一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法技术

技术编号:14396476 阅读:91 留言:0更新日期:2017-01-11 10:39
一种低计算复杂度的多普勒因子估计方法,涉及水声通信。设计了一种传输数据包结构,即在待发送数据前插入LFM信号、保护间隔以及单频脉冲(CW)信号。本发明专利技术对多普勒因子估计分为两步,首先对CW信号使用FFT测频方法,将多普勒因子锁定在一个较小范围;再对LFM信号使用模糊函数方法来对多普勒因子进行精确估计。模糊函数方法中相关器的数量是由需要搜索的多普勒因子范围和多普勒因子的估计精度来确定,本发明专利技术中搜索范围为第一步确定的多普勒因子范围,因此搜索范围得到大幅缩小,仅需要少量的相关器。本发明专利技术利用CW信号和LFM信号的特点,在确保估计误差的绝对值小于等于估计精度的前提下,计算复杂度得到大幅减少,且容易实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信,尤其涉及基于FFT测频方法和基于模糊度函数方法联合估计的水声通信多普勒因子估计方法。
技术介绍
水声通信不仅仅在军事领域有着极大的应用价值,近些年来其在民用领域应用价值越来越突出,如海洋水质监测、海洋灾害预警与搜救、资源勘探等。当前我国水声通信技术还处在一个起步阶段,主要是应用在在传输速率较低和移动速度很小的场合,这是因为水声通信系统的发展受到了水声信道条件的极大限制,与其他通信信道相比,水声信道表现出复杂的时变、空变、频变的随机特性。特别是声波在水中的传播速率低(1500m/s),导致其具有严重的多径效应和多普勒效应,加上水声信道固有的复杂性,如背景噪声强烈等诸多特性制约着水声通信的有效进行,使其成为无线通信的众多研究领域中发展最慢的。随着海洋开发活动的频繁,人们对移动和高速水声通信系统有了更多的期望,不论是高速还是移动水声通信系统,都不得不面对的问题是多普勒估计与补偿。由于声波在水中的传播速率只有1500m/s,当通信系统的收发两端存在相对运动时,接收信号中会有严重的多普勒效应,即使没有相对运动,来自时变海面的起伏等也有可能引起比较严重的多普勒效应和随机相位起伏,从而使得通信系统性能急剧下降,所以有效的多普勒估计与补偿技术是水声通信系统中的一个研究重点。目前水声通信中的估计方法绝大部分是基于模糊函数,主要实现形式有两种,一为相关器估计方法,其是采用一组相关器与接收的信号求相关,这种多普勒估计的范围和精度决定了所需相关器的数量。如果多普勒频移的范围是±1%,估计精确度为0.02%,则需要100个独立的相关器。显然此方法计算大,不利于要求实时性高的场合;二为块多普勒估计方法,其实在发送数据前后各插入LFM信号,用已知的线性调频信号与接收信号做相关,用首尾的峰值测得接收信号的长度,通过对比发射信号和接收信号的长度可以得到该帧信号的多普勒因子,此方法在实际水声信道下会出现、相关峰值下降、相关峰分裂等现象。在水声通信中基于FFT测频方法的多普勒因子估计方法也有着广泛的应用,这种方法计算量较小,实时性强,其检测精度受CW信号持续时间和变换点数的限制,单纯依靠加大有效数据点数来提高频率检测精度(即持续时间),一方面加大了运算的复杂度,更重要的是,在实际应用中,传输有效数据点数是不能随意加大,故该方法很难达到理想的精度。
技术实现思路
有鉴于此,有必要提供一种低计算复杂度以及较高精度的水声多普勒因子估计方法。本专利技术的目的提供一种低计算复杂度并且具有较高精度的水声多普勒因子估计方法,该方法是基于水声通信系统传输数据包结构而实现的,本专利技术设计的数据包结构由LFM信号、保护间隔、CW信号、保护间隔、待传输数据依次组成。所述方法包含:步骤1)多普勒因子初范围估计;步骤2)多普勒因子精确估计。步骤1)是将多普勒因子锁定在一个较小范围,该步骤具体如下:1)通过数据包结构确定CW信号起始位置,提取后续CW信号;2)利用传统FFT测频方法对CW信号进行频率检测,进行FFT变换后,搜索其中幅值最大所对应的点N1,计算对应频率fmax,假设发射时CW信号频率为fcw,可以得到多普勒因子Δ=fmax/fcw-1。由于栅栏效应,所得到频率fmax可能与接收时CW信号的频率f'cw有一定的偏差,所以多普勒因子Δ可能与真实多普勒因子有较大偏差。为了避免这种情况,首先比较点N1左右两点幅值大小,得出幅值较大的点为N2;3)根据FFT变换点数N以及点N1和N2的位置关系以及采样频率fs来确定多普勒因子初范围Δ,如果点N2在点N1右边时,则可得多普勒因子初范围为:fmax/fcw-1≤Δ≤(fmax+fs/N/2)/fcw-1当点N2在点N1左边时,则可得多普勒因子初范围为:(fmax-fs/N/2)/fcw-1≤Δ≤fmax/fcw-1。上述进行的确定CW信号起始位置具体方法用传输数据包中LFM信号的匹配滤波器对接收数据包进行匹配滤波,可确定CW信号起始位置。步骤2)得到多普勒因子精确估计,该步骤具体方法是通过模糊函数方法来估计,即将接收到的LFM信号通过一系列不同多普勒因子对应的LFM信号相关器(匹配滤波器),当相关器的冲击响应与输入信号相匹配时,相关器的输出信噪比最大,此相关器冲击响应所对应的多普勒因子必然能够反映输入信号的多普勒因子的大小,具体如下:1)确定相关器的数量M,其中相关器的数量M是根据歩骤1所得到多普勒因子初范围Δ和多普勒因子的估计精度Δmax来确定,即M=[(f2/fcw-f1/fcw)/Δmax],其中[]表示大于等于(f2/fcw-f1/fcw)/Δmax的最小整数;2)设置M个不同多普勒因子对应的LFM信号匹配滤波器,匹配滤波器组的分辨率为Δmax,将接收到的LFM信号通过匹配滤波器组;3)比较M个匹配滤波器输出的最大值,得到最大值,最大值所对应的相关器就是与所接收的LFM信号相关性最好,从而得出精确的多普勒因子。与现有技术相比,本专利技术具有以下突出优点:1)与传统FFT估计频率相比,其避免了通过增加CW信号的持续时间来增加估计精度,并且运算量没有明显的增大;2)与相关多普勒估计方法相比,其在不降低多普勒因子估计精度的要求下,运算量得到大幅减少;3)数据帧结构简单、实现简单、算法精度高、实时性强易于实现等特点。【附图说明】图1为本专利技术所设计的发送传输数据包结构;图2为LFM信号在延时为0时,其模糊度函数图的切面图;图3为当水声通信多普勒因子为0.01时,其LFM信号通过一系列不同多普勒因子相对应的LFM相关器(即匹配滤波器)组时,每个匹配滤波器输出的最大值;图4为本专利技术精确估计多普勒因子的相关法图;图5为本专利技术多普勒因子估计处理流程图;【具体实施方式】以下结合具体的实施例和附图进行说明。1、水声传输数据包结构传输数据包结构的设计至关重要,从初步的多普勒因子范围到精确到某一精度的多普勒因子均在其基础上实现,附图1即为本专利技术的所设计的水声传输数据包,包结构中LFM信号用来确定CW信号开始位置和用来精确估计多普勒因子,由于水声信道的相对时延较大,本专利技术中保护间隔取40ms。1)LFM信号LFM信号(也称Chirp信号),其数学表达式为:s(t)=rect(t/T)ej2π(f0t+Kt2/2)---(1)]]>式中f0为中心频率,为矩形信号,即rect(tT)=1,|tT|≤10,elsewise---(2)]]>其中K=B/T,是调频斜率,B为LFM信号带宽。LFM信号的匹配滤波器,知道信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为:h(t)=s*(t0-t)(3)t0是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时,可令t0=0,重写3式,h(t)=s*(-t)(4)将1式代入4式得LFM信号的匹配滤波器的冲激响应为:h(t)=rect(tT)ej2πf0t-jπKt2---(5)]]>本专利技术中LFM信号开始频率为10KHz,截止频率为20KHz,持续时间为40ms。s(t)经过系统h(t)得输出信号so(t),so(t)=s(t)*h(t)=∫-∞∞s(u)h(t-u本文档来自技高网
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一种<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/62/201510328836.html" title="一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法原文来自X技术">低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法</a>

【技术保护点】
一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法,其特征在于,该方法是基于水声通信系统传输数据包结构而实现的,所述方法包含:步骤1)多普勒因子初范围;步骤2)多普勒因子精确估计。

【技术特征摘要】
1.一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法,其特征在于,该方法是基于水声通信系统传输数据包结构而实现的,所述方法包含:步骤1)多普勒因子初范围;步骤2)多普勒因子精确估计。2.根据权利要求1所述的一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法,其特征在于,所述传输数据包结构由LFM信号、保护间隔、CW信号、保护间隔、待传输数据依次组成。3.根据权利要求1所述的一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法,其特征在于,所述步骤1)多普勒因子初范围估计是将多普勒因子锁定在一个小的范围内,具体该步骤包含:1)通过传输数据包结构确定CW信号起始位置,提取后续CW信号;2)利用传统FFT测频方法对CW信号进行频率检测,进行FFT变换后,搜索其中幅值最大所对应的点N1,计算对应频率fmax,假设发射时CW信号频率为fcw,可以得到多普勒因子Δ=fmax/fcw-1。由于栅栏效应,所得到频率fmax可能与接收时CW信号的频率f'cw有一定的偏差,所以多普勒因子Δ可能与真实多普勒因子有较大偏差。为了避免这种情况,首先比较点N1左右两点幅值大小,得出幅值较大的点为N2;3)根据FFT变换点数N以及点N1和N2的关系以及采样频率fs来确定多普勒因子初范围Δ,如果点N2在点N1右边时,则可得多普勒因子初范围为:fmax/fcw-1≤Δ≤(fmax+fs/N/2)/fcw-1当点N2...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨杰于峰崎
申请(专利权)人:中国科学院深圳先进技术研究院
类型:发明
国别省市:广东;44

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