专利名称：一种mfsk水声通信的多普勒测量与修正方法
技术领域：
本发明涉及声学和信号处理领域,主要是一种MFSK水声通信的多普勒测量与修正方法。
背景技术：
由于声波在水下传播的速度较慢，水声信道的多普勒非常严重，当通信收发端存在相对 运动，会引起较大的多普勒频偏和时间压縮扩展效应。在接收端，MFSK通信信号FFT变换， 如果不对多普勒频偏修正，FFT变换结果在频率轴上发生偏移，直接影响对信息的判决，引 起较大误码，同时多普勒的时间效应随时间累积发生严重的同步失配，越靠后的MFSK信号 的FFT时间截取窗偏离越大，引起较大的载波间干扰ICI。多普勒测量一般釆用单频信号， 测量的分辨率与信号的脉宽成反比，因此获得较高的频率分辨率，需要发端发射一个脉宽很 长的单频信号，占用通信时间，降低数据率，并且当通信双方的相对运动变化，利用测量出 的多谱勒频偏值，只能修正紧随单频信号的编码信号的多谱勒，对越靠后的编码信号多谱勒 修正，会引起较大误差，从而增加误码。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种MFSK水声通信的多普勒测量与 修正方法，为了减小多普勒对解码的影响，我们在编码信号中插入了多谱勒测量谱线，接收 端采用了 Zoom-FFT方法，实现高分辨率的多普勒实时测量，利用测量值可修正每个编码信 号多谱勒，降低通信误码率，该方法已在研制的MODEM中获得应用，取得良好效果。
为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的利用编码信号中的多谱勒测 量谱线，测量出的多谱勒频偏与时间压縮因子，可保证对每个编码信号修正准确，在多个编 码信号中保持测量谱线的相位连续，在接收端，截取对应的编码信号，进行Zoom-FFT处理， 可获得高分辨率的多谱勒测量值。另外，由于测量谱线的相位连续，比编码信号中的信息谱 线能量要强很多，因此测量谱线可映射在响应较差的窄频段内，而信息谱线则映射在响应好 的频段，不影响对测量谱线的检测，从而提高通信频带利用率。采用Zoom-FFT技术，先对 复基频信按照测量谱线的频率混频，再进行滤波处理，滤波器带宽设计为两倍的最大的多谱 勒频偏，即多谱勒测量范围，然后进行抽取，最后进行FFT处理，获得测量值。按照测量的 时间压縮因子，超前或滞后若干采样点，截取复基频信号，与测量的多谱勒频偏频率混频， 完成多谱勒修正。这种MFSK水声通信的多普勒测量与修正方法，具体步骤如下
(1)、 MFSK水声通信的多普勒测量谱线的映射 在MFSK通信信号的频段边缘映射两根多普勒测量谱线，如下:
顺=》xp( "(W, -〃2)expC/2<(f-O)入"^ +2" (1)
f=0
其中W)为生成的含有多普勒测量谱线的MFSK信号，r为MFSK信号的时间周期，d。和J 为这两根多普勒测量谱线的初始相位，《(m—1)/2、 4+( ,—1)/2、……、4+( ,_1)/2为信息的初始相 位'4、 4、……、《w)/2'《w+(m,2、《w+(m_1)/2、……、4+ ,为0，附的取值取决于收
发端最大的相对运动速度，多普勒测量的范围为-(i+o-1)/2)/r^A/s(i+o-i)/2)/r;
(2)多普勒测量与修正 在接收端，利用FFT对MFSK信号进行解调，先对接收的射频信号降采样，为
_y( ) = x exp(—7'2;r x /0 x " / 乂.) (2)
= (3)
= (4)
其中/。为中心频率，y;为采样频率，WW为低通滤波器系数，M为降采样因子，6(")为获
得的基频信号样本，采用Zoom-FFT，就是对感兴趣的多普勒测量谱线附近的频段进行放大， 即频率分辨率提高，而其他频段，依然采用低频率分辨率，对6(n)进行Zoom-FFT处理为
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邓C/2册z(" - A) / TV) (8)
其中/^2为多普勒测量谱线的频率，"(")为低通滤波器，带宽为2(1+(附-i)/2)/r，丄为降
采样因子，即多普勒测量周期，找到《,,2的最大值对应的位置"、2,则~=/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)
^为多普勒测量的频率分辨率，A/为多普勒频偏值，s为多普勒因子，AAA为多普勒时间效
应对相邻两个MFSK信号的复频信号偏移样本点数，緒'为相邻两个多普勒测量周期射频信 号的偏移样本点数，对6(")进行多普勒修正，为
6' (") = 60 - AA0 exp(-)2丌A/"iW /力) (15)
1 W-l W-l
^ = 一》'(w)Z exp(j'2鹏("- "/ W) (16)
对《进行判决，获得信息码元。
本发明的优点在于本发明克服了传统的单频信号测多谱勒的缺点，测量值对每个编码 信号可反映为真实值，测量谱线可映射在响应差的频段，没有占用实际的通信频段， Zoom-FFT技术可提高多谱勒测量分辨率，运算量小，占用的存储器资源也较少，工程易实 现。
图1为多普勒测量与修正示意图。 图2为DSP实现框图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对发明作进一歩说明
如图所示，这种mfsk水声通信的多普勒测量与修正方法，
(1) MFSK水声通信的多普勒测量谱线的映射 在MFSK通信信号的频段边缘映射两根多普勒测量谱线，如下:<formula>formula see original document page 7</formula>
其中^)为生成的含有多普勒测量谱线的MFSK信号，:r为MFSK信号的时间周期，4和^^
为这两根多普勒测量谱线的初始相位，1)/2、 4+(m—1)/2、……、4一一^为信息的初始相
位，《、"2、……、《》—)"，《+w 2、《w+(w-1)/2 、……、"w指为0。 m的取值取决于收
发端最大的相对运动速度，多普勒测量的范围为<formula>formula see original document page 7</formula>多普勒测量与修正
在收端，利用FFT对MFSK信号进行解调，为了减少FFT变换的点数，降低对DSP的
要求和提高实时性，需先对接收的射频信号降采样，为
<formula>formula see original document page 7</formula>其中/。为中心频率，,为采样频率，AO)为低通滤波器系数，M为降采样因子，6&)为获
得的基频信号样本。采用Zoom-FFT，就是对感兴趣的多普勒测量谱线附近的频段进行放大， 即频率分辨率提高，而其他频段，依然采用低频率分辨率，如图1所示。对6(w)进行Zoom-FFT
处理为
<formula>formula see original document page 7</formula>其中厶u为多普勒测量谱线的频率，^'(")为低通滤波器，带宽为2(l + (w-1)/2)/7\丄为降 采样因子，即多普勒测量周期，找到c4^的最大值对应的位置"、2,则
<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)
^为多普勒测量的频率分辨率，A/为多普勒频偏值，f为多普勒因子，胁为多普勒时间效
应对相邻两个MFSK信号的复频信号偏移样本点数，認'为相邻两个多普勒测量周期射频信 号的偏移样本点数，对6(")进行多普勒修正，为
= 6(" — AA0 exp(-y2;rA/"M / 乂 ) (15)
《=丄Z expC/2;z7w(" —1) / JV) (16)
对《进行判决，获得信息码元。 (3) DSP实现
图2为水声MODEM的DSP实现多普勒测量与修正，DSP选用了 TI公司的 TMS32VC5509A (简称C5509A)， C5509A的多通道缓冲串口 McBSP与内部的DMA联合， 实现零开销采集AD信号，存储在设置的乒乓RAM1，对乒乓RAM1按照式(2)、 G)、 (4) 进行降采样，获得复基频信号，存储在乒乓RAM2，对乒乓RAM2按照式(5) (14)获得 多普勒测量值A/ 、相邻两个MFSK信号的复频信号偏移样本点数AiV和相邻两个多普勒测量
周期射频信号的偏移样本点数W，按照式(15)对复基频信号进行多普勒修正和时间同步
补偿，获得式(16)的一个时频图，删除时频图的多普勒谱线，对信息谱线进行判决，恢复 信息。由图2可以看出，采用了 DMA和乒乓RAMI、 RAM2，很大程度降低多普勒测量和修 正对C5509A的存储量需求，同时也提高了解码的实时性。
以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本 发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护 范围。
权利要求
1、一种MFSK水声通信的多普勒测量与修正方法，其特征在于步骤如下(1)、MFSK水声通信的多普勒测量谱线的映射在MFSK通信信号的频段边缘映射两根多普勒测量谱线，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>Σ</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>π</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>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</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)为生成的含有多普勒测量谱线的MFSK信号，T为MFSK信号的时间周期，d0和dN+m为这两根多普勒测量谱线的初始相位，d1+(m-1)/2、d2+(m-1)/2、……、dN+(m-1)/2为信息的初始相位，d1、d2、……、d(m-1)/2，d1+N+(m-1)/2、d2+N+(m-1)/2、……、dN+m为0，m的取值取决于收发端最大的相对运动速度，多普勒测量的范围为-(1+(m-1)/2)/T≤Δf≤(1+(m-1)/2)/T；(2)多普勒测量与修正在接收端，利FFT对MFSK信号进行解调，先对接收的射频信号降采样，为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>⊗</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为中心频率，fs为采样频率，h(n)为低通滤波器系数，M为降采样因子，b(n)为获得的基频信号样本，采用Zoom-FFT，就是对感兴趣的多普勒测量谱线附近的频段进行放大，即频率分辨率提高，而其他频段，依然采用低频率分辨率，对b(n)进行Zoom-FFT处理为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>′</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</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>Σ</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>Σ</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>πm</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为多普勒测量谱线的频率，h′(n)为低通滤波器，带宽为2(1+(m-1)/2)/T，L为降采样因子，即多普勒测量周期，找到dk1、2的最大值对应的位置k′1、2，则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为多普勒测量的频率分辨率，Δf为多普勒频偏值，ε为多普勒因子，ΔN为多普勒时间效应对相邻两个MFSK信号的复频信号偏移样本点数，ΔN′为相邻两个多普勒测量周期射频信号的偏移样本点数，对b(n)进行多普勒修正，为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>Σ</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>′</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><munderover> <mi>Σ</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>πm</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>对dk进行判决，获得信息码元。
全文摘要
本发明涉及声学和信号处理领域，主要是一种MFSK水声通信的多普勒测量与修正方法，在发射端，通过映射两根多普勒测量谱线，其频率点落在编码信号的边带上，接收端只需要对编码信号的复基频信号，进行Zoom-FFT处理，获得较高分辨率的多普勒测量值，最后由测量值对复基频信号进行多普勒修正和时间同步的补偿。DSP实现设置了两级乒乓缓冲，分别存储AD采集的射频信号，和数字下变频的复基频信号，提高实时性和减少存储量。本发明的优点在于本发明克服了传统的单频信号测多普勒的缺点，测量值对每个编码信号可反映为真实值，测量谱线可映射在响应差的频段，没有占用实际的通信频段，Zoom-FFT技术可提高多普勒测量分辨率，运算量小，占用的存储器资源也较少，工程易实现。
文档编号H04B13/02GK101605001SQ200910100598
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者周士弘, 煜 姜, 张国松, 张宏滔, 峰 李, 熊省军, 田玲爱 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所