[发明专利]一种基于混沌调频的水声通信多普勒估计与同步方法

说明书

本发明公开了一种基于混沌调频的水声通信多普勒估计与同步方法，选取一段混沌调频信号，并规则进行排序作为帧同步信号，通过对接收信号采样和混沌调频信号卷积作用并与门限比较，小于门限则继续进行拷贝卷积处理，大于门限，则提不同峰值的间距和中值同时完成多普勒估计与信号同步。本发明仅使用一段混沌信号和卷积处理完成多普勒估计与信号同步，计算量小，工程实现度高，适合在大多普勒环境下工作，提供精确的多普勒和同步估计。

技术领域

本发明属于水声通信领域，具体涉及基于混沌调频同时完成水声通信中多普勒估计和同步的方法。

背景技术

水声通信作为水下唯一的通信手段，已成为各国研究的重点，也是各国急需的高新技术之一，其最大的技术挑战来自具有随机时变，空变，频变的特点的水声信道，其中多途效应造成码间干扰、起伏效应引起信号的起伏，如何抑制多途，实现信号的稳定、可靠检测是水声通信中要解决的首要问题。另一方面，由于发射机和接收机之间的相对运动以及海水流动和湍流的作用，声波在海洋信道传播过程中会产生一定的频率漂移，即为多普勒频移，由于声音在水中的传播速度大约为1500m/s，其多普勒干扰远比路面通讯来的大。

常用水下多普勒估计分为时域，频域和时频域方法，时域根据观测信号之间的步长变化来判断，频域通过插入单频信号的频率变化进行多普勒估计，其各有优缺，时域多普勒通常将信号帧作为步长进行判断，频域判断方法则对处理数据长度有要求，长度越长，频率分辨率越大，计算量大。同步包括外同步法和自同步法，对应不用的数据帧格式和带宽要求。何成兵等人的专利(申请号200910021976.6)采用线性调频信号作为同步帧，额外使用采集数据设定延时进行同步和多普勒判断。熊省军等人的专利(申请号200910100598.0)通过在发射端添加两端单频信号，接收端使用Zoom-FFT降低计算量完成多普勒估计，并没有完成同步，且仍存在数据帧长度的要求。

混沌信号是非线性动态系统表现的类似随机的过程，即没有周期又不收敛，对初始值及其敏感，只要赋予不同的初始值，就可以产生足够多的混沌序列，更重要的是混沌序列具有极佳的正交性，信号与信号之间可叠加。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于混沌调频的水声通信多普勒估计与同步方法，克服上述计算步骤大，不能同时完成多普勒估计和同步的缺陷。

本发明的机理：利用混沌序列的正交性，采用同一个混沌序列间隔排列，第二个混沌序列添加自身的共轭翻转序列，构成同步头，仅用混沌序列拷贝卷积即完成多普勒估计和同步。

基于混沌调频的水声通信多普勒估计与同步方法，具体步骤如下：

(1)根据切比雪夫混沌序列公式产生长度为D的混沌信号，两个相同的混沌信号的时间间隔为D，在后一个混沌序列上添加已有混沌信号的共轭翻转信号，作为帧同步信号；

(2)对接收信号进行采样，采样率是通信信号最高频率的4～6倍；对接收信号r做混沌信号的拷贝卷积，并计算卷积函数结果的绝对值峰值|C|；

(3)|C|与一设定门限比较，若小于门限，则返回步骤(2)继续进行卷积；若大于门限，则判断有同步信号到达，获得粗同步；

(4)加倍卷积处理的观测时间长度，对接收信号r分别进行混沌信号倒置信号的拷贝卷积和混沌信号的拷贝卷积，分别获的C₁，C₂和C₃三个峰值点，计算多普勒因子时间同步点

附图说明

图1是混沌信号作为帧同步信号的数据帧结构示意图；

图2是在多普勒和延时条件下共轭翻转混沌序列拷贝卷积结果示意图；

图3是在多普勒和延时条件下混沌序列拷贝卷积结果示意图；

图4是本发明的多普勒与同步估计实施流程图。