[发明专利]基于联合波形设计的多普勒估计方法

说明书

本发明公开了一种基于联合波形设计的多普勒估计方法，包括：构造接收数据帧；利用FFT测频对所述接收数据帧的CW信号进行粗多普勒范围估计；根据所述接收数据帧的PN序列求解模糊函数进行精细多普勒范围估计；根据所述接收数据帧的chirp信号二次求解所述模糊函数和多普勒因子，并联合上一步骤中的精细多普勒范围估计得到最优精细多普勒，根据所述最优精细多普勒对所述接收数据帧进行补偿；通过科斯塔斯环对补偿后的接收数据帧进行载波跟踪，以正确解调出信息。该方法利用多个特殊波形对多普勒估计程度，联合使用，整体实现水下多普勒的精确估计，且复杂度不变，又能够提高多普勒估计精度。

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，特别涉及一种基于联合波形设计的多普勒估计方法。

背景技术

水声通信是海洋环境中进行信息传输的重要途径，且随着海洋经济的进一步开发，人们对水声通信技术的要求越来越高。在空气中，因电磁波的传播速度接近光速，发射机与接收机间的相对速度远远小于电磁波的传播速度，故多普勒效应的影响不大，而且可以看作频率偏移。与陆地无线电通信相比，水声通信技术的发展严重滞后，其关键在于水声信道具有比无线电通信信道更严重的多径效应和多普勒效应、更有限的带宽以及更复杂的环境噪声等特性，水声通信系统是一个复杂的通信过程，声波在水下传播时，会受到传播损耗、多径与延迟、环境噪声和多普勒的影响，而且在不同区域和不同海水深度下，声波速度也会不同，因此水声信道是一个复杂多变的信道。其中的多普勒效应比无线电通信中的多普勒效应高出几个数量级，因为水中声传播速度(约1500m/s)远低于电磁波在空气中传播的速度，且水声通信属于宽带通信，所以不仅会导致发射信号频域的偏移，也会导致信号时域的压缩或扩展。

在实际海洋环境中，水声通信系统收发双方的相对运动通常是不可避免的，发送端和接收端之间一般都存在相对运动，从而造成了多普勒效应。在水声信道中，收发端的相对运动和较小的声波速度(相对于电磁波来说)，决定了在时间上的多普勒扩展量或多普勒压缩量不可忽略。这将产生严重的多普勒效应，而多普勒效应将影响水声通信系统中码元同步和载波追踪，从而降低了接收准则性能，以至于影响正常运作；多普勒效应也会影响非相干通信系统的码元同步和频率估计精度，从而误码率增加，使得接收性能下降。为了保证水下通信的准确性，减少误码率，需要采取一定的措施或方案来消除多普勒的影响。一般的方法是，先对通信系统建模后求解多普勒因子，再在接收端重采样进行多普勒补偿。因此，如何降低多普勒频移的影响是提高水声通信质量的关键。

在水声通信中关于多普勒频移因子估计与补偿技术，模糊度函数方法，通过并行相关器组对多普勒频移因子进行细估计。再利用锁相环来消除补偿之后剩余的多普勒频移。该方法的计算复杂度是由多普勒频移因子的范围和粗估计的分辨率决定，在高速相对运动下需要搜索的多普勒频移因子范围大。

针对多普勒效应易引起宽带通信中信号时域的压缩或扩展问题，基于块的多普勒估计算法，该方法具有帧结构简单、运算量低且易于实现的优点，但此方法有两个缺点制约着其在高速移动水声通信中的应用：1、由于此方法是在信号帧首尾添加线性调频(LinearFrequency Modulation，LFM)信号来估计信号帧长度，因此需要缓冲一个数据帧，不利于信息的实时传输；2、此方法的估计精度依赖于LFM信号的时间带宽积(BT)，而且随着BT的增大，LFM信号的多普勒容忍能力将降低，因此，在高速相对运动条件下无法精确估计多普勒频移因子。虽然在该方法之后提出的一些以上述两种方法为基础的改进方法但依然没有很好地处理相对运动较高情况下计算复杂度与估计精度的关系。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于联合波形设计的多普勒估计方法，该方法复杂度不变，多普勒估计精度提高。