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1、(10)申请公布号 CN 103684521 A (43)申请公布日 2014.03.26 CN 103684521 A (21)申请号 201310711793.3 (22)申请日 2013.12.20 H04B 1/7073(2011.01) H04B 13/02(2006.01) (71)申请人 中国船舶重工集团公司第七一五研 究所 地址 310012 浙江省杭州市西湖区华星路 96 号 (72)发明人 熊省军 张宏滔 朱小辉 谢哲 岳志杰 王忠康 (74)专利代理机构 杭州九洲专利事务所有限公 司 33101 代理人 陈健 (54) 发明名称 一种扩频水声通信的快速精确同步方法 (57。
2、) 摘要 本发明涉及水声通信领域， 主要是一种扩频 水声通信的快速精确同步方法。本发明采用循环 扩展的 m 序列作为帧头， 接收端利用 m 序列图钉 形的时频模糊特性， 采用快速沃尔什变换处理先 后进行频偏粗、 细搜索， 估计帧头信号的初始频偏 值， 利用滑动相关法估计帧头信号的起始时刻， 完 成帧同步。采用快速沃尔什变换处理设计时间和 频率同步跟踪环对帧体内的每个扩频符号进一步 完成时间和频率跟踪。本发明的优点在于 ： 本发 明克服了传统方法需要存储多个不同频偏的 PN 序列版本的缺点， 占用的存储量小， 采用 FWT 处理 很大程度降低运算量， 扩频序列可采用 m 序列生 成的复合序列， 。
3、适用于M元与PPM混合调制的扩频 水声通信， 具有很好的实时性和实用性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103684521 A CN 103684521 A 1/2 页 2 1. 一种扩频水声通信的快速精确同步方法， 其特征在于 ： 该方法具体包括以下步骤 ： 步骤一 ： 采用循环扩展的 m 序列作为帧头， 其长度为 2 倍的 m 序列信号长度， m 序列表 示为 m(L+1)/2+1 m(L+1)/2+2 mL m1 m2 m。
4、L m1 m2 m(L+1)/2， 接收端截取 1/2 帧头长度数据 处理， 即一个完整的循环移位m序列， 接收端先对接收信号x(n)与载波混频， 如公式1， 载波 频率为fc， fs为采样频率， 再对y(n)低通滤波处理， 如公式(2)， 获得复包络信号z(n)， h(n) 为低通滤波器系数 ； y(n)=x(n)exp(-j2fcn/fs) (1) 步骤二 ： 利用 m 序列图钉形的时频模糊特性， 先以大步长 f 对步骤一的复包络信号 z(n) 进行频偏粗搜索， 搜索次数如公式 (3)， 最大多普勒频偏 fmax如公式 (4)， vmax为收发 双方最大相对移动速度， c 为水下声速， 每。
5、次搜索以多普勒因子 qi对 z(n) 进行频偏修正获 得序列r， r前添0， 如公式(7)， 再经过置换矩阵P1置换后， 形成的新序列进行快速沃尔什变 换处理， 快速沃尔什变换输出结果经过置换矩阵 P2置换得 R， 完成序列匹配相关处理， 如公 式 (8)， Nf次搜索后， 相关峰最大值对应搜索频道的频偏即为估计值， 完成频率同步粗搜索， 再在粗略频率周围， 按照与粗搜索类同的方法以小步长细搜索， 获得精确的频偏， 搜索步长 如公式 (9)， 每次搜索的多普勒因子如公式 (10)， 共搜索 5 次， q 为粗搜索获得的多普勒因 子 ； r=0 rT (7) R=P2WhP1r (8) 步骤三 。
6、： 利用步骤二获得的频偏值对步骤一的复包络信号进行频偏修正， 获得的接收 序列与本地参考m序列进行滑动相关处理， 由于帧头为循环扩展m序列， 理想情况下滑动相 关结果具有二值特性， 如公式 (11)， 如果相关峰值大于预设门限值， 则捕获到帧头信号， 帧 同步完成， 相关峰位置对应的时刻就为帧头的起始时刻， 步骤二获得的频偏值即为频率同 步结果， 否则回到步骤一 ； 权 利 要 求 书 CN 103684521 A 2 2/2 页 3 步骤四 ： 分别在步骤三获得的同步时刻超前或滞后 1/2 码片时间截取帧体内第一个符 号， 先由公式 (1)、 公式 (2) 完成复包络解调， 再利用步骤二的频。
7、率同步对复包络信号频偏 修正获得接收序列 u， 由公式 (12) 得到 r， r 前添 0， 经过置换矩阵 P1置换后， 再进行快速沃 尔什变换处理， 由公式 (8) 完成序列匹配相关处理， 根据两者相关峰值大小调整第二个符 号的同步时刻， 以此类推， 进行帧体内剩余符号的时间同步跟踪， 利用步骤二获得同步时刻 截取帧体内第一个扩频符号进行复包络解调， 分别在步骤三的频率同步基础上正频偏或负 频偏， 频偏大小为 PN 序列的频率分辨率的 1/4， 对接收的序列 u 由公式 (12) 得到 r， r 前添 0， 经过置换矩阵 P1置换后， 再进行快速沃尔什变换处理， 由公式 (9) 完成序列匹配。
8、相关处 理， 根据两者相关峰值大小调整第二个符号的频偏值， 以此类推， 进行帧体内剩余符号的频 率同步跟踪。 r=uA (12) 。 权 利 要 求 书 CN 103684521 A 3 1/6 页 4 一种扩频水声通信的快速精确同步方法 技术领域 0001 本发明涉及水声通信技术领域， 具体涉及一种扩频水声通信的同步方法。 背景技术 0002 扩频技术具有扩频增益， 有着良好的抗噪声和抗多路径干扰能力， 能够在复杂多 径和低 / 负信噪比条件下通信， 被广泛应用于水声通信领域。近年来， 扩频水声通信采用 M 元扩频技术、 脉冲移位调制 PPM 等技术， 进一步提高了通信速率。通信的同步是正确。
9、解码的 前提条件， 它包括帧同步、 时间同步和频率同步等关键环节。 帧同步目的是为了找到信号帧 的起始位置和初始的频偏， 由于存在多普勒效应和收发端时钟偏差， 随时间累积导致帧体 内符号的起始位置和频率失配， 需要进一步对符号时间同步和频率同步。 0003 水声通信常利用一个线性调频脉冲信号 LFM 或伪随机 PN 序列信号 （如 m 序列） 作 为帧头， 采用滑动相关法捕获帧头。扩频水声通信为提高抗截获能力， 帧头多选择 PN 序列 信号， PN 序列相关处理对频偏敏感， 需要与本地不同频偏的 PN 序列版本进行多通道的滑动 相关处理， 通过寻找最大相关峰对应的时间位置和通道序号完成帧同步。。
10、滑动相关法实现 较简单， 但运算量大， 存储量大， 硬件实现复杂度很高。由于声波传播速率比无线电波传播 速率要低 5 个数量级， 水声信道的多普勒远大于无线电信道， 多普勒效应引起频率同步失 配的同时还使信号在时间上有较大压缩和扩展。 另外， 声吸收随着频率增加而增加， 水声通 信的频率常局限在几百 kHz 以内， 远不及无线电通信频率。无线电通信中心频率远大于通 信带宽， 可等效为窄带通信， 多普勒时间压缩和扩展效应相对很小可以忽略。 而扩频水声通 信的时间压缩和扩展累积超过 1/2 码片时间， PPM 解调发生错误并且当 PN 序列较长时， 与 本地参考的 PN 序列严重失配， 相关解扩的。
11、增益减少， 抗噪声和抗多路径干扰能力降低。因 此， 扩频水声通信对时间同步和频率同步精确度要求高， 同步处理比无线通信难度大， 无线 通信的同步技术并不能很好适用于水声通信。 发明内容 0004 本发明的目的是克服现有技术不足， 针对扩频水声通信对同步精确度要求高和水 声信道大多普勒效应的固有特点， 提供一种扩频水声通信的快速精确同步方法。 0005 本发明的目的是采用如下技术方案实现的 ： 0006 一种扩频水声通信的快速精确同步方法， 该方法具体包括以下步骤 ： 0007 步骤一 ： 采用循环扩展的 m 序列作为帧头， 其长度为 2 倍的 m 序列信号长度， m 序 列表示为 m(L+1)。
12、/2+1 m(L+1)/2+2 mL m1 m2 mL m1 m2 m(L+1)/2， 接收端截取 1/2 帧头长度 数据处理， 即一个完整的循环移位m序列， 接收端先对接收信号x(n)与载波混频， 如公式1， 载波频率为fc， fs为采样频率， 再对y(n)低通滤波处理， 如公式(2)， 获得复包络信号z(n)， h(n) 为低通滤波器系数 ； 0008 y(n)=x(n)exp(-j2fcn/fs) (1) 0009 说 明 书 CN 103684521 A 4 2/6 页 5 0010 步骤二 ： 利用m序列图钉形的时频模糊特性， 先以大步长f对步骤一的复包络信 号 z(n) 进行频偏粗。
13、搜索， 搜索次数如公式 (3)， 最大多普勒频偏 fmax如公式 (4)， vmax为收 发双方最大相对移动速度， c 为水下声速， 每次搜索以多普勒因子 qi对 z(n) 进行频偏修正 获得序列 r， r 前添 0， 如公式 (7)， 再经过置换矩阵 P1置换后， 形成的新序列进行快速沃尔 什变换处理， 快速沃尔什变换输出结果经过置换矩阵 P2置换得 R， 完成序列匹配相关处理， 如公式 (8)， Nf次搜索后， 相关峰最大值对应搜索频道的频偏即为估计值， 完成频率同步粗 搜索， 再在粗略频率周围， 按照与粗搜索类同的方法以小步长细搜索， 获得精确的频偏， 搜 索步长如公式 (9)， 每次搜。
14、索的多普勒因子如公式 (10)， 共搜索 5 次， q 为粗搜索获得的多 普勒因子 ； 0011 0012 0013 0014 0015 r=0 rT (7) 0016 R=P2WhP1r (8) 0017 0018 0019 步骤三 ： 利用步骤二获得的频偏值对步骤一的复包络信号进行频偏修正， 获得的 接收序列与本地参考 m 序列进行滑动相关处理， 由于帧头为循环扩展 m 序列， 理想情况下 滑动相关结果具有二值特性， 如公式 (11)， 如果相关峰值大于预设门限值， 则捕获到帧头信 号， 帧同步完成， 相关峰位置对应的时刻就为帧头的起始时刻， 步骤二获得的频偏值即为频 率同步结果， 否则回。
15、到步骤一 ； 0020 0021 步骤四 ： 分别在步骤三获得的同步时刻超前或滞后 1/2 码片时间截取帧体内第一 个符号， 先由公式 (1)、 公式 (2) 完成复包络解调， 再利用步骤二的频率同步对复包络信号 频偏修正获得接收序列 u， 由公式 (12) 得到 r， r 前添 0， 经过置换矩阵 P1置换后， 再进行快 速沃尔什变换处理， 由公式 (8) 完成序列匹配相关处理， 根据两者相关峰值大小调整第二 个符号的同步时刻， 以此类推， 进行帧体内剩余符号的时间同步跟踪， 利用步骤二获得同步 时刻截取帧体内第一个扩频符号进行复包络解调， 分别在步骤三的频率同步基础上正频偏 或负频偏， 频。
16、偏大小为 PN 序列的频率分辨率的 1/4， 对接收的序列 u 由公式 (12) 得到 r， r 说 明 书 CN 103684521 A 5 3/6 页 6 前添 0， 经过置换矩阵 P1置换后， 再进行快速沃尔什变换处理， 由公式 (9) 完成序列匹配相 关处理， 根据两者相关峰值大小调整第二个符号的频偏值， 以此类推， 进行帧体内剩余符号 的频率同步跟踪。 0022 r=uA (12) 0023 本发明具有以下有益效果 ： 0024 1、 相比传统方法采用多通道的滑动相关处理而言， 本发明克服了需要存储多个不 同频偏的 PN 序列版本的缺点。 0025 2、 本发明采用时间同步跟踪环和频。
17、率同步跟踪环对帧体内符号同步进一步跟踪， 提高了同步的精确度。 0026 3、 本发明采用了快速沃尔什变换处理替代序列匹配相关处理， 降低了运算量， 并 将快速沃尔什变换处理推广到由 m 序列生成的复合序列， 如 Gold 序列、 gold-like 序列和 DBCH 序列等， 拓宽了在扩频水声通信中的适用范围。 附图说明 0027 图 1 是本发明的扩频水声通信的帧结构示意图 ； 0028 图 2 是本发明的长 511 的 m 序列时频模糊图 ； 0029 图 3 是本发明的帧同步流程图 ； 0030 图 4 是本发明的 8 点快速沃尔什变换的蝶形运算结构示意图 ； 0031 图 5 是本发。
18、明的循环扩展 m 序列的滑动相关输出图 ； 0032 图 6 是本发明的帧体内的时间同步跟踪环示意图 ； 0033 图 7 是本发明的时间同步超前与滞后的快速沃尔什变换输出图 ； 0034 图 8 是本发明的帧体内的频率同步跟踪环示意图 ； 0035 图 9 是本发明的频率同步正频偏与负频偏的快速沃尔什变换输出图。 具体实施方式 0036 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明 ： 0037 图 1 为扩频水声通信帧结构， 本发明采用循环扩展的 m 序列作为帧头， 序列表示 为 m(L+1)/2+1 m(L+1)/2+2 mL m1 m2 mL m1 m2 m(L+1)/2， 接收端截取。
19、 1/2 帧头长度数据处 理， 因此一定可以截取一个完整的循环移位 m 序列。先对接收信号 x(n) 与载波混频， 如公 式 (1)， 载波频率为 fc， fs为采样频率， 再对 y(n) 低通滤波处理， 如公式 (2)， 获得复包络信 号 z(n)， h(n) 为低通滤波器系数。 0038 y(n)=x(n)exp(-j2fcn/fs) (1) 0039 0040 帧头的频率同步 ： m序列为PN序列， PN序列的模糊函数如公式(3)， B为信号带宽， T 为 PN 序列信号的时间宽度， 以长 511 的 m 序列为例， 图 2 为其时频模糊图。按照图 3 的流 程， 利用 m 序列的图钉形。
20、时频模糊特性， 先进行频率粗搜索。假设收发双方最大相对移动速 度为 vmax， 水中声速为 c， 则最大频偏 fmax如公式 (4)， PN 序列频率分辨率 f 如公式 (5)， Tc为码片的时间宽度， L 为序列长度， 粗搜索的频道数 Nf如公式 (6)。以公式 (7) 的多普勒 因子对复包络信号 z(n) 频偏修正， 获得接收序列 r。 说 明 书 CN 103684521 A 6 4/6 页 7 0041 0042 0043 0044 0045 0046 对序列r的匹配相关处理与快速沃尔什变换等效， 其实现过程是 ： r前添0， 经过置 换矩阵 P1置换后， 形成的新序列为沃尔什哈达码矩。
21、阵某一行， 新序列与沃尔什哈达码 矩阵相乘可由快速沃尔什变换实现， 以 8 点快速沃尔什变换为例， 图 4 为其蝶形运算结构。 运算量由 (L+1)2次乘加运算降低为 (L+1)log2(L+1) 次加减运算。快速沃尔什变换输出结 果经过置换矩阵P2置换得R， R与序列匹配相关处理结果一致， 如公式(9)， Wh为沃尔什哈 达码矩阵， P1、 P2均为 L+1 阶初等变换矩阵， P1由生成 m 序列的寄存器初始状态决定， P2由 经过 P1置换后于 Wh对应关系决定。Nf次搜索后， 快速沃尔什变换处理的相关峰最大值对应 搜索频道的频偏即为估计值， 完成频率同步粗搜索。 再在粗略频率周围， 按照。
22、与粗搜索类同 的方法以小步长细搜索， 获得精确的频偏， 搜索步长如公式 (10)， 每次搜索的多普勒因子如 公式 (11)， 共搜索 5 次， q 为粗搜索获得的多普勒因子。 0047 r=0 rT (8) 0048 R=P2WhP1r (9) 0049 0050 0051 帧头的时间同步 ： 利用频偏搜索获得的估计值对 z(n) 进行频偏修正， 得到的序列 与本地的 m 序列进行滑动相关处理。由于帧头为循环扩展 m 序列， 理想情况下滑动相关结 果具有二值特性， 如公式 (12)， 以长为 511 的 m 序列为例， 图 5 为其滑动相关输出。如果相 关峰值大于预设门限值， 则捕获到帧头信号。
23、， 相关峰位置对应的时刻就为帧头的起始时刻， 否则对截取下一批数据重新进行频率和时间同步， 如图 3。 0052 0053 帧体内符号的时间同步跟踪 ： 帧同步完成后， 收发双方的时钟偏差和非匀速运动 导致时间和频率同步发生较大变化， 需要对帧体内的符号同步进一步跟踪， 跟踪的方法取 决于采用的扩频序列和调制方式， 以采用复合序列的 M 元和 PPM 混合调制扩频水声通信为 例， 描述本发明同步跟踪的具体实施方法。 复合序列S的生成如公式(13)， A=diag(a1,a2, an)为对角阵， a=a1 a2 an、 b=b1 b2 bn为优选对m序列， P为循环移位矩阵， 如公式 说 明 书。
24、 CN 103684521 A 7 5/6 页 8 (14)。 M元和PPM混合调制生成的扩频符号如公式(15)，表示复值的实部， diS、 dqS 分别映射在符号的同向分量和正交分量， di作为同步跟踪的校准序列， 并携带log2(L)比特 信息， dq为 PPM 调制循环移动 k 位生成的新序列， 如公式 (16)， 可携带 2log2(L) 比特信息， G(t) 为矩形窗函数， 如公式 (17)。 0054 S=bA,bPA,bPL-1A (13) 0055 0056 0057 dq=dqPk k=1,2,L (16) 0058 0059 复合序列为伪随机序列， 具有图钉形时频模糊特性，。
25、 根据该特性可实现对时间和 频率同步跟踪。图 6 为帧体内的时间同步跟踪环， 假设帧体内的第一个符号起始时刻为 t1， 如公式 (18)， th为帧头的起始时刻， 先分别在 t1时刻超前或滞后 Tc/2 时间截取接收信号， 再由公式 (1)、 公式 (2) 完成复包络解调， 利用帧同步的频偏估计值对复包络信号频偏修正 获得序列 u， 对序列匹配相关处理， 用两者相关峰的差值调整第二个符号的起始时刻。复 合序列的匹配相关处理与快速沃尔什变换处理也等效， 公式 (19) 为复合序列的相关函数， si S， si-k S， 令 c=bPi， 得公式 (20)， 表明复合序列的相关函数等价于 c 的周。
26、期相关函 数， 由 m 序列性质可知， m 序列循环移位仍为 m 序列， 序列 c 为 m 序列， 证明复合序列的相关 函数与 m 序列的周期相关函数等价， 快速沃尔什变换可替代复合序列的匹配相关处理， 运 算量由 (L+1)2次乘加运算降低为 (L+1)log2(L+1) 次加减运算。公式 (21) 表明对 si S 右乘对角阵 A 后生成的序列相关处理与序列匹配相关处理等效， 因此具体实现时， 由公式 (22) 得到 r， r 前添 0， 如公式 (8)。经过置换矩阵 P1置换后， 再进行快速沃尔什变换处理， 由公式(9)完成序列匹配相关处理。 图7为时间超前或滞后的快速沃尔什变换输出结果。
27、， 当 e()0 则第二个符号的起始时刻延迟 Tc/4， 当 e()0 起始时刻则超前 Tc/4， 当 e()=0 则起始时刻不变。以此类推， 跟踪帧体内剩余符号的时间同步。 0060 0061 R(k)=sisi-kT 0062 =(bPiA)(bPi-kA)T 0063 =AATbPi(bPi-k)T (19) 0064 =IbPi(bPi-k)T 0065 =bPi(bPiP-k)T 说 明 书 CN 103684521 A 8 6/6 页 9 0066 R(k)=c(cP-k)T (20) 0067 R(-k)=siA(siP-kA)T 0068 =bPiAA(bPiA)P-kA)T 。
28、0069 =bPiI(bPiP-kI)T (21) 0070 =bPi(bPiP-k)T 0071 =c(cP-k)T 0072 =R(k) 0073 r=uA (22) 0074 帧体内符号的频率同步跟踪 ： 图 8 为帧体内的频率同步跟踪环， 以 t1时刻截取帧 体内第一个符号， 再由公式 (1)、 公式 (2) 完成复包络解调， 先分别在帧同步的频偏估计值 基础上正频偏 f/4 和负频偏 -f/4 并频偏修正后获得接收序列 u， 由公式 (22) 得到 r， r 前添 0， 经过置换矩阵 P1置换后， 再进行快速沃尔什变换处理， 由公式 (9) 完成序列匹配 相关处理。用两者相关峰的差值。
29、调整第二个符号的频偏。图 9 为频率同步正频偏与 负频偏的快速沃尔什变换输出， 当则频偏值增加 f/8， 当则频偏值减少 f/8， 当则频偏值不变。以此类推， 跟踪帧体内剩余符号的频率同步。 0075 除上述实施例外， 凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案， 均落在本发明要 求的保护范围。 说 明 书 CN 103684521 A 9 1/3 页 10 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103684521 A 10 2/3 页 11 图 5 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103684521 A 11 3/3 页 12 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103684521 A 12 。