[發明專利]一種調頻水聲通信系統的自動實時幀同步方法

有效

• 申請號: 201310673481.8
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103618575A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 蘇海濤;許肖梅;陶毅;張小康
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及水聲通信，尤其是涉及一種調頻水聲通信系統的自動實時幀同步方法。

背景技術

聲波在海水中的傳播特性顯著優越于電磁波和可見光波，使得水聲技術成為海洋高技術的主要研究領域之一。而水聲通信技術是各類水下載體、水下機器人之間及其與指揮船之間信息傳遞的重要手段，是水聲通訊設備中的關鍵技術。

海洋聲信道數據傳輸要求系統有高的傳輸速率和低的誤碼率，然而水聲信道是極其復雜的隨機時-空-頻變參信道(許肖梅.淺海水聲數據傳輸技術研究[D].廈門：廈門大學博士學位論文，2002)，其主要的特征表現為：復雜性、多變性、強多途、高噪聲和有限帶寬。特別是在淺海信息傳輸時，信道被限制在狹窄的海底和海面之間，多徑效應造成了接收信號的強烈起伏。這些嚴重的影響了調頻水聲通信系統基于能量檢測的幀同步和解調性能。

已有的幀同步方法常采用同步頭法，在傳輸正式信息之前發射單頻脈沖信號和線性調頻脈沖信號的不同組合來完成的(陶毅.淺海水聲信道抗多途跳頻通信系統研究[D].廈門：廈門大學博士學位論文，2008)。在接收處理中，對單頻脈沖信號的同步解算采用滑動FFT，將單頻信號能量與預設同步門限進行比較實現(陶毅.淺海水聲信道抗多途跳頻通信系統研究[D].廈門：廈門大學博士學位論文，2008)；對線性調頻脈沖信號進行拷貝相關處理，提取包絡峰值與預設同步門限比較獲得同步(夏清濤，劉忠，羅亞松.相位調制水聲通信同步算法[J].火力與指揮控制，2012，37（7）：98-101)。這種傳統的接收端處理方法運算快速簡便、結構簡單，僅需預先設置好粗同步和細同步門限即可，所以一直被廣泛采用。但此方法從原理和實際應用上主要存在以下問題。其一，單頻脈沖信號解同步時，取FFT變換后的幅度譜值進行判決，但是幅度譜僅能反映信號頻域信息，不能反映信號的時域信息，同時時域不同的信號經過FFT變換在頻域上可以完全相同，原理上即可看出此方法抗干擾性能較差。其二，兩類信號同步判決時采用了固定門限，忽略了水聲信道對信號造成的強烈起伏影響，使得實際應用中同步信號正確檢出的概率大大降低。其三，水聲通信中，隨著通信距離的變化以及信道的隨機時-空-頻變使得接收端的信噪比在隨機變化，而固定門限則僅能滿足特定范圍信噪比情況下同步的檢出，當信噪比較低時若要檢出同步則需降低門限，這使得實際應用中需要人為干預，實時應用的效果大打折扣。可見，傳統同步方法使得同步信號在復雜多變的水聲信道中實現實時穩定的檢出變得困難。同步是數字通信系統的核心技術，所以必須采用恰當的信號處理方法進行同步信號的檢測。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的缺點和不足，提供一種適用于調頻水聲通信系統的自動實時幀同步方法。

本發明包括以下步驟：

1）對換能器端接收到的水聲信號做實時數字處理，設其采樣率為f_s，以步長L做滑動FFT處理；

2）對每次頻譜圖中f₁頻點處值F(f₁)做趨勢判斷，若該值隨著滑動處理經過數次連續增加后出現減小的趨勢，則判為粗同步信號到達，此時記錄最后一次增加時的值F_max（f₁）和滑動次數k，計算轉入步驟3），否則返回步驟1）；

3）根據F_max（f₁）計算信號衰減系數a(t)、自動調整細同步門限b并估算同步信號中的細同步信號的起點c；

4）從起點c處截取信號r(n)與本地存儲的細同步信號s(n)作互相關處理，得到相關函數C(n)；

5）比較C(n)的最大值與門限b，若小于門限b，則計算轉入步驟6），若大于門限b，則計算轉入步驟8）；

6）若相關運算次數超過3次，則轉入步驟1），若小于3次，則轉入步驟7）；

7）丟棄信號r(n)的前m點，并將新采集的m點信號補充到r(n)后面，計算相關函數C(n)，轉入步驟5）；

8）查找相關峰位置d，以此作為同步信號到達的準確時間起點。

在步驟3）中，所述同步信號由粗同步信號和細同步信號組成；所述根據F_max（f₁）計算信號衰減系數a(t)、自動調整細同步門限b并估算同步信號中的細同步信號的起點c的具體方法可為：

所述粗同步信號為頻率為f₁的單頻信號f_c(t)，細同步信號為線性調頻信號s(t)，同步信號可表達為：