一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法及系统，包括：获取水声通信发射信号、接收信号，构建用于准梯度互相关多普勒估计方程的互相关函数；对多普勒进行粗估计，以及采用可变细多普勒估计间隔Δε

【技术实现步骤摘要】
一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法及系统


[0001]本专利技术属于水下通信的
，具体涉及一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法及系统。

技术介绍

[0002]多普勒效应会导致接收信号帧在时域上展现出一定程度的压缩或扩展，因此接收信号相比本地信号而言在信号长度上随多普勒效应的强弱表现出不同程度的变化，导致符号同步误差的累积，恶化水声通信性能。
[0003]不同通信体制的水声通信系统对多普勒呈现不同的敏感性，总体而言相干水声通信体制相对于非相干水声通信对多普勒表现更高的敏感性。以多载波调制方式为基础的OFDM通信体制在水下信息传输中应用的难点之一就是对多普勒频偏的高度敏感性，多普勒效应不仅会引起各子载波的频率偏移，破坏子载波之间的正交性，引起ISI，还会引起信号伸缩，导致每个子载波输出幅值减小，严重影响水下信息传输的可靠性。
[0004]因此，若要实现可靠稳健的水下信息传输，其核心工作之一便是对多普勒效应引起的频率偏移进行实时的跟踪估计和补偿。国内外研究者对水声通信中多普勒开展了广泛的研究。
[0005]论文A computationally efficient Doppler compensation system forunerwater acoustic communications提出块多普勒估计方法，该方法通过测量发射端和接收端信号长度的变化估计得到多普勒因子，实现简单便捷，但测试所获得的是时间块内的平均多普勒，时间分辨率低，无法满足高速率相干通信的要求。
[0006]论文Method of high
‑
resolution frequency measurement for pulse
‑
Doppler sonar提出基于频率的多普勒估计方法，该方法通过在发射信号帧前添加一段已知频率的单频信号，在接收端测量单频信号的频率偏移量，通过计算收发两端单频信号的频率变化估计得到多普勒因子。基于频率的多普勒估计方法具有简单、快速、实时性强的特征，无需等待全部数据帧接收完毕即可完成多普勒估计和补偿，利于硬件系统的实时实现。但对于具有频率选择性衰落特性的水声信道，在严重衰落情况下单频信号的频率检测性能无法保证。...
[0007]论文Fine Doppler scale estimations for an underwater acoustic CP
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OFDMsystem提出基于自相关函数的多普勒估计方法因其在较高信噪比条件下的高估计精度以及可递归地计算自相关函数输出而具备的较低的计算复杂度，在实际水声通信系统设计中得到广泛的应用，特别是在OFDM通信系统中。然而该方案的估计精度受限于接收信号的采样率，接收信号可能需要通过过采样的方式来提升多普勒估计的精度，因此产生了额外的计算复杂度。
[0008]论文OFDM transmission without guard interval in fast
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varying underwateracoustic channels提出的互相关多普勒估计方法采用“两步走”策略，即粗估计和细估计，此方案能够有效减少多普勒估计网格的数量，因此减小了多普勒估计过程中
的计算量。然而，尽管多普勒估计网格的数量被有效的减少，但在细估计阶段仍然存在较大的计算开销，对系统的实际硬件系统造成较大的困难。
[0009]专利CN103023583B公开了一种水声通信中可抑制并测量多普勒的帧同步装置，该装置通过对接收信号和三个一定频率间隔的本地拷贝进行相关处理后获得的3个运算结果进行多普勒估计，由于按照逐次搜索的方式进行频率间隔设置和搜索，难以同时保证大搜索范围、高搜索精度的实时实现。
[0010]特别地，近年来各类小型水下移动平台因其尺寸小、成本低、方便集群组网等特点在海洋工程、海洋开发、权益维护等领域得到各国高度重视。对此类小型水下平台，其搭载的水声通信载荷算力低、功耗低，运算资源极其有限，因此亟需提供一种能够降低多普勒搜索的运算复杂度的水声通信多普勒估计方法及系统。

技术实现思路

[0011]为了解决现有技术中多普勒搜索运算复杂等问题，本申请提供一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法及系统，以解决上述技术缺陷问题。
[0012]根据本专利技术的一个方面提出了一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法，包括以下步骤：
[0013]S1、获取水声通信发射信号和水声通信接收信号，构建用于准梯度互相关多普勒估计方程的互相关函数；
[0014]S2、对多普勒进行粗估计获得粗多普勒搜索窗口，以及采用可变细多普勒估计间隔Δε
f
定义互相关函数的准梯度，令多普勒偏频搜索递归地沿着准梯度方向迭代；
[0015]S3、采用平滑准梯度替代步骤S2中的准梯度，获得更新后的多普勒偏频搜索函数，并且获得细多普勒搜索窗口；以及
[0016]S4、根据细多普勒搜索窗口求解多普勒估计方程，获得最优多普勒估计值。
[0017]通过该方法，将多普勒估计问题转化为准梯度迭代优化问题；与此同时，采用平滑准梯度和可变多普勒搜索间隔，实现了计算复杂度和估计精度之间的平衡。
[0018]在具体的实施例中，步骤S2和步骤S3之间还包括以下子步骤：
[0019]S51、检测平滑度梯度的正负，其中，平滑度梯度的具体计算公式为：
[0020]式中，表示平滑准梯度，λ表示平滑窗的长度；
[0021]S52、若平滑度梯度则采用平滑度梯度替代步骤S2中的准梯度，获得更新后的多普勒偏频搜索函数并运行更新后的多普勒偏频搜索函数，继续执行步骤S4；
[0022]S53、若平滑度梯度则重新确定可变细多普勒估计间隔Δε
f
，并且采用更新后的可变细多普勒估计间隔Δε
f
定义互相关函数的准梯度。
[0023]在具体的实施例中，步骤S53中的可变细多普勒估计间隔Δε
f
的确定包括以下子步骤：
[0024]S531、令μ＝μ+1，计算可变细多普勒估计间隔Δε
f
，其中，可变细多普勒估计间隔Δε
f
的计算公式为：
[0025][0026]式中，μ表示在迭代寻优过程中平滑准梯度变负的次数，ν表示细多普勒搜索间隔的分辨率，M表示判决阈值；特别地，μ＝0表示初始的细多普勒估计间隔Δε
f
设置为1；
[0027]根据迭代过程平滑准梯度变负的次数，对可变细多普勒估计间隔Δε
f
进行如上设计，以有效加速优化迭代过程。
[0028]S532、若可变细多普勒估计间隔Δε
f
≥ν，则采用更新后的可变细多普勒估计间隔Δε
f
定义互相关函数的准梯度；
[0029]S533、若细多普勒估计间隔Δε
f
＜0，则执行步骤S3。
[0030]在具体的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水声通信中低复杂度多普勒估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取水声通信发射信号和水声通信接收信号，构建用于准梯度互相关多普勒估计方程的互相关函数；S2、对多普勒进行粗估计获得粗多普勒搜索窗口，以及采用可变细多普勒估计间隔Δε
f
定义所述互相关函数的准梯度，令多普勒偏频搜索递归地沿着所述准梯度方向迭代；S3、采用平滑准梯度替代步骤S2中的所述准梯度，获得更新后的多普勒偏频搜索函数，并且获得细多普勒搜索窗口；以及S4、根据所述细多普勒搜索窗口求解所述多普勒估计方程，获得最优多普勒估计值。2.根据权利要求1所述的水声通信中低复杂度多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S2和所述步骤S3之间还包括以下子步骤：S51、检测所述平滑度梯度的正负，其中，所述平滑度梯度的具体计算公式为：式中，表示平滑准梯度，λ表示平滑窗的长度；S52、若所述平滑度梯度则采用所述平滑度梯度替代步骤S2中的所述准梯度，获得更新后的多普勒偏频搜索函数并运行所述更新后的多普勒偏频搜索函数，继续执行步骤S4；S53、若所述平滑度梯度则重新确定所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
，并且采用更新后的所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
定义所述互相关函数的准梯度。3.根据权利要求2所述的水声通信中低复杂度多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S53中的所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
的确定包括以下子步骤：S531、令μ＝μ+1，计算所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
，其中，所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
的计算公式为：式中，μ表示在迭代寻优过程中所述平滑准梯度变负的次数，ν表示细多普勒搜索间隔的分辨率，M表示判决阈值；特别地，μ＝0表示初始的所述细多普勒估计间隔Δε
f
设置为1；S532、若所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
≥ν，则采用更新后的所述可变细多普勒估计间隔Δε
f
定义所述互相关函数的准梯度；S533、若所述细多普勒估计间隔Δε
f
＜0，则执行步骤S3。4.根据权利要求1所述的水声通信中低复杂度多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据所述细多普勒搜索窗求解所述多普勒估计方程，其中，所述多普勒估计方程的表达式为：式中，(ε
n
‑
λ
,ε
n
‑1)表示细多普勒搜索窗口，...

【专利技术属性】
技术研发人员：童峰，李斌，杨逍宇，周跃海，陈东升，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：