一种水声相干通信自适应相位补偿方法技术

本发明专利技术涉及一种水声相干通信自适应相位补偿方法，包括：从所接收到的水声通信信号的各个帧中提取Chirp信号，为每个Chirp信号进行相关计算，利用计算得到的相关峰位置求各帧的平均速度、平均加速度的估计值；利用各个帧持续时间内的平均速度的估计值，计算相对拉伸压缩系数，根据所述的相对拉伸压缩系数计算结果对水声通信信号的接收波形进行重采样，完成平均多普勒的补偿；利用平均加速度估计值估计出自适应相位补偿器的步长大小；由采用步长大小的自适应相位补偿器对平均多普勒的补偿后的信号进行自适应相位补偿。本发明专利技术充分利用载体相对运动对相位变化之间的关系，将使相位补偿变得更加简单、可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种水声相干通信自适应相位补偿方法
本专利技术涉及水声相干通信领域，特别涉及一种水声相干通信自适应相位补偿方法。
技术介绍
在通信过程中，收发端、反射介质的运动会造成接收信号相位的相对变化。与无线电通信相比，声波在水中传播速度小，多普勒现象更加严重；同时水声通信带宽窄，符号时间相对较长。因而在水声通信中，由于运动所造成的相位变化非常严重。水声相干通信需要利用信号的相位传输信息，因此要求接收端对信号的相位进行较好的跟踪。在水声相干通信中需要利用自适应相位补偿技术，克服运动造成的相位变化。现有技术中，对相位补偿的计算方法有多种，分别描述如下：参考文献1：T.C.Yang于2004年在IEEEJournalofOceanicEngineering上发表文章《Differencesbetweenpassive-phaseconjugationanddecision-feedbackequalizerforunderwateracousticcommunications》。该文章指出，17秒间隔进行一次信道探测即可实现解调，水声信道接近时不变，信道相位随时间线性变化，根据数据求出比值为0.56rad/s，在解调时利用这一线性关系可简单地实现相位补偿。该文章所依据的现场数据是在载体静止的情况下获得的，整个试验过程中发送端和接收端采用海底潜标的布放方式。该研究不能直接应用于载体运动的情况。参考文献2：M.Stojanovic等人于1994年在IEEEJournalofOceanicEngineering上发表文献《Phasecoherentdigitalcommunicationsforunderwateracousticchannels》。该文章采用二阶数字锁相环路进行相干通信中的相位补偿。对不同的试验数据，采用后处理的方式估计其多普勒大小，根据多普勒估计人为地调节二阶数字锁相环路(PLL)的参数，改变其带宽，以适应不同多普勒大小下的相位变化。这种方法在一定程度上可以补偿载体运动造成的相位变化，但需要对采集到的数据进行分析后，人为地对相位补偿器进行参数调节。这种处理方法可以应用于数据处理，但实际可用的通信机不能允许人工参与参数调节。参考文献3：B.Geller等人于1996年在IEEEJournalofOceanicEngineering上发表文章：《Equalizerforvideoratetransmissioninmultipathunderwatercommunications》。文章采用快速自优化最小均方算法(FOLMS)进行相干通信中的相位补偿。相位补偿器的补偿快慢取决于其步长，步长的大小依据其对估计误差偏导数估计进行优化。自适应步长调节，可以在保证跟踪相位速度的前提下，使估计误差最小化，进而得到好的相位补偿效果。但仍存在计算量大、非平稳噪声下自适应容易发散的问题。参考文献4：朱维庆等人于2007年在声学学报上发表文章：《水声高速图像传输信号处理方法》。该文章对参考文献2、参考文献3中所述及的两种相位补偿方式进行了对比，指出基于FOLMS的相位补偿(FOLMSPC)的容限比二阶PLL好5倍。这是由于FOLMSPC的步长在一个符号宽度内迭代一次，能适应多普勒频移的变化，而二阶PLL中的二阶参数是固定的，适应能力要差些。这一研究成果已成功应用于我国“蛟龙号”载人潜水器的水声通信机，并取得令人满意的试验效果。综上所述，现有技术中的PLL方法对每个采样点进行相位鉴别、环路滤波计算，FOLMSPC方法对每个采样点进行步长调节计算。这些计算需要硬件平台具有较高的计算能力支持，不便于水声通信节点的小型化、低功耗。FOLMSPC相对于PLL在跟踪能力上有所提高，不需要人为的调节参数，但还存在以下问题：算法基于加性高斯噪声的假设，如果噪声不平稳，比如信道中出现尖峰噪声，步长将瞬间变得很大，容易导致计算的发散；步长最大值选取采用试验数据后处理的方式给出，如根据通信带宽、中心频率进行调整，步长最大值需要结合新通信参数下的试验数据进行设定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的相位补偿方法计算复杂，补偿效果不可靠的缺陷，从而提供一种简单、可靠的相位补偿方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种水声相干通信自适应相位补偿方法，包括：步骤1)、从所接收到的水声通信信号的各个帧中提取Chirp信号，为每个Chirp信号进行相关计算，利用计算得到的相关峰位置求各帧的平均速度和平均加速度的估计值；步骤2)、利用步骤1)得到的各个帧持续时间内的平均速度的估计值，计算相对拉伸压缩系数，根据所述的相对拉伸压缩系数计算结果对水声通信信号的接收波形进行重采样，完成平均多普勒的补偿；步骤3)、利用步骤1)得到的平均加速度估计值估计出自适应相位补偿器的步长大小；步骤4)、由采用步骤3)估计得到的步长大小的自适应相位补偿器对步骤2)得到的平均多普勒的补偿后的信号进行自适应相位补偿。上述技术方案中，在所述的步骤2)中，根据所述的相对拉伸压缩系数计算结果对水声通信信号的接收波形进行重采样的方法采用以下方法中的任意一种：一阶线性插值方法、抛物线插值法、Farrow滤波器重采样法。上述技术方案中，所述的步骤3)包括：步骤3-1)、在得到各个帧的平均加速度估计值后，首先按照如下公式找出最大加速度绝对值：amax＝max{|ai|},i＝2,...L；步骤3-2)、根据步骤3-1)得到的最大加速度绝对值amax、帧长时间T、信号波长λ、自适应处理的采样率Fs，计算出自适应相位补偿的步长μ：其中，帧长时间T、信号波长λ、自适应处理的采样率Fs都是已知值。上述技术方案中，所述的步骤4)包括：步骤4-1)、所述自适应相位补偿器采用上一时刻的相位估计值对当前符号进行相位补偿，其计算公式如下：其中，rk为平均多普勒的补偿后的符号，同时也是自适应相位补偿前的符号，为自适应相位补偿后的符号，步骤3)估计得到的步长大小影响上一时刻的相位估计值的计算；步骤4-2)、在得到相位补偿的结果后，利用与自适应相位补偿器相连的自适应判决反馈均衡器给出的当前符号期望值，按照下面的公式计算出当前时刻的相位估计值，当前时刻的相位估计值被用于下一时刻的相位补偿计算：其中，Im()为求虚部计算，为符号期望值的共轭值。本专利技术的优点在于：本专利技术充分利用载体相对运动对相位变化之间的关系，将使相位补偿变得更加简单、可靠。附图说明图1是“蛟龙号”载人潜水器下潜过程中，利用水声通信机采集波形得到的多普勒估计值随时间的变化关系图；图2是与本专利技术方法密切相关的水声通信信号接收端的相关设备的示意图；图3是本专利技术的水声相干通信自适应相位补偿方法的流程图；图4是接收端所接收到的水声通信信号的示意图；图5是没有做相位补偿的星座图(采用QPSK调制方式，SNR＝10dB，amax＝1m/s2,T＝0.5s,Fs＝5kHz,λ＝0.15m)；图6是采用本专利技术的方法做相位补偿后的星座图(条件同图5，步长为0.033)；图7是真实相位、相位估计及误差的变化曲线示意图(条件同图5，步长为0.033)；图8设定成不同步长时相位估计误差曲线的示意图(条件同图5，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水声相干通信自适应相位补偿方法，包括：步骤1）、从所接收到的水声通信信号的各个帧中提取Chirp信号，为每个Chirp信号进行相关计算，利用计算得到的相关峰位置求各帧的平均速度、平均加速度的估计值；步骤2）、利用步骤1）得到的各个帧持续时间内的平均速度的估计值，计算相对拉伸压缩系数，根据所述的相对拉伸压缩系数计算结果对水声通信信号的接收波形进行重采样，完成平均多普勒的补偿；步骤3）、利用步骤1）得到的平均加速度估计值估计出自适应相位补偿器的步长大小；步骤4）、由采用步骤3）估计得到的步长大小的自适应相位补偿器对步骤2）得到的平均多普勒的补偿后的信号进行自适应相位补偿。

【技术特征摘要】
1.一种水声相干通信自适应相位补偿方法，包括：步骤1)、从所接收到的水声通信信号的各个帧中提取Chirp信号，为每个Chirp信号进行相关计算，利用计算得到的相关峰位置求各帧的平均速度和平均加速度的估计值；步骤2)、利用步骤1)得到的各个帧持续时间内的平均速度的估计值，计算相对拉伸压缩系数，根据所述的相对拉伸压缩系数计算结果对水声通信信号的接收波形进行重采样，完成平均多普勒的补偿；步骤3)、利用步骤1)得到的平均加速度估计值估计出自适应相位补偿器的步长大小；步骤4)、由采用步骤3)估计得到的步长大小的自适应相位补偿器对步骤2)得到的平均多普勒的补偿后的信号进行自适应相位补偿。2.根据权利要求1所述的水声相干通信自适应相位补偿方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，根据所述的相对拉伸压缩系数计算结果对水声通信信号的接收波形进行重采样的方法采用以下方法中的任意一种：一阶线性插值方法、抛物线插值法、Farrow滤波器重采样法。3.根据权利要求1所述的水声相干通信自适应相位补偿方法，其特征在于，所述的步骤3)包括：步骤3-1)、在得到各个帧的平均加速度估...

【专利技术属性】
技术研发人员：武岩波，朱维庆，朱敏，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：