專利名稱：一種mfsk水聲通信的多普勒測量與修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)和信號處理領(lǐng)域,主要是一種MFSK水聲通信的多普勒測量與修正方法。
背景技術(shù)：
由于聲波在水下傳播的速度較慢，水聲信道的多普勒非常嚴(yán)重，當(dāng)通信收發(fā)端存在相對 運(yùn)動，會引起較大的多普勒頻偏和時間壓縮擴(kuò)展效應(yīng)。在接收端，MFSK通信信號FFT變換， 如果不對多普勒頻偏修正，F(xiàn)FT變換結(jié)果在頻率軸上發(fā)生偏移，直接影響對信息的判決，引 起較大誤碼，同時多普勒的時間效應(yīng)隨時間累積發(fā)生嚴(yán)重的同步失配，越靠后的MFSK信號 的FFT時間截取窗偏離越大，引起較大的載波間干擾ICI。多普勒測量一般釆用單頻信號， 測量的分辨率與信號的脈寬成反比，因此獲得較高的頻率分辨率，需要發(fā)端發(fā)射一個脈寬很 長的單頻信號，占用通信時間，降低數(shù)據(jù)率，并且當(dāng)通信雙方的相對運(yùn)動變化，利用測量出 的多譜勒頻偏值，只能修正緊隨單頻信號的編碼信號的多譜勒，對越靠后的編碼信號多譜勒 修正，會引起較大誤差，從而增加誤碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種MFSK水聲通信的多普勒測量與 修正方法，為了減小多普勒對解碼的影響，我們在編碼信號中插入了多譜勒測量譜線，接收 端采用了 Zoom-FFT方法，實(shí)現(xiàn)高分辨率的多普勒實(shí)時測量，利用測量值可修正每個編碼信 號多譜勒，降低通信誤碼率，該方法已在研制的MODEM中獲得應(yīng)用，取得良好效果。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是提出以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的利用編碼信號中的多譜勒測 量譜線，測量出的多譜勒頻偏與時間壓縮因子，可保證對每個編碼信號修正準(zhǔn)確，在多個編 碼信號中保持測量譜線的相位連續(xù)，在接收端，截取對應(yīng)的編碼信號，進(jìn)行Zoom-FFT處理， 可獲得高分辨率的多譜勒測量值。另外，由于測量譜線的相位連續(xù)，比編碼信號中的信息譜 線能量要強(qiáng)很多，因此測量譜線可映射在響應(yīng)較差的窄頻段內(nèi)，而信息譜線則映射在響應(yīng)好 的頻段，不影響對測量譜線的檢測，從而提高通信頻帶利用率。采用Zoom-FFT技術(shù)，先對 復(fù)基頻信按照測量譜線的頻率混頻，再進(jìn)行濾波處理，濾波器帶寬設(shè)計(jì)為兩倍的最大的多譜 勒頻偏，即多譜勒測量范圍，然后進(jìn)行抽取，最后進(jìn)行FFT處理，獲得測量值。按照測量的 時間壓縮因子，超前或滯后若干采樣點(diǎn)，截取復(fù)基頻信號，與測量的多譜勒頻偏頻率混頻， 完成多譜勒修正。這種MFSK水聲通信的多普勒測量與修正方法，具體步驟如下
(1)、 MFSK水聲通信的多普勒測量譜線的映射 在MFSK通信信號的頻段邊緣映射兩根多普勒測量譜線，如下:
順=》xp( "(W, -〃2)expC/2<(f-O)入"^ +2" (1)
f=0
其中W)為生成的含有多普勒測量譜線的MFSK信號，r為MFSK信號的時間周期，d。和J 為這兩根多普勒測量譜線的初始相位，《(m—1)/2、 4+( ,—1)/2、……、4+( ,_1)/2為信息的初始相 位'4、 4、……、《w)/2'《w+(m,2、《w+(m_1)/2、……、4+ ,為0，附的取值取決于收
發(fā)端最大的相對運(yùn)動速度，多普勒測量的范圍為-(i+o-1)/2)/r^A/s(i+o-i)/2)/r;
(2)多普勒測量與修正 在接收端，利用FFT對MFSK信號進(jìn)行解調(diào)，先對接收的射頻信號降采樣，為
_y( ) = x exp(—7'2;r x /0 x " / 乂.) (2)
= (3)
= (4)
其中/。為中心頻率，y;為采樣頻率，WW為低通濾波器系數(shù)，M為降采樣因子，6(")為獲
得的基頻信號樣本，采用Zoom-FFT，就是對感興趣的多普勒測量譜線附近的頻段進(jìn)行放大， 即頻率分辨率提高，而其他頻段，依然采用低頻率分辨率，對6(n)進(jìn)行Zoom-FFT處理為
凡2 (") = x exp(-J2;r x /ml、2 x "A/7,) (5 )
z!、20)二/ '(w) 凡2(n) (6)
\2(") = 2，、2(L") (7)
1 W-1 W-1
《u = 77 S ~2 e鄧C/2冊z(" - A) / TV) (8)
其中/^2為多普勒測量譜線的頻率，"(")為低通濾波器，帶寬為2(1+(附-i)/2)/r，丄為降
采樣因子，即多普勒測量周期，找到《,,2的最大值對應(yīng)的位置"、2,則~=/5/M" (9) 4/i 就i、2", (10)
a/=(4/;+a/2)/2 (11)
e = l/(l + A/7/0) (12)
A7V = ￡A^ (13) AiV、s層丄 (14)
^為多普勒測量的頻率分辨率，A/為多普勒頻偏值，s為多普勒因子，AAA為多普勒時間效
應(yīng)對相鄰兩個MFSK信號的復(fù)頻信號偏移樣本點(diǎn)數(shù)，緒'為相鄰兩個多普勒測量周期射頻信 號的偏移樣本點(diǎn)數(shù)，對6(")進(jìn)行多普勒修正，為
6' (") = 60 - AA0 exp(-)2丌A/"iW /力) (15)
1 W-l W-l
^ = 一》'(w)Z exp(j'2鵬("- "/ W) (16)
對《進(jìn)行判決，獲得信息碼元。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的單頻信號測多譜勒的缺點(diǎn)，測量值對每個編碼 信號可反映為真實(shí)值，測量譜線可映射在響應(yīng)差的頻段，沒有占用實(shí)際的通信頻段， Zoom-FFT技術(shù)可提高多譜勒測量分辨率，運(yùn)算量小，占用的存儲器資源也較少，工程易實(shí) 現(xiàn)。


圖1為多普勒測量與修正示意圖。 圖2為DSP實(shí)現(xiàn)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對發(fā)明作進(jìn)一歩說明
如圖所示，這種mfsk水聲通信的多普勒測量與修正方法，
(1) MFSK水聲通信的多普勒測量譜線的映射 在MFSK通信信號的頻段邊緣映射兩根多普勒測量譜線，如下:<formula>formula see original document page 7</formula>
其中^)為生成的含有多普勒測量譜線的MFSK信號，:r為MFSK信號的時間周期，4和^^
為這兩根多普勒測量譜線的初始相位，1)/2、 4+(m—1)/2、……、4一一^為信息的初始相
位，《、"2、……、《》—)"，《+w 2、《w+(w-1)/2 、……、"w指為0。 m的取值取決于收
發(fā)端最大的相對運(yùn)動速度，多普勒測量的范圍為<formula>formula see original document page 7</formula>多普勒測量與修正
在收端，利用FFT對MFSK信號進(jìn)行解調(diào)，為了減少FFT變換的點(diǎn)數(shù)，降低對DSP的
要求和提高實(shí)時性，需先對接收的射頻信號降采樣，為
<formula>formula see original document page 7</formula>其中/。為中心頻率，,為采樣頻率，AO)為低通濾波器系數(shù)，M為降采樣因子，6&)為獲
得的基頻信號樣本。采用Zoom-FFT，就是對感興趣的多普勒測量譜線附近的頻段進(jìn)行放大， 即頻率分辨率提高，而其他頻段，依然采用低頻率分辨率，如圖1所示。對6(w)進(jìn)行Zoom-FFT
處理為
<formula>formula see original document page 7</formula>其中厶u為多普勒測量譜線的頻率，^'(")為低通濾波器，帶寬為2(l + (w-1)/2)/7\丄為降 采樣因子，即多普勒測量周期，找到c4^的最大值對應(yīng)的位置"、2,則
<formula>formula see original document page 7</formula>+A/2)/2 (11) e = l/(l + A///0) (12)
AiV = siV (13)
/W'w層i: (14)
^為多普勒測量的頻率分辨率，A/為多普勒頻偏值，f為多普勒因子，脅為多普勒時間效
應(yīng)對相鄰兩個MFSK信號的復(fù)頻信號偏移樣本點(diǎn)數(shù)，認(rèn)'為相鄰兩個多普勒測量周期射頻信 號的偏移樣本點(diǎn)數(shù)，對6(")進(jìn)行多普勒修正，為
= 6(" — AA0 exp(-y2;rA/"M / 乂 ) (15)
《=丄Z expC/2;z7w(" —1) / JV) (16)
對《進(jìn)行判決，獲得信息碼元。 (3) DSP實(shí)現(xiàn)
圖2為水聲MODEM的DSP實(shí)現(xiàn)多普勒測量與修正，DSP選用了 TI公司的 TMS32VC5509A (簡稱C5509A)， C5509A的多通道緩沖串口 McBSP與內(nèi)部的DMA聯(lián)合， 實(shí)現(xiàn)零開銷采集AD信號，存儲在設(shè)置的乒乓RAM1，對乒乓RAM1按照式(2)、 G)、 (4) 進(jìn)行降采樣，獲得復(fù)基頻信號，存儲在乒乓RAM2，對乒乓RAM2按照式(5) (14)獲得 多普勒測量值A(chǔ)/ 、相鄰兩個MFSK信號的復(fù)頻信號偏移樣本點(diǎn)數(shù)AiV和相鄰兩個多普勒測量
周期射頻信號的偏移樣本點(diǎn)數(shù)W，按照式(15)對復(fù)基頻信號進(jìn)行多普勒修正和時間同步
補(bǔ)償，獲得式(16)的一個時頻圖，刪除時頻圖的多普勒譜線，對信息譜線進(jìn)行判決，恢復(fù) 信息。由圖2可以看出，采用了 DMA和乒乓RAMI、 RAM2，很大程度降低多普勒測量和修 正對C5509A的存儲量需求，同時也提高了解碼的實(shí)時性。
以上對本發(fā)明的描述不具有限制性，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本 發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)的情況，作出本發(fā)明的其它結(jié)構(gòu)變形和實(shí)施方式，均屬于本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求
1、一種MFSK水聲通信的多普勒測量與修正方法，其特征在于步驟如下(1)、MFSK水聲通信的多普勒測量譜線的映射在MFSK通信信號的頻段邊緣映射兩根多普勒測量譜線，如下<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mi>m</mi> </mrow></munderover><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>jd</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>rect</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>t</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>f</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi></msub><mo>&le;</mo><mi>t</mi><mo>&le;</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi></msub><mo>+</mo><mi>T</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中s(t)為生成的含有多普勒測量譜線的MFSK信號，T為MFSK信號的時間周期，d0和dN+m為這兩根多普勒測量譜線的初始相位，d1+(m-1)/2、d2+(m-1)/2、……、dN+(m-1)/2為信息的初始相位，d1、d2、……、d(m-1)/2，d1+N+(m-1)/2、d2+N+(m-1)/2、……、dN+m為0，m的取值取決于收發(fā)端最大的相對運(yùn)動速度，多普勒測量的范圍為-(1+(m-1)/2)/T≤Δf≤(1+(m-1)/2)/T；(2)多普勒測量與修正在接收端，利FFT對MFSK信號進(jìn)行解調(diào)，先對接收的射頻信號降采樣，為y(n)＝x(n)×exp(-j2π×f0×n/fs)(2)<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>z</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>h</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&CircleTimes;</mo><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>b(n)＝z(Mn)(4)其中f0為中心頻率，fs為采樣頻率，h(n)為低通濾波器系數(shù)，M為降采樣因子，b(n)為獲得的基頻信號樣本，采用Zoom-FFT，就是對感興趣的多普勒測量譜線附近的頻段進(jìn)行放大，即頻率分辨率提高，而其他頻段，依然采用低頻率分辨率，對b(n)進(jìn)行Zoom-FFT處理為y1、2(n)＝b(n)×exp(-j2π×fm1、2×nM/fs)(5)<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>z</mi> <mn>1,2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup> <mi>h</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&CircleTimes;</mo><msub> <mi>y</mi> <mn>1,2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>b1、2(n)＝z1、2(Ln)(7)<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>d</mi> <mrow><mi>k</mi><mn>1,2</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>b</mi> <mn>1,2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&pi;m</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中fm1、2為多普勒測量譜線的頻率，h′(n)為低通濾波器，帶寬為2(1+(m-1)/2)/T，L為降采樣因子，即多普勒測量周期，找到dk1、2的最大值對應(yīng)的位置k′1、2，則δf＝fs/M/L (9)Δf1、2＝f0/fm1、2k′1、2δf (10)Δf＝(Δf1+Δf2)/2(11)ε＝1/(1+Δf/f0) (12)ΔN＝εN (13)ΔN′＝εNML (14)δf為多普勒測量的頻率分辨率，Δf為多普勒頻偏值，ε為多普勒因子，ΔN為多普勒時間效應(yīng)對相鄰兩個MFSK信號的復(fù)頻信號偏移樣本點(diǎn)數(shù)，ΔN′為相鄰兩個多普勒測量周期射頻信號的偏移樣本點(diǎn)數(shù)，對b(n)進(jìn)行多普勒修正，為b′(n)＝b(n-ΔN)exp(-j2πΔfnM/fs)(15)<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>d</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msup> <mi>b</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&pi;m</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>16</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>對dk進(jìn)行判決，獲得信息碼元。
全文摘要
本發(fā)明涉及聲學(xué)和信號處理領(lǐng)域，主要是一種MFSK水聲通信的多普勒測量與修正方法，在發(fā)射端，通過映射兩根多普勒測量譜線，其頻率點(diǎn)落在編碼信號的邊帶上，接收端只需要對編碼信號的復(fù)基頻信號，進(jìn)行Zoom-FFT處理，獲得較高分辨率的多普勒測量值，最后由測量值對復(fù)基頻信號進(jìn)行多普勒修正和時間同步的補(bǔ)償。DSP實(shí)現(xiàn)設(shè)置了兩級乒乓緩沖，分別存儲AD采集的射頻信號，和數(shù)字下變頻的復(fù)基頻信號，提高實(shí)時性和減少存儲量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的單頻信號測多普勒的缺點(diǎn)，測量值對每個編碼信號可反映為真實(shí)值，測量譜線可映射在響應(yīng)差的頻段，沒有占用實(shí)際的通信頻段，Zoom-FFT技術(shù)可提高多普勒測量分辨率，運(yùn)算量小，占用的存儲器資源也較少，工程易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H04B13/02GK101605001SQ200910100598
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日
發(fā)明者周士弘, 煜 姜, 張國松, 張宏滔, 峰 李, 熊省軍, 田玲愛 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所