参数，对所述第二信号进行多普勒频移补偿，具体包括：

根据所述多普勒频移补偿参数，计算重采样转换率范围；

以不同的重采样转换率对所述第二信号进行重采样，得到多个重采样信号，各所述重采样转换率位于所述重采样转换率范围中；

将误码率最小的重采样信号确定为所述补偿后的信号。

可选的，所述以不同的重采样转换率对所述第二信号进行重采样，具体包括：

对所述第二信号进行多路重采样，每路重采样所采用的重采样转换率不相同。

可选的，所述多普勒频移补偿参数包括：所述第一信号多普勒频移的平均值和标准差。

可选的，所述根据所述多普勒频移补偿参数，计算重采样转换率范围，具体包括：

将重采样转换率的范围确定为

其中，Δ_M为所述第一信号多普勒频移的平均值，Δ_D为所述第一信号多普勒频移的标准差。

一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法，包括：

获取有用信号；

对所述有用信号进行载波调制，得到调制信号；

在所述调制信号中插入频移检测波，得到叠加信号；

发送所述叠加信号。

可选的，所述载波调制为正交chirp信号多载波调制。

可选的，所述频移检测波插在所述调制信号之前。

可选的，所述频移检测波为连续波，且所述频移检测波的频率范围与所述有用信号的频率范围不重叠。

可选的，所述频移检测波为单频波。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的，在发送端将有用信号与频移检测波一起发送，接收端通过分析经传输的频移检测波所发生的多普勒频移情况，来对经传输的有用信号进行频移补偿。由于频移检测波与有用信号是一起传输的，因此，频移检测波经传输后发生的频移情况能够反映有用信号经传输后发生的频移情况，即本发明对每一有用信号的频移补偿均是根据其自身的传输情况进行的。与现有技术中采用恒定的频移量对所有信号进行频移补偿相比，本发明能够适应多普勒频移实时的变化性，有效降低移动水声通信的误码率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水声通信方法中信息发送端的通信流程图；

图2为本发明实施例中叠加信号产生原理图；

图3(a)为本发明实施例中信号调制原理图，图3(b)为本发明实施例中信号解调原理图；

图4为本发明实施例中CW信号插入位置示意图；

图5为本发明实施例提供的水声通信方法中信息接收端的通信流程图；

图6为本发明实施例提供的水声通信方法中信息接收端的又一通信流程图；

图7为本发明实施例中数据帧信息的结构示意图；

图8为本发明实施例中短时多普勒频移的示意图；

图9为本发明实施例中多普勒频移补偿方法流程图；

图10为本发明实施例中未采用重采样技术时的通信误码率结果示意图；

图11为本发明实施例中采用单一重采样技术时的通信误码率结果示意图；

图12为本发明实施例中未采用多路重采样技术时的通信误码率结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法，以适用多普勒频移变化的场景，进而降低误码率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种适用于水下移动设备之间的水声通信方法，该水声通信方法通过与通信信息一起传输的频移检测波的频移情况来确定通信信息的频移补偿参数，并基于该频移补偿参数对该通信信号进行频移补偿。参见图1，当水下移动设备作为信号发送端时，执行以下步骤：

步骤101：获取有用信号。该有用信号包含了发送端需要发送的信息。

步骤102：对所述有用信号进行载波调制，得到调制信号。

进一步的，载波调制可以为正交chirp信号多载波调制。

具体的实现方式可以如下：

1)在获取到有用信号后，将有用信号的二进制数据经CRC校验(cyclicredundancy check，CRC)、前向纠错(Forward Error Correcting，FEC)编码和交织后再经由串并转换。

如图2所示，为保证在水声信道中高速率通信系统的可靠性，在发射端的数字信息经过以下预处理操作：对二进制数据在前向纠错(Forward Error Correcting，FEC)编码前插入循环冗余校验码(cyclic redundancy check，CRC)，CRC的开销很小，通常采用16bit已足够(即CRC-16)；CRC码后再经前向纠错编码和数据帧内的矩阵交织。考虑到复杂度和纠错性能的平衡，前向纠错编码可选取卷积码。

2)串并转换后的二进制数据经过正交chirp信号的多载波调制形成数据帧。

正交chirp信号的多载波调制过程如图3(a)所示，图中ψ_n(t)表示一组相互正交的chirp信号：

其中，n为chirp信号的序号，chirp信号的周期设定为T，N为该组chirp信号的数量。二进制数据经正交相移键控(quadrature phase shift keying，QPSK)调制后的第k个符号为x(k)，则经正交chirp信号的多载波调制后的信号为s(t)，如下公式：

由于ψ_n(t)是相互正交的，则信息x(m)可方便的通过匹配滤波器提取出来，如图3(b)的正交chirp信号的多载波解调过程：

步骤103：在所述调制信号中插入频移检测波，得到叠加信号，如图4所示。

具体的，有用信号经调制后形成数据帧，可以在数据帧前插入频移检测波，用于估计短时多普勒频移。优选的，为了便于接收端对频移检测波的提取，该频移检测波可以设置为频率范围与有用信号的频率范围不重叠，使接收端可以通过滤波器将频移检测波提取出来，进一步的，为了简化频移检测波的分析过程，频移检测波可以为单频的连续波(continuous wave，CW)。

步骤104：发送所述叠加信号。具体的，叠加信号经由水声换能器发射到水声信道中去。

参见图5和图6，当水下移动设备作为信号发送端时，执行以下步骤：

步骤201：提取接收信号中的第一信号；所述接收信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号包括由发送端发送的、经传输后的频移检测波，所述第二信号包括由发送端发送的、经传输后的有用信号；在所述发送端，所述频移检测波与所述有用信号一起发送。

在提取接收信号中的第一信号之前，信号接收端首先将接收到的信号经前置放大、抗混叠滤波和A/D转换电路处理，得到数字信号，再经帧同步处理后得到数据帧信息，之后，从数据帧信息中提取第一信号，所述第一信号即受到变化的多普勒频移影响的CW信号，第一信号可经由带通滤波器提取出来。

数据帧信息如图7所示，每一帧的开头是一个由两个双曲调频(HyperbolicFrequency Modulation，HFM)信号(上扫频和下扫频)构成的前导序列，HFM信号因具有多普勒不变性，可用于通信中精确的帧同步和多普勒估计；保护间隔时长为T_G，其设定一般会大于信道的时延扩展，保护间隔后则是一个已知的导频(pilot symbol)序列，主要用于信道估计；导频序列后则是传输信息的通信数据块，相邻数据块之间插入循环前缀(起到数据块间的保护间隔作用)。

步骤202：比较所述第一信号和所述频移检测波，确定多普勒频移补偿参数。

具体的，将解调后的第一信号与频移检测波进行对比，通过解调后的第一信号中的相位偏移来测量第一信号的短时多普勒频移，进而基于第一信号的短时多普勒频移确定多普勒频移补偿参数。其中，测量得到的短时多普勒频移示例如图8所示。

步骤203：根据所述多普勒频移补偿参数，对所述第二信号进行多普勒频移补偿，得到补偿后的信号。

进一步的，参见图9，步骤203具体可以包括：

步骤301：根据所述多普勒频移补偿参数，计算重采样转换率范围。

进一步的，多普勒频移补偿参数可以为第一信号多普勒频移的平均值Δ_M和标准差Δ_D。基于第一信号多普勒频移的平均值和标准差，可将重采样转换率范围确定为

步骤302：以不同的重采样转换率对所述第二信号进行重采样，得到多个重采样信号，各所述重采样转换率位于所述重采样转换率范围中。

进一步的，重采样可为多路重采样，每路重采样分支所采用的重采样转换率不相同。

重采样原理：假设s(t)和r(t)分别为发送信号和接收信号。用离散的时间对发射信号进行采样则可得到s[nT_s]，其中n为整数，T_s是采样周期，此时接收信号r[nT_s]可表示为：

r[nT_s]＝s[(1+Δ)nT_s]

其中多普勒频移为Δ，则重采样时的转换率应为1\(1+Δ)，可通过以下公式进行重采样以消除固定的多普勒频移Δ：

步骤303：将误码率最小的重采样信号确定为所述补偿后的信号。具体可以如下：经多路重采样得到的每一分支信号都经正交chirp信号的多载波解调得到并行多路的解调结果(正交chirp信号的多载波解调过程如图3(b)所示)；将并行多路的解调结果通过CRC校验检查其输出数据是否有错误发生，并通过数据分拣选择其中错误最少的分支，得到最终的二进制信息。

图10-图12为在千岛湖实测的水声通信结果，其中水声通信的发射端由于不断移动引起变化的多普勒频移，由图10-图12结果可以看出，未采用重采样技术时的误码率很高，而采用单一重采样的误码率有所改善，经由多路重采样处理后的误码率则显著降低。

本发明提供的水声通信方法具有以下优势：

1、通过对瞬时多普勒频移估计得到的多普勒频移标准差来扩展重采样的范围，以应对变化的多普勒频移，在变化的多普勒频移的水声信道下，能有效降低水声通信的误码率。

2、正交chirp信号的多载波方案中的多个相互正交的chirp信号在频域上重叠，保证了通信系统的频谱有效性，同时可以通过关闭部分chirp信号来提高系统的可靠性，实现有效性与可靠性之间的置换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种抗变化的多普勒频移的水声通信方法，其特征在于，包括：

提取接收信号中的第一信号；所述接收信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号包括由发送端发送的、经传输后的频移检测波，所述第二信号包括由发送端发送的、经传输后的有用信号；在所述发送端，所述频移检测波与所述有用信号一起发送；

比较所述第一信号和所述频移检测波，确定多普勒频移补偿参数；

根据所述多普勒频移补偿参数，对所述第二信号进行多普勒频移补偿，得到补偿后的信号；

其中，所述根据所述多普勒频移补偿参数，对所述第二信号进行多普勒频移补偿，具体包括：

根据所述多普勒频移补偿参数，计算重采样转换率范围；

以不同的重采样转换率对所述第二信号进行重采样，得到多个重采样信号，各所述重采样转换率位于所述重采样转换率范围中；

将误码率最小的重采样信号确定为所述补偿后的信号。

2.根据权利要求1所述的抗变化的多普勒频移的水声通信方法，其特征在于，所述以不同的重采样转换率对所述第二信号进行重采样，具体包括：

对所述第二信号进行多路重采样，每路重采样所采用的重采样转换率不相同。

3.根据权利要求1或2所述的抗变化的多普勒频移的水声通信方法，其特征在于，所述多普勒频移补偿参数包括：所述第一信号多普勒频移的平均值和标准差。

4.根据权利要求3所述的抗变化的多普勒频移的水声通信方法，其特征在于，所述根据所述多普勒频移补偿参数，计算重采样转换率范围，具体包括：

将重采样转换率的范围确定为

其中，Δ_M为所述第一信号多普勒频移的平均值，Δ_D为所述第一信号多普勒频移的标准差。

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