一種基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法。選取合適的chirp信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，并采用CSSBOK調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制；利用chirp信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)在多普勒效應(yīng)產(chǎn)生前后的變化量來得到實(shí)際chirp信號(hào)長(zhǎng)度的變化量，從而估計(jì)出多普勒系數(shù)。本發(fā)明所述的基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法，簡(jiǎn)單易行，計(jì)算量小，估計(jì)精度高，既能對(duì)每個(gè)碼元的多普勒系數(shù)進(jìn)行精確的估計(jì)，又能同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確地解調(diào)。
【專利說明】
一種基于ch i rp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種水聲通信方法，具體涉及一種移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于水聲通信中的多普勒估計(jì)問題，可以歸納為兩類:一是測(cè)量接收信號(hào)的頻率， 通過頻率的偏移量來對(duì)多普勒系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，二是根據(jù)多普勒效應(yīng)引發(fā)的時(shí)域展寬或壓縮 的效應(yīng)，通過測(cè)量信號(hào)的時(shí)域展寬或者壓縮量進(jìn)行多普勒系數(shù)的估計(jì)，其中比較典型的方 法是模糊度函數(shù)方法與塊多普勒估計(jì)方法。但以上方法一般都只是適用于靜止水聲通信的 多普勒估計(jì)。
[0003] 公開的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法中多是利用首尾的同步信號(hào)或是循環(huán) 前綴進(jìn)行整體的多普勒系數(shù)估計(jì)，再用估計(jì)的多普勒系數(shù)對(duì)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。例如:公開號(hào) 為CN105282082A的專利文件中公開的一種基于拷貝相關(guān)與空子載波結(jié)合的多普勒估計(jì)方 法，是在每幀信號(hào)首尾插入線性調(diào)頻信號(hào)，利用首尾的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行整體的多普勒系 數(shù)估計(jì);公開號(hào)為CN104901718A的專利文件公開的一種基于直接序列擴(kuò)頻信號(hào)載波頻率測(cè) 量的多普勒估計(jì)方法，是對(duì)解擴(kuò)后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波后，利用高分辨率計(jì)算方法測(cè)量頻 率值，根據(jù)頻率值和原載波頻率值估計(jì)多普勒系數(shù);公開號(hào)為CN104793194A的專利文件公 開的一種基于循環(huán)前綴的水聲正交頻分復(fù)用多普勒估計(jì)方法，是對(duì)正交頻分復(fù)用水聲通信 系統(tǒng)的幀頭部分加入線性調(diào)頻信號(hào)和單頻信號(hào)，數(shù)據(jù)符號(hào)部分均添加循環(huán)前綴，用接收的 單頻信號(hào)進(jìn)行多普勒系數(shù)粗側(cè)，再用循環(huán)前綴進(jìn)行多普勒系數(shù)精測(cè)；公開號(hào)為 CN103618686A的專利文件公開的一種水聲0FDM多普勒因子精確估計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種0FDM幀 格式，加入帶循環(huán)前綴的前同步碼和CW單頻信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行三次多普勒估計(jì);公開號(hào) 為CN101594185A的專利文件中公開的一種移動(dòng)水聲通信信號(hào)的多普勒估計(jì)與同步方法，是 選取兩個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)作為幀同步信號(hào)，對(duì)接收采樣信號(hào)和其延遲信號(hào)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)， 計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值，判斷其最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間與互相關(guān)函數(shù)的中心點(diǎn)的偏移，計(jì)算 多普勒因子。公開號(hào)為CN102916922A的專利文件中公開的一種水聲0FDM自適應(yīng)搜索多普勒 補(bǔ)償方法，是采用CW信號(hào)作為訓(xùn)練序列進(jìn)行多普勒頻偏因子粗測(cè)，利用高倍DFT對(duì)多普勒頻 偏進(jìn)行補(bǔ)償。上述技術(shù)方案是通過同步信號(hào)或是循環(huán)序列進(jìn)行整體的多普勒系數(shù)估計(jì)，而 不能精確地估計(jì)出每一個(gè)碼元的多普勒系數(shù)，也不能達(dá)到在估計(jì)多普勒系數(shù)的同時(shí)對(duì)信號(hào) 進(jìn)行準(zhǔn)確的解調(diào)的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多普勒補(bǔ)償和數(shù)據(jù)解調(diào)同時(shí)進(jìn)行的基于 chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 選取chirp信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，并采用CSSB0K調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制；利用chirp信號(hào) 的采樣點(diǎn)數(shù)在多普勒效應(yīng)產(chǎn)生前后的變化量得到實(shí)際chirp信號(hào)長(zhǎng)度的變化量，從而估計(jì) 出多普勒系數(shù);具體包括：
[0007] (1)首先找出接收信號(hào)的第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)的位置，對(duì)第一個(gè)信號(hào)和第二個(gè)信 號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)匹配相關(guān)處理，利用chirp信號(hào)的強(qiáng)自相關(guān)性得到第一個(gè)chirp信號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度 變化量，從而估計(jì)出第一個(gè)信號(hào)的多普勒系數(shù)估計(jì)值；
[0008] (2)接下來利用第一個(gè)信號(hào)的多普勒系數(shù)估計(jì)值對(duì)第一個(gè)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償；
[0009] (3)按照與步驟（1)至(2)相同的方法，再對(duì)第二第三個(gè)信號(hào)做滑動(dòng)匹配相關(guān)處理， 依次類推，對(duì)每一個(gè)信號(hào)都進(jìn)行多普勒系數(shù)估計(jì)與補(bǔ)償；
[0010] (4)利用滑動(dòng)匹配多普勒系數(shù)估計(jì)方法在對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也完成了 對(duì)信號(hào)的解調(diào)。
[0011] 本發(fā)明還可以包括：
[0012] 1、步驟（1)具體包括:設(shè)一個(gè)chirp信號(hào)的初始采樣點(diǎn)數(shù)為仏，取接收端一幀信號(hào) 的第1個(gè)到第N個(gè)采樣點(diǎn)與第N+1個(gè)到第2N個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值依次相乘并且求和取平均：
[0014]其中Imax是多普勒系數(shù)估計(jì)采樣點(diǎn)最大滑動(dòng)范圍，
[0015]改變i的數(shù)值，得到一組Mi的值，只有當(dāng)i = no時(shí)，Mi取到最大值MnQ，只需找出Mi中的 最大值所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)Nmax，再與初始采樣點(diǎn)數(shù)Ng作差，即~ ，此時(shí)多普勒 系數(shù)的估計(jì)值：
[0017] 4為信號(hào)長(zhǎng)度的變化量。
[0018] 2、步驟(4)具體包括:首先找到第一個(gè)信號(hào)所在的位置，并在多普勒補(bǔ)償后用分?jǐn)?shù) 階Fourier變換進(jìn)行解調(diào)，設(shè)其為二進(jìn)制數(shù)據(jù)"Γ，若其能與第二個(gè)信號(hào)進(jìn)行匹配，則第二個(gè) 信號(hào)也為數(shù)據(jù)"Γ ;若不能進(jìn)行匹配，則為數(shù)據(jù)"〇"，在確定了第二個(gè)信號(hào)信息后，又對(duì)第三 個(gè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，依次類推完成對(duì)所有信號(hào)的解調(diào)。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0020] 本發(fā)明基于具有大多普勒容限的chirp信號(hào)，提出了一種新的多普勒系數(shù)估計(jì)的 方法一一滑動(dòng)匹配迭代多普勒系數(shù)估計(jì)方法，這種方法不僅能對(duì)每個(gè)碼元的多普勒系數(shù)進(jìn) 行精確地估計(jì)，并且能夠在估計(jì)多普勒系數(shù)的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了多普勒 補(bǔ)償和數(shù)據(jù)解調(diào)同時(shí)進(jìn)行。
[0021] 本發(fā)明的基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法中，選取chirp信號(hào) 作為調(diào)制信號(hào)，并采用CSSB0K調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，通過估計(jì)chirp信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)在多普勒 效應(yīng)產(chǎn)生前后的變化量來得到實(shí)際chirp信號(hào)長(zhǎng)度的變化量，從而估計(jì)出每個(gè)碼元多普勒 系數(shù)，并且在估計(jì)多普勒系數(shù)的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的解調(diào)。本發(fā)明所述的基于chirp信號(hào) 的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法，簡(jiǎn)單易行，計(jì)算量小，估計(jì)精度高，既能對(duì)每個(gè)碼元 的多普勒系數(shù)進(jìn)行精確的估計(jì)，又能同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確地解調(diào)。
【附圖說明】
[0022] 圖1為滑動(dòng)匹配多普勒系數(shù)估計(jì)原理圖；
[0023] 圖2為CSSB0K調(diào)制原理圖；
[0024]圖3為多普勒效應(yīng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026] 本發(fā)明基于具有大多普勒容限的chirp信號(hào)，提出了一種新的多普勒系數(shù)估計(jì)的 方法一一滑動(dòng)匹配迭代多普勒系數(shù)估計(jì)方法，這種方法不僅能對(duì)每個(gè)碼元的多普勒系數(shù)進(jìn) 行精確地估計(jì)，并且能夠在估計(jì)多普勒系數(shù)的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了多普勒 補(bǔ)償和數(shù)據(jù)解調(diào)同時(shí)進(jìn)行。
[0027] 基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法，包括：
[0028] 步驟1:選取合適的chirp信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，并采用CSSB0K(Chirp Spread Spectrum Binary orthogonal keyed)調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制；
[0029] 步驟2:利用chirp信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)在多普勒效應(yīng)產(chǎn)生前后的變化量來得到實(shí)際 chirp信號(hào)長(zhǎng)度的變化量，從而估計(jì)出多普勒系數(shù)；
[0030] 假設(shè)一段chirp信號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度為Ng，在其經(jīng)過水聲信道后受多普勒效應(yīng)的影響， 長(zhǎng)度變?yōu)榱薔g+n〇,此時(shí)多普勒系數(shù)Azno/Ng，而我們只需要估計(jì)出信號(hào)長(zhǎng)度的變化量，即 可得到多普勒系數(shù)的估計(jì)值A(chǔ)。
[0031] 步驟3:首先找出接收信號(hào)的第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)的大概位置，對(duì)第一個(gè)信號(hào)和第 二個(gè)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)匹配相關(guān)處理，利用chirp信號(hào)的強(qiáng)自相關(guān)性得到第一個(gè)chirp信號(hào)的時(shí) 域長(zhǎng)度變化量，從而估計(jì)出第一個(gè)信號(hào)的多普勒系數(shù)估計(jì)值；
[0032]假設(shè)一個(gè)chirp信號(hào)的初始采樣點(diǎn)數(shù)為仏，我們?nèi)〗邮斩艘粠盘?hào)的第1個(gè)到第N 個(gè)采樣點(diǎn)與第N+1個(gè)到第2N個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值依次相乘并且求和取平均：
[0034]其中IMAX是多普勒系數(shù)估計(jì)采樣點(diǎn)最大滑動(dòng)范圍，這樣改變i的數(shù)值，我們得到一 組Mi的值，由匹配相關(guān)的原理可知，只有當(dāng)i = no時(shí)，Mi取到最大值MnQ，因此只需找出Mi中的 最大值所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)Nmax，再與初始采樣點(diǎn)數(shù)N g作差，SP' = = /1。，此時(shí)多普勒系 數(shù)的估計(jì)值：
[0036] 我們稱以上多普勒系數(shù)估計(jì)方法為滑動(dòng)匹配多普勒系數(shù)估計(jì)方法；
[0037] 步驟4:接下來利用第一個(gè)信號(hào)的多普勒系數(shù)估計(jì)值對(duì)第一個(gè)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ) 償，同理，再對(duì)第二第三個(gè)信號(hào)做滑動(dòng)匹配相關(guān)處理，依次類推，對(duì)每一個(gè)信號(hào)都能夠進(jìn)行 較為精確的多普勒系數(shù)估計(jì)與補(bǔ)償；
[0038] 步驟5:利用滑動(dòng)匹配多普勒系數(shù)估計(jì)方法在對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也完 成了對(duì)信號(hào)的解調(diào)；
[0039]我們首先找到第一個(gè)信號(hào)所在的位置，并在多普勒補(bǔ)償后用分?jǐn)?shù)階Fourier變換 對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，在這里我們假設(shè)其為二進(jìn)制數(shù)據(jù)"1"，若其能與第二個(gè)信號(hào)進(jìn)行匹配，則第 二個(gè)信號(hào)也為數(shù)據(jù)"Γ，若不能進(jìn)行匹配，則為數(shù)據(jù)"0"，在確定了第二個(gè)信號(hào)信息后，我們 又可以對(duì)第三個(gè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，依次類推，就能完成對(duì)所有信號(hào)的解調(diào)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法，其特征是： 選取chirp信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，并采用CSSBOK調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制；利用chirp信號(hào)的采 樣點(diǎn)數(shù)在多普勒效應(yīng)產(chǎn)生前后的變化量得到實(shí)際chirp信號(hào)長(zhǎng)度的變化量，從而估計(jì)出多 普勒系數(shù);具體包括： (1) 首先找出接收信號(hào)的第一個(gè)和第二個(gè)信號(hào)的位置，對(duì)第一個(gè)信號(hào)和第二個(gè)信號(hào)進(jìn) 行滑動(dòng)匹配相關(guān)處理，利用chirp信號(hào)的強(qiáng)自相關(guān)性得到第一個(gè)chirp信號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度變化 量，從而估計(jì)出第一個(gè)信號(hào)的多普勒系數(shù)估計(jì)值； (2) 接下來利用第一個(gè)信號(hào)的多普勒系數(shù)估計(jì)值對(duì)第一個(gè)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償； (3) 按照與步驟（1)至(2)相同的方法，再對(duì)第二第三個(gè)信號(hào)做滑動(dòng)匹配相關(guān)處理，依次 類推，對(duì)每一個(gè)信號(hào)都進(jìn)行多普勒系數(shù)估計(jì)與補(bǔ)償； (4) 利用滑動(dòng)匹配多普勒系數(shù)估計(jì)方法在對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也完成了對(duì)信 號(hào)的解調(diào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法，其特征 是步驟(1)具體包括:設(shè)一個(gè)chirp信號(hào)的初始采樣點(diǎn)數(shù)SN g，取接收端一幀信號(hào)的第1個(gè)到 第N個(gè)采樣點(diǎn)與第N+1個(gè)到第2N個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值依次相乘并且求和取平均：其中Imax是多普勒系數(shù)估計(jì)采樣點(diǎn)最大滑動(dòng)范圍， 改變i的數(shù)值，得到一組Mi的值，只有當(dāng)i =n〇時(shí)，Mi取到最大值MnQ，只需找出Mi中的最大 值所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)Nmax，再與初始采樣點(diǎn)數(shù)Ng作差，即& -義=A，此時(shí)多普勒系數(shù)的 估計(jì)值：馬為信號(hào)長(zhǎng)度的變化量。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于chirp信號(hào)的移動(dòng)水聲通信多普勒系數(shù)估計(jì)方法，其 特征是步驟(4)具體包括:首先找到第一個(gè)信號(hào)所在的位置，并在多普勒補(bǔ)償后用分?jǐn)?shù)階 Fourier變換進(jìn)行解調(diào)，設(shè)其為二進(jìn)制數(shù)據(jù)"Γ，若其能與第二個(gè)信號(hào)進(jìn)行匹配，則第二個(gè)信 號(hào)也為數(shù)據(jù)"Γ ;若不能進(jìn)行匹配，則為數(shù)據(jù)"0"，在確定了第二個(gè)信號(hào)信息后，又對(duì)第三個(gè) 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，依次類推完成對(duì)所有信號(hào)的解調(diào)。
【文檔編號(hào)】H04B13/02GK106027116SQ201610532432
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月7日
【發(fā)明人】劉凇佐, 喬鋼, 劉磊, 馬璐, 周鋒, 孫宗鑫
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)