基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法技术

基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法，涉及水声通信。设置对称三角调频的Chirp载波结构，以对称三角调频信号作为同步信号；对信号进行FRFT变换，记录FRFT所得结果作为接收端参考信息，所述结果包括最佳阶次、尖峰所在位置等；发送信号前在同步信号前段添加一段唤醒信号；接收端程序采用FFT谱分析计算的方法，对唤醒信号进行检测；接收系统被唤醒后，对接收信号FRFT；根据FRFT结果对信号进行初步超前同步校正；利用同步跟踪环对信号进行精准的同步跟踪。利用对称三角波的对称性，结合FRFT的分析手段通过分析双峰位置的偏移特点实现初步同步校正，并通过双峰的峰值高低差反馈实现精准同步跟踪。

Synchronous tracking method for underwater communication based on symmetrical triangular frequency modulation

Synchronous tracking method for underwater communication based on symmetrical triangular frequency modulation. The Chirp carrier structure of symmetrical triangular FM, with symmetrical triangular frequency modulation signal as the synchronization signal; FRFT transform on the signal recording FRFT results as the receiver reference information, the results including the best order, the peak location; before transmitting at the same step signal front adds a wake-up signal; receiving program using FFT spectrum analysis methods, to detect the wake-up signal; the receiving system being awakened, the received signal is FRFT; preliminary correction of signal synchronization in advance according to the results of FRFT; using the synchronous tracking loop synchronous tracking precision of signal. Based on the symmetry of the symmetrical triangle wave and the analysis method of FRFT, the initial synchronization correction is realized by analyzing the characteristics of the offset of the Shuangfeng position, and the precise synchronization tracking is realized by the high and low difference feedback of Shuangfeng.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信，尤其是涉及一种基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法。
技术介绍
水声信道是一个十分复杂的“时、空、频”信道，信号经过水声信道后波形会产生畸变。环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率少、传输时延大等特点，使得水声通信成为现代通信技术中最具挑战性的研究课题之一。同步是进行保证信息正确可靠传输的前提，一个通信系统性能的好坏很大程度上取决于其同步性能的优劣。尤其是水声通信中常用的线性调频通信系统，对窄脉冲采样要求精确的定时同步。因此，解决好同步问题是重中之重。由于线性调频(Chirp)信号的匹配脉冲特性，可以在多径、多普勒信道下很好的捕获到Chirp同步信号，因此Chirp信号多用于水声通信的同步环节，作为置于有用信息之前的同步头。传统思路是从改进Chirp的调制解调方式或是同步匹配方式入手，但这并不能从根本上降低计算量和提高同步精确度，要改进性能仍面临重重难题。水声信道受严重的多普勒影响。多普勒引起信号畸变主要有两个方面的原因：第一，存在时间扩展，所以在周期为的发射脉冲在接收端周期改变，调频率随之改变；第二，引入了一个频率偏移量。第一种畸变导致移动诱发性多普勒扩展，而第二种则是导致多普勒频移的主要原因。因为在多普勒信道下，一个很小的多普勒因子足以令相关匹配、去斜脉冲匹配失效导致同步失败。分数傅里叶变换对Chirp信号有很好的能量聚焦特性，能很好地区分多径分量，适用于复杂的水声信道。以分数阶傅里叶变换(FRFT)作为同步方式相比匹配法受多普勒影响相对较小，但产生的尖峰仍是在多普勒频移影响下的产物，同步估计中需加以去除。从工程角度分析，一个稳定水声系统仍可能存在约0.5m/s的运动，这时多普勒因子为10-4数量级，虽然不可忽略，但多普勒前后信号的FRFT变换最优阶次变化很小，用原阶次进行变换也不失其能量聚焦特性，故适合用于同步。目前精确度较高的补偿手段例如多普勒补偿和FRFT峰值搜索等，能较有利的降低FRFT受多普勒的影响，但计算复杂度都很高。即便解决了多普勒问题，FRFT尖峰检测是始终较难确定最佳判决门限，容易产生虚警或漏检问题。所以，沿着使用传统Chirp同步信号这一思路，会遇到多普勒和判决门限等难以解决的问题。传统Chirp载波同步方法存在以下几个难点：1.多普勒频移影响匹配及时延估计。相关匹配、去斜脉冲匹配等匹配法要求接收信号与本地载波调频率严格一致。然而多普勒频移会影响接收信号调频率导致接收信号与本地载波匹配失败。另外，不平坦的信道频率特性会使匹配出的频率成分难以提取。即便是使用分数傅里叶变换，FRFT尖峰位置的偏移是信号时延、多普勒频移的综合影响，多普勒频移不去除则时延估计不会准确。2.现有多普勒估计方法复杂，实时性差。要精确同步现有方法一般是先估计出多普勒频移或搜索出FRFT搜索进行补偿，而这些方法复杂度都非常高。需要采用一种受多普勒影响小的特殊信号结构来寻找新的突破口。3.以幅度门限值检测峰值，同步位置不精确受信道噪声、多普勒波动影响，使用分数阶傅里叶变换检测峰值的时候采用固定门限必然会出现漏检或虚警问题，导致同步位置不精确。
技术实现思路
本专利技术的目的提供利用对称三角波的对称性，结合FRFT的分析手段可以通过分析双峰位置的偏移特点实现初步同步校正，并通过双峰的峰值高低差反馈实现精准同步跟踪的基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法。本专利技术包括如下步骤：1)设置对称三角调频ST(t)的Chirp载波结构，每个周期包括正、负调频斜率两部分，分别为正、负调频斜率两部分的时域表达式,t为时域自变量。信号的频率在一个周期内线性上升到某个值,然后线性下降到起始值,周期重复上调频部分为[0,T/2]，下调频部分为[T/2,T]；ST+(t)=Aexp{j2π[(f0-B2)t+μt22]+φ本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：1)设置对称三角调频ST(t)的Chirp载波结构，每个周期包括正、负调频斜率两部分，分别为正、负调频斜率两部分的时域表达式,t为时域自变量，信号的频率在一个周期内线性上升到某个值,然后线性下降到起始值,周期重复上调频部分为[0,T/2]，下调频部分为[T/2,T]；ST+(t)=Aexp{j2π[(f0-B2)t+μt22]+φ}]]>ST-(t)=Aexp{jπ[(f0+B2)(t-T2)-μ(t-T2)22]+φ}]]>其中A为信号幅度，T为扫频周期，B为信号有效带宽,f0为信号有效中心频率,μ为调频率，φ表示初始相位；2)对信号进行FRFT变换，记录FRFT所得结果作为接收端参考信息，所述结果包括最佳阶次、尖峰所在位置；s(t)的p阶离散分数阶傅里叶变换是一个线性运算：S(α,U)=Aα2LΣn=-NNexp(jπ(λ1U2-2nλ2U+λ1n2)(2L)2)s(n2L)]]>S(α,U)为的离散分数阶傅里叶变换表达式，U为离散分数阶傅里叶变换域的自变量；其中旋转角阶数p≠2n，n为整数，λ1＝‑cotα，λ2＝cscα，L＝N1/2，N是信号采样点数；因为FRFT是将信号在一组正交的Chirp信号上展开，故发送信号的FRFT结果是冲激信号；而对称三角波由上调频和下调频两部分组成，FRFT后分别获得两部分参数：k2＝‑k1p1=-2arccot(k1*Nfs2)π=-p2]]>其中fs为系统采样率，k1，k2分别为上下调频部分的调频斜率，p1，p2分别为上下调频部分的最佳FRFT变换阶次；最佳阶次与调频率有关，上调频和下调频两部分信号分别在相反的阶次形成尖峰；已知三角调频信号的调频率，利用上面公式算出最优阶次p1，p2，再分别对信号进行p1，p2阶FRFT变换，记录尖峰位置u1,u2；3)发送信号前在同步信号前段添加一段唤醒信号，信号发送后，接收端系统等待被唤醒，唤醒接收端系统后，接收系统正式进入同步时刻解调，避免无效信息一直进行分数阶傅里叶变换且能控制同步窗起始位置在一定的范围内；所述被唤醒的信号为四个单频信号的叠加信号，频率分别为F1,F2,F3,F4，其中要求F1～F4等间隔递增；4)接收端程序采用FFT谱分析计算的方法，对唤醒信号进行检测；由于多普勒频移的存在，唤醒信号通过信道后四个频率成分均会发生变化，但频率间的差值不会变化，所以这里检测提取频率的差值；假设F2‑F1＝D，唤醒信号四个频率成分两两相减会得到差值D、2D、3D，只要连续检测到2次三个差值中的任意两个，就唤醒接收系统进入同步定位解调；5)接收系统被唤醒后，对接收信号FRFT；系统唤醒后，确保同步窗超前于同步信号，这样能保证直达径信号产生的FRFT尖峰能被检测到，避免错把多径成分当成直达径，具体方法如下：先对同步信号进行FRFT变换，后续的初步同步校正和同步跟踪均建立在FRFT同步窗变换结果之上，考虑时延和多普勒频移，根据FRFT的时移和频移特性，对接收信号进行FRFT运算得Rp(u)=A0Xp(u-ϵ0sinα-τ0cosα)×exp(jπτ02sinαcosα-j2π(u-ϵ0sinα)τ0sinα)×exp(-jπϵ02sinαcosα-j2πuϵ0cosα)+Σi=1N-1AiXp(u-ϵisinα-τicosα)×exp(jπτi2sinαcosα-j2π(u-ϵisinα)τisinα)×exp(-jπϵi2sinαcosα-j2πuϵicosα)+N(u)]]>Rp(u)为接收信号在p阶FRFT变换结果函数，Xp(u)为核函数，N(u)为噪声，u为分数阶傅里叶变换域的自变量；参数A0表示直达径幅度衰减系数，Ai表示第i径幅度衰减系数，N为本征声线数，τ0为直达径时延，τi为第i径时延，ε0为直达径多普勒频偏，εi为第i径多普勒频偏；6)根据FRFT结果对信号进行初步超前同步校正，具体方法如下：(1)若只在p1阶出现尖峰，p2阶没有尖峰，把同步窗...

【技术特征摘要】
1.基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：
1)设置对称三角调频ST(t)的Chirp载波结构，每个周期包括正、负调频斜率两部分，
分别为正、负调频斜率两部分的时域表达式,t为时域自变量，信号的频率在<...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁飞，李文聪，程恩，陈柯宇，朱逸，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35