CN113259291B - 利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法 - Google Patents

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CN113259291B CN202110577149.6A CN202110577149A CN113259291B CN 113259291 B CN113259291 B CN 113259291B CN 202110577149 A CN202110577149 A CN 202110577149A CN 113259291 B CN113259291 B CN 113259291B
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Abstract

利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，属于水下无线通信及其信号处理领域。解决了现有的采用多普勒跟踪进行相位补偿的方法，接收端信息同步不准确，无法准确获取有效信息，以及通信过程中频带利用率低的问题。本发明将接收信号与本地复通带参考信号进行相关处理，获得通带相关信号；对其获得的通带相关信号进行逐符号的多普勒估计；该多普勒的估计值用于补偿接收信号的相位偏移以及生成新的本地复通带参考信号，作为下一处理单元的参考信号，以补偿动态多普勒引入的幅度衰减。本发明主要适用于动态多普勒场景下的水声扩频通信系统。

Description

利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法
技术领域
本发明属于水下无线通信及其信号处理领域，特别适用于动态多普勒场景下的水声扩频通信系统。
背景技术
多普勒跟踪及相位补偿问题是水下无线通信技术研究中的一个经典课题。扩频信号因其具有良好的自相关特性以及互相关特性，使得其具有良好的抗多途干扰，支持多用户进行同时传输，并且能够通过采用差分调制方式直接合并空时分集增益，已经广泛地应用于水下通信及组网系统。采用差分调制(DPSK)能够有效合并空时分集增益，但是同时也引入了差分检测性能损失。
单载波信号和多载波信号具有信号持续时间短、不能远距离传输、不能抗噪声的特点，扩频信号具备持续时间长、传播距离远、抗噪声及更稳健的特点；而相较于单载波信号以及多载波信号，扩频信号因为其传输速率低以及持续时间长等特点，并且由于信道的时变特性，使得多普勒效应尤为严重，并且呈现为动态特性。
在单载波通信和多载波通信系统中，均是通过训练序列或者空置子载波来实现自适应多普勒跟踪与补偿；在扩频信号通信系统中，扩频信号中由于其信号持续时间长、通信速率低等因素，引入训练序列将使得带宽利用率进一步降低，使得这些多普勒跟踪算法很难适用于扩频通信系统。水下的多普勒扩展不仅表现为频率偏移，还表现为信号的脉宽变化，信号的脉宽变化与瞬时多普勒因子具有一一对应关系。又因为扩频信号具有良好的时间分辨能力和自相关特性，使得通过相关处理去估计信号的脉宽变化成为可能。继而现有技术中存在根据脉宽变化与多普勒因子的关系实现多普勒估计及相位补偿的技术。
现有技术中对水下扩频信号的多普勒跟踪及估计方法进行了研究，其主要分为两种：
其一、提出了一种扩展水下扩频信号多普勒容限方法，该方法从匹配滤波器输出响应的表达式出发分析了扩频信号对多普勒敏感的原因，并提出了一种基于回波预处理的方法。通过该方法处理后，匹配滤波器输出与多普勒频率无关，能够有效改善扩频信号的多普勒容限；但是，其仅考虑多普勒扩展引入的频率偏移，并未考虑脉宽的伸缩效应，接收端信号同步不准确，无法准确获取有效信息，从而导致接收端通信系统性能下降；
其二，还提出了一种自适应的多普勒估计与补偿算法，其算法研究多普勒频移对扩频通信系统的影响，该算法能在满足实时通信的情况下准确地对多普勒频移效应进行抵消；其考虑了脉宽的伸缩效应，但是需要利用训练序列来初始化多普勒估计，使得通信的频带利用率降低。
因此，以上两种水下扩频信号的多普勒跟踪方法存在的缺陷亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的采用多普勒跟踪进行相位补偿的方法，接收端信息同步不准确，无法准确获取有效信息，以及通信过程中频带利用率低的问题，本发明提供了利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法。
利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、对所接收的初始通信信号进行信号同步和提取，获得初始通信信号中的有效通信信号r(t)，还将有效通信信号r(t)中任意两个相邻符号划分成一组作为一个处理单元rn(t)；rn(t)表示第n个处理单元，且该第n个处理单元rn(t)中两个符号的序号分别为第n和第n+1；n的初始值为1；
同时，还采用并行匹配滤波的方法对初始通信信号进行多普勒粗估计，获得初始多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000021
并利用初始多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000022
获得本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000023
步骤二、将第n个处理单元rn(t)与本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000024
进行通带互相关处理，获得第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)；
步骤三、利用第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)，获得第n个处理单元rn(t)所对应的瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000025
再利用该瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000026
获得第n个处理单元rn(t)所对应的相位估计值φn；从而利用相位估计值φn实现对第n个处理单元rn(t)进行相位补偿；
步骤四、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000027
对本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000028
进行更新，获得更新后的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000029
再令n＝n+1，重复执行步骤二至步骤三，直至完成对所有处理单元的相位补偿，从而完成对水声连续信号动态多普勒跟踪。
优选的是，步骤一中、对所接收的初始通信信号进行信号同步和提取，获得初始通信信号中的有效通信信号r(t)的实现方式为：
初始通信信号与本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000031
进行并行匹配滤波处理，获得初始通信信号的起始位置τ0，根据起始位置τ0和初始通信信号中有效信号的长度，从初始通信信号中截取出有效通信信号r(t)，从而实现对有效通信信号r(t)的获取。
优选的是，步骤一中，第n个处理单元rn(t)的表达式为：
Figure GDA0003287021520000032
其中，b[k]满足：
b[k]＝d[k]b[k-1] (公式二)；
步骤一中，本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000033
的表达式为：
Figure GDA0003287021520000034
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
b[k-1]表示差分编码序列中的第k-1个元素；
d[k]表示输入至差分编码器中的信息序列中的第k个元素；
Figure GDA0003287021520000035
表示取实部；
c[m]为扩频序列中的第m个元素；
L表示扩频序列的长度；
g(t)为矩形窗函数；
t为时间；
Tb为符号的宽度；
Tc为符号中码片的宽度；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
n(t)为噪声项。
优选的是，步骤二中，将第n个处理单元rn(t)与本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000041
进行通带互相关处理，获得第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)的实现方式为：
Figure GDA0003287021520000042
其中，
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
τ为时延；
τk为序号为k的符号所对应的时延值；
Rc(·)为扩频序列卷积矩形窗的自相关函数；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
Figure GDA0003287021520000043
为本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000044
所对应的多普勒因子。
优选的是，步骤三中、利用第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)，获得第n个处理单元rn(t)所对应的瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000045
再利用该瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000046
获得第n个处理单元rn(t)所对应的相位估计值φn的实现方式为：
步骤三一、取通带相关输出波形Rn(τ)的实部绝对值
Figure GDA0003287021520000047
并根据
Figure GDA0003287021520000048
所对应的波形中序号为n和n+1的两个相邻符号的相关包络的峰值位置，分别获得其两个相邻符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻
Figure GDA0003287021520000049
和
Figure GDA00032870215200000410
再利用分数阶时延估计算法对时刻
Figure GDA00032870215200000411
和
Figure GDA00032870215200000412
进行精估计，分别获得时刻
Figure GDA00032870215200000413
和
Figure GDA00032870215200000414
Figure GDA00032870215200000415
表示第n个处理单元rn(t)中序号为n的符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻；
Figure GDA00032870215200000416
表示第n个处理单元rn(t)中序号为n+1的符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻；
Figure GDA00032870215200000417
表示时刻
Figure GDA00032870215200000418
的精估计值；
Figure GDA00032870215200000419
表示时刻
Figure GDA00032870215200000420
的精估计值；
步骤三二、对通带相关输出波形Rn(τ)进行解调，获得通带相关输出波形Rn(τ)的基带波形bn(τ)，再从基带波形bn(τ)上提取序号为n的符号的波形在时刻
Figure GDA0003287021520000051
时，所对应的幅值的估计值
Figure GDA0003287021520000052
及从基带波形bn(τ)上提取序号为n+1的符号的波形在时刻
Figure GDA0003287021520000053
时，所对应的幅值的估计值
Figure GDA0003287021520000054
步骤三三、利用步骤三一获得的时刻
Figure GDA0003287021520000055
和
Figure GDA0003287021520000056
获得第n个处理单元rn(t)的瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000057
步骤三四、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000058
计算第n个处理单元rn(t)的相位估计值φn；
Figure GDA0003287021520000059
其中，fc为载波频率；
Tb为符号的宽度；
Figure GDA00032870215200000510
为本地复通带参考信号
Figure GDA00032870215200000511
所对应的多普勒因子。
优选的是，步骤三一中，利用分数阶时延估计算法对时刻
Figure GDA00032870215200000512
和
Figure GDA00032870215200000513
进行精估计，分别获得时刻
Figure GDA00032870215200000514
和
Figure GDA00032870215200000515
的实现方式为：
Figure GDA00032870215200000516
其中，
Δτ为时延约束项，Δτ满足：
|fcΔτ|＜π/2 (公式七)；
fc为载波频率；
fTD(·)为分数阶时延估计函数；
Tb为符号的宽度。
优选的是，步骤三二中、基带波形bn(τ)的表达式为：
Figure GDA00032870215200000517
其中，
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
Rc(·)为扩频序列卷积矩形窗的自相关函数；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
Figure GDA0003287021520000061
为本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000062
所对应的多普勒因子；
τ为时延；
τk为序号为k的符号所对应的时延值。
优选的是，步骤三三中，瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000063
的表达式为：
Figure GDA0003287021520000064
其中，Tb为符号的宽度。
优选的是，步骤四中、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000065
对本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000066
进行更新，获得更新后的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000067
的实现方式为：
步骤四一、对瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000068
进行一阶低通滤波，获取滤波后的多普勒因子
Figure GDA0003287021520000069
表示为：
Figure GDA00032870215200000610
其中，
Figure GDA00032870215200000611
β为一阶低通滤波器的常系数，且满足0＜β＜1；
步骤四二、利用多普勒因子选择函数从预存的多普勒因子向量α中寻找，与滤波后的多普勒因子
Figure GDA00032870215200000612
差值最小的预存因子，并将其寻找到的预存因子作为更新多普勒因子
Figure GDA00032870215200000613
其中，多普勒因子向量α中包含多个预存的多普勒因子；
步骤四三、利用更新多普勒因子
Figure GDA00032870215200000614
生成更新后的本地复通带参考信号
Figure GDA00032870215200000615
的实现方式为：
Figure GDA00032870215200000616
其中，
c[m]为扩频序列中的第m个元素；
L表示扩频序列的长度；
g(t)为矩形窗函数；
t为时间；
Tc为符号中码片的宽度；
fc为载波频率。
优选的是，步骤三中，利用相位估计值φn实现对第n个处理单元rn(t)进行相位补偿的结果
Figure GDA0003287021520000071
的表达式为：
Figure GDA0003287021520000072
本发明带来的有益效果：
本发明利用扩频信号的良好自相关特性，以及多普勒的频率偏移与信号的脉宽变化一一对应的关系，来实现对连续信号的连续的多普勒估计。本发明能够有效跟踪信号帧内多普勒因子的变化，并对残余相位偏移进行补偿。
一方面，水下由于声速传播较低，收发运动导致的多普勒效应不仅表现为信号的频率的偏移，还表现为接收信号的脉宽的伸缩效应。当接收信号持续时间较长时，单纯的对整帧信号进行同步将不再适用。本发明通过高精度的时延估计对接收信号进行逐符号时延估计获得每个处理单元所对应的多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000073
继而实现准确的信号同步，并根据该时延信息提取调制的符号信息。
另一方面，由于连续信号因持续时间长导致信号帧内多普勒变化剧烈，现有技术中的多普勒块估计无法弥补该损失，需采用多普勒跟踪补偿技术弥补多普勒扩展导致的幅度和相位衰落，而本发明通过对每个处理单元中的符号进行多普勒跟踪有效弥补了多普勒扩展导致的幅度和相位衰落。
第三方面，本发明所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，不需要训练序列来初始化多普勒估计，使其不存在由于训练序列初始化带来的误差传播问题。
附图说明
图1是本发明所述利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法的流程图；
图2是将有效通信信号r(t)划分为多个处理单元的原理示意图；
图3是本发明所述利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法的原理示意图；
图4为不同符号信噪比下的速度估计偏差曲线；
图5不同符号信噪比下的误码率(BER)性能曲线。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、对所接收的初始通信信号进行信号同步和提取，获得初始通信信号中的有效通信信号r(t)，还将有效通信信号r(t)中任意两个相邻符号划分成一组作为一个处理单元rn(t)；rn(t)表示第n个处理单元，且该第n个处理单元rn(t)中两个符号的序号分别为第n和第n+1；n的初始值为1；
同时，还采用并行匹配滤波的方法对初始通信信号进行多普勒粗估计，获得初始多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000081
并利用初始多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000082
获得本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000083
步骤二、将第n个处理单元rn(t)与本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000084
进行通带互相关处理，获得第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)；
步骤三、利用第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)，获得第n个处理单元rn(t)所对应的瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000085
再利用该瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000086
获得第n个处理单元rn(t)所对应的相位估计值φn；从而利用相位估计值φn实现对第n个处理单元rn(t)进行相位补偿；
步骤四、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000091
对本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000092
进行更新，获得更新后的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000093
再令n＝n+1，重复执行步骤二至步骤三，直至完成对所有处理单元的相位补偿，从而完成对水声连续信号动态多普勒跟踪。
本实施方式中，本发明利用扩频信号的良好自相关特性，以及多普勒的频率偏移与信号的脉宽变化一一对应的关系，来实现对连续信号的连续的多普勒估计。本发明能够有效跟踪信号帧内多普勒因子的变化，并对残余相位偏移进行补偿。
一方面，水下由于声速传播较低，收发运动导致的多普勒效应不仅表现为信号的频率的偏移，还表现为接收信号的脉宽的伸缩效应。当接收信号持续时间较长时，单纯的对整帧信号进行同步将不再适用。本发明通过高精度的时延估计对接收信号进行逐符号时延估计获得每个处理单元所对应的多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000094
继而实现准确的信号同步，并根据该时延信息提取调制的符号信息。
另一方面，由于连续信号因持续时间长导致信号帧内多普勒变化剧烈，现有技术中的多普勒块估计无法弥补该损失，需采用多普勒跟踪补偿技术弥补多普勒扩展导致的幅度和相位衰落，而本发明通过对每个处理单元中的符号进行多普勒跟踪有效弥补了多普勒扩展导致的幅度和相位衰落。
第三方面，本发明所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，不需要训练序列来初始化多普勒估计，使其不存在由于训练序列初始化带来的误差传播问题。
进一步的，步骤一中、对所接收的初始通信信号进行信号同步和提取，获得初始通信信号中的有效通信信号r(t)的实现方式为：
初始通信信号与本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000095
进行并行匹配滤波处理，获得初始通信信号的起始位置τ0，根据起始位置τ0和初始通信信号中有效信号的长度，从初始通信信号中截取出有效通信信号r(t)，从而实现对有效通信信号r(t)的获取。
图2中，N和L均为整数。
本实施方式，能够精确的确定有效通信信号的起始位置，从而精确的从初始通信信号中截取出有效通信信号r(t)，为后续的运算提供精确的数据基础。
更进一步的，步骤一中，第n个处理单元rn(t)的表达式为：
Figure GDA0003287021520000101
其中，b[k]满足：
b[k]＝d[k]b[k-1] (公式二)；
步骤一中，本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000102
的表达式为：
Figure GDA0003287021520000103
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
b[k-1]表示差分编码序列中的第k-1个元素；
d[k]表示输入至差分编码器中的信息序列中的第k个元素；
Figure GDA0003287021520000104
表示取实部；
c[m]为扩频序列中的第m个元素；
L表示扩频序列的长度；
g(t)为矩形窗函数；
t为时间；
Tb为符号的宽度；
Tc为符号中码片的宽度；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
n(t)为噪声项。
本实施方式中，通过并行匹配相关处理以确定第一个初始单元所对应该能的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000105
更进一步的，步骤二中，将第n个处理单元rn(t)与本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000106
进行通带互相关处理，获得第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)的实现方式为：
Figure GDA0003287021520000111
其中，
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
τ为时延；
τk为序号为k的符号所对应的时延值；
Rc(·)为扩频序列卷积矩形窗的自相关函数；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
Figure GDA0003287021520000112
为本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000113
所对应的多普勒因子。
本实施方式中，通过将第n个处理单元rn(t)与其所对应的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000114
进行匹配相关，获得相关输出波形，该过程中利用上一处理单元的多普勒因子估计值来更新下一处理单元的所对应的本地复通带参考信号，能够有效弥补多普勒引入的相关幅度衰减。
更进一步的，具体参见图3，步骤三中、利用第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)，获得第n个处理单元rn(t)所对应的瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000115
再利用该瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000116
获得第n个处理单元rn(t)所对应的相位估计值φn的实现方式为：
步骤三一、取通带相关输出波形Rn(τ)的实部绝对值
Figure GDA0003287021520000117
并根据
Figure GDA0003287021520000118
所对应的波形中序号为n和n+1的两个相邻符号的相关包络的峰值位置，分别获得其两个相邻符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻
Figure GDA0003287021520000119
和
Figure GDA00032870215200001110
再利用分数阶时延估计算法对时刻
Figure GDA00032870215200001111
和
Figure GDA00032870215200001112
进行精估计，分别获得时刻
Figure GDA00032870215200001113
和
Figure GDA00032870215200001114
Figure GDA00032870215200001115
表示第n个处理单元rn(t)中序号为n的符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻；
Figure GDA00032870215200001116
表示第n个处理单元rn(t)中序号为n+1的符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻；
Figure GDA00032870215200001117
表示时刻
Figure GDA00032870215200001118
的精估计值；
Figure GDA0003287021520000121
表示时刻
Figure GDA0003287021520000122
的精估计值；
步骤三二、对通带相关输出波形Rn(τ)进行解调，获得通带相关输出波形Rn(τ)的基带波形bn(τ)，再从基带波形bn(τ)上提取序号为n的符号的波形在时刻
Figure GDA0003287021520000123
时，所对应的幅值的估计值
Figure GDA0003287021520000124
及从基带波形bn(τ)上提取序号为n+1的符号的波形在时刻
Figure GDA0003287021520000125
时，所对应的幅值的估计值
Figure GDA0003287021520000126
步骤三三、利用步骤三一获得的时刻
Figure GDA0003287021520000127
和
Figure GDA0003287021520000128
获得第n个处理单元rn(t)的瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000129
步骤三四、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA00032870215200001210
计算第n个处理单元rn(t)的相位估计值φn；
Figure GDA00032870215200001211
其中，fc为载波频率；
Tb为符号的宽度；
Figure GDA00032870215200001212
为本地复通带参考信号
Figure GDA00032870215200001213
所对应的多普勒因子。
本实施方式中，根据多普勒因子与频率偏移的对应关系，计算第n个处理单元rn(t)因频偏引入的相位偏移实现了对第n个处理单元rn(t)因多普勒引入的相位偏移估计。
更进一步的，步骤三一中，利用分数阶时延估计算法对时刻
Figure GDA00032870215200001214
和
Figure GDA00032870215200001215
进行精估计，分别获得时刻
Figure GDA00032870215200001216
和
Figure GDA00032870215200001217
的实现方式为：
Figure GDA00032870215200001218
其中，
Δτ为时延约束项，Δτ满足：
|fcΔτ|＜π/2 (公式七)；
fc为载波频率；
fTD(·)为分数阶时延估计函数；
Tb为符号的宽度。
更进一步的，步骤三二中、基带波形bn(τ)的表达式为：
Figure GDA0003287021520000131
其中，
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
Rc(·)为扩频序列卷积矩形窗的自相关函数；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
Figure GDA0003287021520000132
为本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000133
所对应的多普勒因子；
τ为时延；
τk为序号为k的符号所对应的时延值。
本实施方式中，计算出通带相关波形对应的基带波形，用于差分判决。
更进一步的，步骤三三中，瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000134
的表达式为：
Figure GDA0003287021520000135
其中，Tb为符号的宽度。
更进一步的，具体参见图3，
步骤四中、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000136
对本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000137
进行更新，获得更新后的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000138
的实现方式为：
步骤四一、对瞬时多普勒因子估计值
Figure GDA0003287021520000139
进行一阶低通滤波，获取滤波后的多普勒因子
Figure GDA00032870215200001310
表示为：
Figure GDA00032870215200001311
其中，
Figure GDA00032870215200001312
β为一阶低通滤波器的常系数，且满足0＜β＜1；
步骤四二、利用多普勒因子选择函数从预存的多普勒因子向量α中寻找，与滤波后的多普勒因子
Figure GDA0003287021520000141
差值最小的预存因子，并将其寻找到的预存因子作为更新多普勒因子
Figure GDA0003287021520000142
其中，多普勒因子向量α中包含多个预存的多普勒因子；
步骤四三、利用更新多普勒因子
Figure GDA0003287021520000143
生成更新后的本地复通带参考信号
Figure GDA0003287021520000144
的实现方式为：
Figure GDA0003287021520000145
其中，
c[m]为扩频序列中的第m个元素；
L表示扩频序列的长度；
g(t)为矩形窗函数；
t为时间；
Tc为符号中码片的宽度；
fc为载波频率。
本实施方式中，利用低通滤波器来平滑瞬时多普勒因子的估计值，继而根据该值生成下一处理单元的本地复参考信号，能够利用该本地复参考信号来弥补多普勒导致的相关幅度损失。
更进一步的，步骤三中，利用相位估计值φn实现对第n个处理单元rn(t)进行相位补偿的结果
Figure GDA0003287021520000146
的表达式为：
Figure GDA0003287021520000147
仿真实验：
仿真条件为：扩频码长度L＝31，信号的调制方式为DBPSK，扩频信号的码片速率为Rc＝2500cps，信号的载波频率为fc＝12.5kHz，信号的采样率为fs＝100kHz，差分编码符号数目为N＝300，发射信号的持续时间为T＝3.7s，水下声速c＝1500m/s；
假设收发换能器在同一坐标轴坐一维相对运动，初始距离和初始速度分别为100m和0m/s，接收换能器固定，发射换能器向远离的方向作匀加速运动，加速度为1.95m/s2。在接收端假设最大的多普勒因子对应的速度为6m/s，多普勒间隔为1.2m/s，预存的多普勒因子有11个，并且一阶滤波器因子的常系数β＝0.6。
图4为不同信噪比下的速度估计偏差，图4中利用3种方法获得的3条曲线均随着信噪比增加，而速度估计偏差越小的趋势发展；从图4中可以看在相同信噪比下，利用本发明方法所获得速度估计偏差小于利用改进模糊度函数法(CAF)和基于基带的多普勒估计精度方法所获得速度估计偏差，由此可知本发明方法所获得的多普勒因子估计值更为准确，精度更高；其中，多普勒因子＝速度偏差/声速；
图5为不同符号信噪比下的误码率(BER)性能曲线，从图5中可以看出在相同信噪比下，本发明所得到的误码率最低，证明采用本发明方法的BER性能最优。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、对所接收的初始通信信号进行信号同步和提取，获得初始通信信号中的有效通信信号r(t)，还将有效通信信号r(t)中任意两个相邻符号划分成一组作为一个处理单元rn(t)；rn(t)表示第n个处理单元，且该第n个处理单元rn(t)中两个符号的序号分别为第n和第n+1；n的初始值为1；
同时，还采用并行匹配滤波的方法对初始通信信号进行多普勒粗估计，获得初始多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000011
并利用初始多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000012
获得本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000013
步骤二、将第n个处理单元rn(t)与本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000014
进行通带互相关处理，获得第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)；
步骤三、利用第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)，获得第n个处理单元rn(t)所对应的瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000015
再利用该瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000016
获得第n个处理单元rn(t)所对应的相位估计值φn；从而利用相位估计值φn实现对第n个处理单元rn(t)进行相位补偿；
步骤四、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000017
对本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000018
进行更新，获得更新后的本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000019
再令n＝n+1，重复执行步骤二至步骤三，直至完成对所有处理单元的相位补偿，从而完成对水声连续信号动态多普勒跟踪；
其特征在于，
步骤三中、利用第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)，获得第n个处理单元rn(t)所对应的瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA00033720156100000110
再利用该瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA00033720156100000111
获得第n个处理单元rn(t)所对应的相位估计值φn的实现方式为：
步骤三一、取通带相关输出波形Rn(τ)的实部绝对值
Figure FDA00033720156100000112
并根据
Figure FDA00033720156100000113
所对应的波形中序号为n和n+1的两个相邻符号的相关包络的峰值位置，分别获得其两个相邻符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻
Figure FDA00033720156100000114
和
Figure FDA00033720156100000115
再利用分数阶时延估计算法对时刻
Figure FDA00033720156100000116
和
Figure FDA00033720156100000117
进行精估计，分别获得时刻
Figure FDA00033720156100000118
和
Figure FDA00033720156100000119
Figure FDA00033720156100000120
表示第n个处理单元rn(t)中序号为n的符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻；
Figure FDA0003372015610000021
表示第n个处理单元rn(t)中序号为n+1的符号的相关包络的峰值位置所对应的时刻；
Figure FDA0003372015610000022
表示时刻
Figure FDA0003372015610000023
的精估计值；
Figure FDA0003372015610000024
表示时刻
Figure FDA0003372015610000025
的精估计值；
步骤三二、对通带相关输出波形Rn(τ)进行解调，获得通带相关输出波形Rn(τ)的基带波形bn(τ)，再从基带波形bn(τ)上提取序号为n的符号的波形在时刻
Figure FDA0003372015610000026
时，所对应的幅值的估计值
Figure FDA0003372015610000027
及从基带波形bn(τ)上提取序号为n+1的符号的波形在时刻
Figure FDA0003372015610000028
时，所对应的幅值的估计值
Figure FDA0003372015610000029
步骤三三、利用步骤三一获得的时刻
Figure FDA00033720156100000210
和
Figure FDA00033720156100000211
获得第n个处理单元rn(t)的瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA00033720156100000212
步骤三四、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA00033720156100000213
计算第n个处理单元rn(t)的相位估计值φn；
Figure FDA00033720156100000214
其中，fc为载波频率；
Tb为符号的宽度；
Figure FDA00033720156100000215
为本地复通带参考信号
Figure FDA00033720156100000216
所对应的多普勒因子；
步骤三二中、基带波形bn(τ)的表达式为：
Figure FDA00033720156100000217
其中，
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
Rc(·)为扩频序列卷积矩形窗的自相关函数；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
Figure FDA00033720156100000218
为本地复通带参考信号
Figure FDA00033720156100000219
所对应的多普勒因子；
τ为时延；
τk为序号为k的符号所对应的时延值。
2.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤一中、对所接收的初始通信信号进行信号同步和提取，获得初始通信信号中的有效通信信号r(t)的实现方式为：
初始通信信号与本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000031
进行并行匹配滤波处理，获得初始通信信号的起始位置τ0，根据起始位置τ0和初始通信信号中有效信号的长度，从初始通信信号中截取出有效通信信号r(t)，从而实现对有效通信信号r(t)的获取。
3.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤一中，第n个处理单元rn(t)的表达式为：
Figure FDA0003372015610000032
其中，b[k]满足：
b[k]＝d[k]b[k-1] (公式二)；
步骤一中，本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000033
的表达式为：
Figure FDA0003372015610000034
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
b[k-1]表示差分编码序列中的第k-1个元素；
d[k]表示输入至差分编码器中的信息序列中的第k个元素；
Figure FDA0003372015610000035
表示取实部；
c[m]为扩频序列中的第m个元素；
L表示扩频序列的长度；
g(t)为矩形窗函数；
t为时间；
Tb为符号的宽度；
Tc为符号中码片的宽度；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
n(t)为噪声项。
4.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤二中，将第n个处理单元rn(t)与本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000041
进行通带互相关处理，获得第n个处理单元rn(t)的通带相关输出波形Rn(τ)的实现方式为：
Figure FDA0003372015610000042
其中，
b[k]表示差分编码序列中的第k个元素；
τ为时延；
τk为序号为k的符号所对应的时延值；
Rc(·)为扩频序列卷积矩形窗的自相关函数；
fc为载波频率；
αk表示序号为k的符号的原始多普勒因子；
Figure FDA0003372015610000043
为本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000044
所对应的多普勒因子。
5.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤三一中，利用分数阶时延估计算法对时刻
Figure FDA0003372015610000045
和
Figure FDA0003372015610000046
进行精估计，分别获得时刻
Figure FDA0003372015610000047
和
Figure FDA0003372015610000048
的实现方式为：
Figure FDA0003372015610000049
其中，
Δτ为时延约束项，Δτ满足：
|fcΔτ|＜π/2 (公式七)；
fc为载波频率；
fTD(·)为分数阶时延估计函数；
Tb为符号的宽度。
6.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤三三中，瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000051
的表达式为：
Figure FDA0003372015610000052
其中，Tb为符号的宽度。
7.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤四中、利用瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000053
对本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000054
进行更新，获得更新后的本地复通带参考信号
Figure FDA0003372015610000055
的实现方式为：
步骤四一、对瞬时多普勒因子估计值
Figure FDA0003372015610000056
进行一阶低通滤波，获取滤波后的多普勒因子
Figure FDA0003372015610000057
表示为：
Figure FDA0003372015610000058
其中，
Figure FDA0003372015610000059
β为一阶低通滤波器的常系数，且满足0＜β＜1；
步骤四二、利用多普勒因子选择函数从预存的多普勒因子向量α中寻找，与滤波后的多普勒因子
Figure FDA00033720156100000510
差值最小的预存因子，并将其寻找到的预存因子作为更新多普勒因子
Figure FDA00033720156100000511
其中，多普勒因子向量α中包含多个预存的多普勒因子；
步骤四三、利用更新多普勒因子
Figure FDA00033720156100000512
生成更新后的本地复通带参考信号
Figure FDA00033720156100000513
的实现方式为：
Figure FDA00033720156100000514
其中，
c[m]为扩频序列中的第m个元素；
L表示扩频序列的长度；
g(t)为矩形窗函数；
t为时间；
Tc为符号中码片的宽度；
fc为载波频率。
8.根据权利要求1所述的利用水声连续信号动态多普勒跟踪实现的相位补偿方法，其特征在于，步骤三中，利用相位估计值φn实现对第n个处理单元rn(t)进行相位补偿的结果
Figure FDA0003372015610000061
的表达式为：
Figure FDA0003372015610000062
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