基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声通信领域，尤其设及一种能够估计移动水声通信中多普勒系数 的，基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计方法。
【背景技术】
[0002] 多普勒效应是移动通信中产生信号崎变一个重要原因，尤其是在水声信道中。水 声通信中的多普勒效应会带来高误码率的出现，甚至是完全不能实现通信任务。本发明基 于对移动水声通信中多普勒效应的估计的研究基础而提出。学者对水声通信中的多普勒估 计方法进行了较多的研究，可W归纳为两类；一是测量接收信号的频率，通过频率的偏移量 来对多普勒系数进行估计，二是根据多普勒效应引发的时域展宽或压缩的效应，通过测量 信号的时域展宽或者压缩量进行多普勒系数的估计。特别地基于CW脉冲频率测量可对水 声通信中的多普勒系数进行估计。但同时面临着在低信噪比下CW脉冲测频估计精度较低， 且易受水声信道传输函数止通带特性影响而出现估计偏差较大的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种估计精度高的，基于直接序列扩频信号载波频率测量的 多普勒估计方法。
[0004] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0005] 基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计方法，包括W下几个步骤，
[0006] 步骤一：采用伪随机序列对单频CW脉冲进行扩频调制；
[0007] 步骤二：将扩频调制信号经功率放大后形成发射信号，通过发射换能器向水中发 射；
[0008] 步骤接收端利用水听器接收信号，经滤波放大后，利用拷贝相关器对接收信号 进行时间同步，检测到时间同步后，利用本地伪随机序列对接收信号进行解扩处理；
[0009] 步骤四：对解扩后的信号进行低通滤波后，利用高分辨率计算方法测量频率值；
[0010] 步骤五：根据频率值和原载波频率值估计多普勒系数。
[0011] 本发明基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计方法，还可W包括：
[0012] 1、发射信号为：
[0013] X(t) =C(t)sin(231扣tG[0T]
[0014] 其中c(t)为伪随机序列的时域波形表达式。
[0015] 2、水听器的接收信号为：
[001引X' U)=C' (t)sin(2 3if' d
[0017] =c[(l+ 5 )t]sin[2 31 (1+ 5 )扣tG[0T']
[0018] 其中5为多普勒系数，c[(l+S)t]为接收信号的包络，sin巧31 (l+5)ft]为接收 信号的载波，接收信号脉宽的变化量为5T=vT/c，其中V为收发节点相对运动速度，C为 声速，
[0019] 所述的解扩后的信号为：
[0020] y(t) =x< (1:)c(t) =c' (1:)c(t)sin(2 3Tf' 1：)
[00引]sin(2 31f't)tG[0 門。
[0022] 3、利用高分辨率计算方法为化ip-Z变换，通过利用化ip-Z变换得到频率值估计 为/，则有估计的多普勒系数5为；
[0023]
[0024] 其中发射信号的频率为f。
[00幼有益效果；
[0026] 采用伪随机序列对CW脉冲进行了扩频处理，在接收端进行解扩后可获得一定的 扩频处理增益，因此接收信号信噪比较低时也能获得较为准确的频率估计值，进而得到较 为准确的多普勒系数估值。
[0027] 采用伪随机序列对CW脉冲扩频处理后，相比于单纯使用CW脉冲，避免了水声信道 止通带滤波效应对频率估值准确性的影响。
[002引采用伪随机序列对CW脉冲扩频处理后，由于伪随机序列自身的相关特性，能实现 分途径的多普勒系数估计。
【附图说明】
[0029] 图1为算法原理框图；
[0030] 图2为仿真采用的多途水声信道，图2(a)为多途信道结构，图2(b)为多途信道对 应的梳状滤波器型频谱，图2(c)为感兴趣频段局部放大图；
[0031] 图3为两种算法不同信噪比条件下估计结果，图3 (a)为信噪比5地时两种算法估 计结果，图3(b)为信噪比为30地时两种算法估计结果；
[0032] 图4为两种估计算法估计方差对比，图4(a)为相对运动速度为6m/s时两种算法 估计性能，图4(b)为信噪比为30地时两种估计算法估计方差；
[0033] 图5为两种算法在不同相对运动速度下的估计结果，图5(a)为相对运动速度为 2m/s时两种算法估计结果，图5(b)为相对运动速度为6m/s时两种算法估计结果；
[0034] 图6为不同载波化ip-Z变换测频多普勒系数估计结果。
【具体实施方式】
[0035] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0036] 本发明的目的在于提供一种基于直接序列扩频信号载波频率测量的多普勒估计 方法，该方法可用来估计移动水声通信中的多普勒系数。
[0037] 本发明是该样实现的：
[0038] (1)采用伪随机序列对单频CW脉冲进行扩频调制；
[0039] (2)将扩频调制信号经功率放大后通过发射换能器向水中发射；
[0040] (3)接收端使用水听器接收信号，经滤波放大后，利用匹配滤波器估计信号到达时 刻；
[0041] (4)利用上一步提供的时间基准，w及本地产生的伪随机序列对接收信号进行解 扩处理，之后经过低通滤波，采用高分辨频率计算方法测量其频率值；
[0042] (5)根据测量的频率值与原载波频率值估计多普勒系数。
[0043] 1作为本发明一种较佳的实施例，高分辨频率估计算法可采用化ip-Z变换：
[0044] 作为本发明的一种较佳实施例，基于化ip-Z变换频率测量的多普勒系数估计方 法如下。在进行移动水声通信时，可W通过对在信道中传输的通信信号进行频率测量来获 得信号的频偏值，进而得到多普勒系数的估计。假设对接收CW脉冲的频率估计为/，发射 端CW脉冲频率为f，则有估计的多普勒系数为；
[0045]
(1)
[0046]DFT的结果相当于从频域在Z平面内的单位圆上等间隔采样得到信号的频谱结 构，其频率分辨率为fs/N，其中f；为系统采样频率、N为DFT点数也即信号样本长度，因此要 其提高频率分辨率有两种途径；一是降低采样频率，二是增加信号样本长度。由式（1)可知 提高频率分辨率可有效提高多普勒系数估计精度。在实际应用的水声通信系统中采样频率 受奈奎斯特采样定理限制，而样本长度的增加会降低通信效率，因此其频率分辨率提高范 围有限。
[0047] 化ip-Z变换可计算Z平面内任一段螺旋线的Z变换，作DFT时输入点数N和输出 点数M可不相等，从而达到了频域"细化"的目的，信号的化ip-Z变换表达式为：
[0048]
(2)
[004引 式中J= 4)6為、r= ，取A0=W。= 1，有J= 6為、r= 6-姗，此时相当于计算 单位圆上一段圆弧的Z变换。相比于DFT，CZT只对感兴趣频谱范围对应的Z变换进行分 析，可给出一个更为精细的频谱刻画。设感兴趣频段为[fi4]，对应有e0=2 31fi/t、 妍=2了其中M为CZT计算的点数，0。代表了频谱分析的起点，％化表了频率分 辨率。
[0050] 对于水声通信多普勒系数估计，由于水下运动平台运动速度较低，可给出一个具 有参考价值的接收信号频谱范围，且该频谱范围较窄，可用低的计算量代价换得高的频率 分辨率，进而得到一个较为准确的多普勒系数估计。
[0051] 2作为本发明一种较佳的实施例，具体实现流程如下；
[0052] CW脉冲在水声信道中传输面临着两个问题；一是当通信距离较远时由于发射端 功率限制加上传输损失，在接收端信号信噪比较低；二是水声信道可视为相干多途信道，对 应传输函数为止通带相间的梳状滤波器，单频分量的CW脉冲有落在止带的可能性。因此基 于CW脉冲频率进行测量进而得到多普勒系数估计的方法，在水声通信领域稳健性较差，为 此本发明提出了利用伪随机序列对CW脉冲进行加扰传输的改进型算法。
[0053] 本发明提出的改进型算法在发射端利用伪随机序列对CW脉冲进行加扰，保证在 水声信道中进行传输的是宽带信号。在接收端首先利用伪随机序列进行解扩处理，获得扩 频增益后利用化ip-Z变换对解扩后的信号频率进行测量，进而得到多普勒系数的估计。
[0054]如图1所示为改进型算法的原理框图，首先利用拷贝相关器对接收信号进行时间 同步，检测到同步时刻后解扩器利