[发明专利]移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法

说明书

技术领域

本发明属于水声通信领域，涉及一种移动水声通信中的同步和多普勒偏移估计的方法。 

背景技术

水下无人航行器(UUV)作为海洋探测的重要工具，已成为各国海洋工程领域的研究热点，其中，应用于UUV高速运动过程中的移动水声通信，是涵盖海洋技术与信息技术的世界各国急需的高新技术之一。 

水声信道一般可以表征为带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂性及多变性严重限制了水声通信性能。特别地，对于移动水声通信，由于声波在海水种的传播速度仅为1500m/s，而航行器在水下的运动速度通常为1.5-15m/s。相对来说，航行器间较高的相对运动速度和声波在水中较低的传播速度导致了通信信号的时间展宽或压缩。对于水下低速运动平台，其通信信号时间展宽或压缩量为0.1％，而对水下高速运动平台，其通信信号的时间展宽或压缩量可达1％。通信信号的时间展宽或压缩，将导致符号同步误差累积。如时间展宽或压缩量为1％，其影响为在100个符号后，同步误差累积量为1个符号宽度。 

对于高数据率的移动水声通信而言，必须首先估计出信号到达时刻和多普勒因子，然后，根据估计出的多普勒因子对接收信号重采样，消除信号展宽或压缩，以实现低误码率的水下无线信息传输。当前，用于水声通信中的帧同步的方法主要有如下几种： 

1.在通信信号之前插入利用自相关性好的信号(线性调频信号或伪随机调相信号)作为同步信号；在接收端进行相关检测，以获得通信信号的同步参数。信号帧格式如图1所示，这种方法不能估计多普勒偏移，仅适合小多普勒下的高速水声通信或非相干低速水声通信中。在大多普勒情况下，相关峰出现位置偏移、幅度下降以及谱峰分裂的现象，如图2所示。 

2.在通信信号之前按顺序插入LFM信号和单频脉冲信号(CW信号)作为帧同步信号；在接收端利用相关检测，获得通信信号的起始时刻，对用谱分析方法对单频CW信号进行多普勒估计。对于高速水声通信来说，需要较高的频率分辨率，因此，需要较长持续时间的CW信号，降低了通信数据率。在大多普勒下，同样会出现如图2的 一系列现象，造成通信信号的起始点估计不准确。这进一步影响对单频信号的估计，严重影响通信系统性能。 

3.在通信信号前后分别插入两个线性调频信号，帧结构如图3所示，在接收端相关检测进行同步，同时，利用首尾两个相关峰之间的时间差的变化估计多普勒因子。这种方法估计精度高，适用于高速水声通信对载波频率估计精度的要求。但是，由于这一方法计算首尾两个相关峰的时间差变化量，因而，需要先保存一个完整的帧信号，占用的内存很大，不利于实时实现，降低了高速水声通信的有效性。但是，这种方法只适用于UUV低速运动时(10节以内)的通信信号的同步和Doppler估计，对于大多普情况下，出现谱峰分裂等原因，造成两相关峰之间的时间差估计不精确，影响了Doppler估计的精度，如图4所示。 

4.为了减少方法三对内存的需求，方法四在通信信号前后插入正调制和负调制率的两个线性调频信号，通过计算两个相关峰之间的时间差估计多普勒偏移。这种方法占用内存少，但是和前三种方法一样，在UUV高速运动时无法工作。 

发明内容

为了克服现有技术同步和多普勒估计的不足，本发明提供一种移动水声通信信号的多普勒估计与同步方法，可实现UUV等水下航行器高速运动(＞10节)时通信信号的精确同步和多普勒估计。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤： 

(1)选取覆盖水声通信系统带宽的两个相同的线性调频信号，两个线性调频信号的时间间隔为D，作为帧同步信号； 

(2)对接收信号作采样处理，设其采样率为f_s，采样频率通常为通信信号最高频率的4-6倍。对接收采样信号r(k)和其延迟信号r(k+D)做互相关处理，并计算相关函数的绝对值|C₁(τ)|； 

(3)|C₁(τ)|与一预定的门限进行比较，门限值为|C₁(τ)|均值的1/10，若小于门限，则返回步骤(2)继续进行滑动相关处理；若大于门限，则判断有同步信号达到，获得粗同步，并转入步骤4；