一种水声通信的信号同步方法、系统及水声通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，尤其涉及一种水声通信的信号同步方法、系统及水声 通信系统。
【背景技术】
[0002] 公知地，在通信系统中，为实现通信，发射机和接收机之间必须建立统一的时间标 准，即实现同步，才能对信号进行检测、解译码等操作。
[0003] 在数字化的通信系统中，通常采用帧传输方式，信号同步包括帧同步、频率同步。 帧同步用以对每一帧的起止位置进行定位；频率同步是对帧同步后的信号进行频率偏移的 估计、然后进行频率补偿，以使得多普勒频移能够控制在一定范围内，保证接收机对信号的 正确恢复。
[0004] 在水声通信系统中，由于水声信道是一个频率选择性的和时间选择性的衰落信 道，其存在严重的多普勒频移，并且传输带宽严重受限，多径严重。这些因素将会影响水声 通信系统的信号同步效果，从而影响到信号解调效果，增加系统误码率，因此，信号同步是 实现水声相位相干通信的关键技术。
[0005] 现有技术中，水声通信系统的一种帧同步和频率同步的实现方式是：在每一帧的 帧头插入同步头，同步头是包括成对伪随机码的信号，成对伪随机码之间的间隔为固定时 间间隔T。首先，接收机通过相关运算实现帧同步，具体来说，接收机定义一同步评价函数， 该同步评价函数与伪随机码发送信号-接收信号的互相关函数有关、并与伪随机码接收信 号的能量函数有关，接收机通过在每一信号帧内寻找同步评价函数的单峰值，确定对应的 互相关函数的时间间隔，从而估计每一信号帧的起始点，实现帧同步。之后，接收机求解成 对伪随机码的到达位置，通过测量时间间隔T的变化量来实现多普勒频率估计。最后，接收 机采用宽带信号补偿法补偿信号的频率偏移，得到经帧同步和频率同步后的最终信号。
[0006] 但由于水声通信环境复杂，各种随机因素（如噪声和多径等）对同步评价函数的 单峰位置的估计存在较大干扰，使得成对伪随机码的达到位置难以准确估计，造成帧同步 精度低的问题，进而增加了系统误码率。
【发明内容】
[0007] 本发明实施例的目的在于提供一种水声通信的信号同步方法，旨在解决在信号帧 内寻找同步评价函数的单峰值以估计信号帧的起始点，来实现帧同步的方式下，由于水声 环境干扰，存在帧同步精度低的问题。
[0008] 本发明实施例是这样实现的，一种水声通信的信号同步方法，所述方法包括：
[0009] 步骤A1、获取经模/数转换后的信号帧，所述信号帧包括顺次发送的前导帧和数 据，所述前导帧又包括顺次发送的两个相同的伪随机码；
[0010] 步骤A2、在所述信号帧内寻找同步评价函数的两个峰值，若所述两个峰值出现在 前一伪随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的时间间隔；
[0011] 步骤A3、由最终记录的所述时间间隔估计所述信号帧的起始点，实现帧同步。
[0012] 本发明实施例的另一目的在于提供一种水声通信的信号同步系统，所述系统包 括：
[0013] 获取模块，用于获取经模/数转换后的信号帧，所述信号帧包括顺次发送的前导 帧和数据，所述前导帧又包括顺次发送的两个相同的伪随机码；
[0014] 双峰评估模块，用于在所述信号帧内寻找同步评价函数的两个峰值，若所述两个 峰值出现在前一伪随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的时间间 隔；
[0015] 帧同步模块，用于由最终记录的时间间隔估计所述信号帧的起始点，实现帧同步。
[0016] 本发明实施例的另一目的在于提供一种水声通信系统，包括发射机和接收机，所 述接收机包括顺次连接的换能器、前置放大单元、正交解调单元、模/数转换单元和处理 器，所述处理器包括如上所述的水声通信的信号同步系统。
[0017] 本发明提出的水声通信的信号同步方法及系统对现有水声通信系统的帧同步方 法进行了改进，通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信号帧的起始点，这 样便降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧同步估计的干扰，提高了帧同步估计精度， 降低了系统误码率，特别适用于基于OFDM技术的水声通信系统。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明实施例提供的水声通信的信号同步方法的流程图；
[0019] 图2是本发明实施例中，获取到的信号帧的格式图；
[0020]图3是本发明实施例提供的水声通信的信号同步系统的结构图。
【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0022] 本发明提出的水声通信的信号同步方法对现有水声通信系统的帧同步方法进行 了改进，通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信号帧的起始点。
[0023] 图1示出了本发明实施例提供的水声通信的信号同步方法的流程，包括以下步 骤：
[0024] Sl :获取经模/数转换后的信号帧。
[0025] 本发明中，如图2所示，每一信号帧包括顺次发送的前导帧和数据，前导帧和数据 之间间隔一段时间，前导帧又包括顺次发送的两个相同的伪随机码，前一伪随机码与后一 伪随机码之间间隔一段时间。
[0026] S2:在信号帧内寻找同步评价函数的两个峰值，若两个峰值出现在前一伪随机码 和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的时间间隔。
[0027] 一般地，同步评价函数Q⑷定义为：
[0028]
【主权项】
1. 一种水声通信的信号同步方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤A1、获取经模/数转换后的信号帖，所述信号帖包括顺次发送的前导帖和数据，所 述前导帖又包括顺次发送的两个相同的伪随机码； 步骤A2、在所述信号帖内寻找同步评价函数的两个峰值，若所述两个峰值出现在前一 伪随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的时间间隔； 步骤A3、由最终记录的所述时间间隔估计所述信号帖的起始点，实现帖同步。
2. 如权利要求1所述的水声通信的信号同步方法，其特征在于，所述同步评价函数 Q(d)定义为；
其中，C(d)为前导帖发送信号-接收信号的互相关函数，E(d)为前导帖接收信号的能 量函数，且有：
其中，N为每一伪随机码的长度，s(m)为水声通信系统中发射机发出的前导帖信号，r(m)为水声通信系统中接收机接收到的前导帖经解调后的信号，d为互相关函数C(d)的时 间间隔。
3. 如权利要求2所述的水声通信的信号同步方法，其特征在于，所述步骤A2包括： 步骤A21、顺次输入一组连续的时间间隔di、d2、KK屯； 步骤A22、在每一时间间隔中下，计算同步评价函数Q(di)和Q(di+L)，其中1《i《n，L为前一伪随机码的码头与后一伪随机码的码头之间的间隔时长； 步骤A23、当Q(di)和Q(di+L)分别大于第一阔值时，记录对应的时间间隔中。
4. 如权利要求3所述的水声通信的信号同步方法，其特征在于，所述步骤A23之后，所 述方法还包括： 步骤A24 ;计算Q(di)与Q(di+L)之和。 步骤A25;当所述Q(di)与Q(di+L)之和大于第二阔值时，记录对应的时间间隔中。
5. 如权利要求1至4任一项所述的水声通信的信号同步方法，其特征在于，所述步骤 A3之后，所述方法还包括： 步骤A4 ;基于宽带信号复自相关法，对所述帖同步后的信号帖进行频率估计； 步骤A5;基于所述频率估计的结果，对经所述帖同步后的信号帖进行重采样，实现多 普勒补偿。
6. 如权利要求5所述的水声通信的信号同步方法，其特征在于，所述步骤A4表示为： Df_estimate=angle(C(n'））/(2plVfs) 其中，Df_estimate为频率估计值，f；为接收机对接收到的信号帖的采样频率，C(n'） 表不为：
其中，r2(n'）为前一伪随机码对应的接收信号，ri(n'）为后一伪随机码对应的接收信 号，n1 !0，1，...，,￥-1}，且有； ri(n'）=S(n'）eJ(2口0址处乃）+讯1(n)r] (n')二s(n')ej化Df(n' +L) /fs+j+W2(n') 其中，s(n'）为伪随机码对应的发射信号，Df为水声通信系统中发射信号和接收信号 之间的频率偏差，j为水声通信系统中接收机解调时不同步带来的相位误差，wi(n'）为前一 伪随机码对应的接收端噪声信号，W, (n'）为后一伪随机码对应的接收端噪声信号。
7. -种水声通信的信号同步系统，其特征在于，所述系统包括： 获取模块，用于获取经模/数转换后的信号帖，所述信号帖包括顺次发送的前导帖和 数据，所述前导帖又包括顺次发送的两个相同的伪随机码； 双峰评估模块，用于在所述信号帖内寻找同步评价函数的两个峰值，若所述两个峰值 出现在前一伪随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的时间间隔； 帖同步模块，用于由最终记录的时间间隔估计所述信号帖的起始点，实现帖同步。
8. 如权利要求7所述的水声通信的信号同步系统，其特征在于，所述系统还包括： 频率估计模块，用于基于宽带信号复自相关法，对所述帖同步后的信号帖进行频率估 计； 补偿模块，用于基于所述频率估计的结果，对经所述帖同步后的信号帖进行重采样，实 现多普勒补偿。
9. 一种水声通信系统，包括发射机和接收机，所述接收机包括顺次连接的换能器、前置 放大单元、正交解调单元、模/数转换单元和处理器，其特征在于，所述处理器包括如权利 要求7或8所述的水声通信的信号同步系统。
10. 如权利要求9所述的水声通信系统，其特征在于，所述水声通信系统是基于OFDM技 术的水声通信系统。
【专利摘要】本发明属于水声通信领域，提供了一种水声通信的信号同步方法、系统及水声通信系统。该方法及系统通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信号帧的起始点，相对于同步评价函数的单峰值评价方式，降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧同步估计的干扰，提高了帧同步估计精度，降低了系统误码率。
【IPC分类】H04L27-26
【公开号】CN104796370
【申请号】CN201510125539
【发明人】曾锋, 董雷, 白峻, 张学磊, 冯杰, 石建飞, 刘德铸
【申请人】中国电子科技集团公司第三研究所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年3月20日