一种调频水声通信系统的自动实时帧同步方法技术方案

一种调频水声通信系统的自动实时帧同步方法，涉及水声通信。在发射端，顺序发射固定时长的粗同步信号和细同步信号；在接收端，对从换能器端实时采集到的水声信号先以步长L作滑动FFT，根据每次频谱图中F(f1)值先增后减的趋势，自动判决粗同步，用接收到的粗同步信号计算信道对信号的衰减系数a(t)、自动调整细同步门限b，并估算细同步信号的大概时间起点c，最后根据调整后的细同步门限b，再对从起点c采集的水声信号进行互相关运算获得细同步。采用DSP的DMA模块设置乒乓缓冲，无需DSP干预即可存储由AD采集的水声信号，实现对起伏水声信道中同步信号的自动实时跟踪，运算量小，占用存储器资源少。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声通信，尤其是涉及。
技术介绍
声波在海水中的传播特性显著优越于电磁波和可见光波，使得水声技术成为海洋高技术的主要研究领域之一。而水声通信技术是各类水下载体、水下机器人之间及其与指挥船之间信息传递的重要手段，是水声通讯设备中的关键技术。海洋声信道数据传输要求系统有高的传输速率和低的误码率，然而水声信道是极其复杂的随机时-空-频变参信道(许肖梅.浅海水声数据传输技术研究[D].厦门:厦门大学博士学位论文，2002)，其主要的特征表现为:复杂性、多变性、强多途、高噪声和有限带宽。特别是在浅海信息传输时，信道被限制在狭窄的海底和海面之间，多径效应造成了接收信号的强烈起伏。这些严重的影响了调频水声通信系统基于能量检测的帧同步和解调性倉泛。已有的帧同步方法常采用同步头法，在传输正式信息之前发射单频脉冲信号和线性调频脉冲信号的不同组合来完成的(陶毅.浅海水声信道抗多途跳频通信系统研究[D].厦门:厦门大学博士学位论文，2008)。在接收处理中，对单频脉冲信号的同步解算采用滑动FFT，将单频信号能量与预设同步门限进行比较实现(陶毅.浅海水声信道抗多途跳频通信系统研究[D].厦门:厦门大学博士学位论文，2008);对线性调频脉冲信号进行拷贝相关处理，提取包络峰值与预设同步门限比较获得同步(夏清涛，刘忠，罗亚松.相位调制水声通信同步算法[J].火力与指挥控制，2012，37 (7):98-101)。这种传统的接收端处理方法运算快速简便、结构简单，仅需预先设置好粗同步和细同步门限即可，所以一直被广泛采用。但此方法从原理和实际应用上主要存在以下问题。其一，单频脉冲信号解同步时，取FFT变换后的幅度谱值进行判决，但是幅度谱仅能反映信号频域信息，不能反映信号的时域信息，同时时域不同的信号经过FFT变换在频域上可以完全相同，原理上即可看出此方法抗干扰性能较差。其二，两类信号同步判决时采用了固定门限，忽略了水声信道对信号造成的强烈起伏影响，使得实际应用中同步信号正确检出的概率大大降低。其三，水声通信中，随着通信距离的变化以及信道的随机时-空-频变使得接收端的信噪比在随机变化，而固定门限则仅能满足特定范围信噪比情况下同步的检出，当信噪比较低时若要检出同步则需降低门限，这使得实际应用中需要人为干预，实时应用的效果大打折扣。可见，传统同步方法使得同步信号在复杂多变的水声信道中实现实时稳定的检出变得困难。同步是数字通信系统的核心技术，所以必须采用恰当的信号处理方法进行同步信号的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种适用于调频水声通信系统的自动实时帧同步方法。本专利技术包括以下步骤:I)对换能器端接收到的水声信号做实时数字处理，设其采样率为fs，以步长L做滑动FFT处理；2)对每次频谱图中频点处值F(f\)做趋势判断，若该值随着滑动处理经过数次连续增加后出现减小的趋势，则判为粗同步信号到达，此时记录最后一次增加时的值FmaxCf1)和滑动次数k，计算转入步骤3)，否则返回步骤I)；3)根据Fmax (f\)计算信号衰减系数a⑴、自动调整细同步门限b并估算同步信号中的细同步信号的起点c ；4)从起点C处截取信号r(n)与本地存储的细同步信号s (n)作互相关处理，得到相关函数C (n)；5)比较C(n)的最大值与门限b，若小于门限b，则计算转入步骤6)，若大于门限b，则计算转入步骤8);6)若相关运算次数超过3次，则转入步骤1)，若小于3次，则转入步骤7)；7)丢弃信号r(n)的前m点，并将新采集的m点信号补充到r (n)后面，计算相关函数C(n)，转入步骤5);8)查找相关峰位置d，以此作为同步信号到达的准确时间起点。在步骤3)中，所述同步信号由粗同步信号和细同步信号组成；所述根据Fmax Cf1)计算信号衰减系数a(t)、自动调整细同步门限b并估算同步信号中的细同步信号的起点c的具体方法可为: 所述粗同步信号为频率为的单频信号f。(t)，细同步信号为线性调频信号s (t)，同步信号可表达为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种调频水声通信系统的自动实时帧同步方法，其特征在于包括以下步骤：1）对换能器端接收到的水声信号做实时数字处理，设其采样率为fs，以步长L做滑动FFT处理；2）对每次频谱图中f1频点处值F(f1)做趋势判断，若该值随着滑动处理经过数次连续增加后出现减小的趋势，则判为粗同步信号到达，此时记录最后一次增加时的值Fmax（f1）和滑动次数k，计算转入步骤3），否则返回步骤1）；3）根据Fmax（f1）计算信号衰减系数a(t)、自动调整细同步门限b并估算同步信号中的细同步信号的起点c；4）从起点c处截取信号r(n)与本地存储的细同步信号s(n)作互相关处理，得到相关函数C(n)；5）比较C(n)的最大值与门限b，若小于门限b，则计算转入步骤6），若大于门限b，则计算转入步骤8）；6）若相关运算次数超过3次，则转入步骤1），若小于3次，则转入步骤7）；7）丢弃信号r(n)的前m点，并将新采集的m点信号补充到r(n)后面，计算相关函数C(n)，转入步骤5）；8）查找相关峰位置d，以此作为同步信号到达的准确时间起点。

【技术特征摘要】
1.一种调频水声通信系统的自动实时帧同步方法，其特征在于包括以下步骤: 1)对换能器端接收到的水声信号做实时数字处理，设其采样率为fs，以步长L做滑动FFT处理； 2)对每次频谱图中频点处值F(f\)做趋势判断，若该值随着滑动处理经过数次连续增加后出现减小的趋势，则判为粗同步信号到达，此时记录最后一次增加时的值Fmax (4)和滑动次数k，计算转入步骤3)，否则返回步骤I)； 3)根据Fmax(f\)计算信号衰减系数a(t)、自动调整细同步门限b并估算同步信号中的细同步信号的起点c ； 4)从起点c处截取信号r(n)与本地存储的细同步信号s(n)作互相关处理，得到相关函数C(n)； 5)比较C(n)的最大值与门限b，若小于门限b，则计算转入步骤6)，若大于门限b，则计算转入步骤8)； 6)若相关运算次数...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏海涛，许肖梅，陶毅，张小康，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：