水声多径信道多普勒因子精确估计方法

Ｈ ｈ ｎｂｎ ，Ｈ Ａ Ｇ Ｊ ｎｕ ，ＭＥ Ｇ Ｑｎｗ ｉ Ｈ Ｎ ｕｆｉ Ｅ Ｃ ｅｇ ｉ ｇ Ｕ Ｎ ｉ ｇｏ ａ Ｎ ｉ ｅ，Ｚ Ａ Ｇ Ｑ ｎｅ ｇ
（ ｏｌｇ ｆＭａｉｅ，Ｎｏｔｗ ｓｅ ｏｙｅ ｈ ｉａ ｉｅｓｔ Ｃ ｌ ｅ ｏ ｒｎ ｅ ｒ ｅ ｔｒ Ｐ ｌｔｃ ｎｃ ｌＵｎｖ ｒｉ ｈ ｎ ｙ，Ｘｉ ｎ ７ ０ ２，Ｃ ｉａ ７ ａ １ ０ ｈｎ ）
重的时 、 、 变信道 。水声信道 的复 杂性 及多变性严 频 空
重 限 制 了水 声 通信 性 能 。 别 对 于 移 动 水 声 通 信 ， 特 由于
但 是 该 方 法 以及 改 进 方 法 在 多径 传 播 情 况 下 估 计 性 能
声 波 在 海 水 中 的传 播 速 度 仅 为 １ ０ ／，而航 行 器 在 ０ ｓ ５ ｍ
移 估 计 方 法 。 仿 真 结 果 表 明 ： 方 法 可 显著 提 高 水 声 多径 信道 的 多 普 勒 频 移估 计 精 度 ， 该 信道 适 应 性 强 ， 信噪 比 大 在 于一 Ｂ时 ． 计 精 度 始 终 保 持 在 １ —左 右 ， 足 高 数 据 率 水 声 通 信 对 多普 勒 因子 估 计 精 度 的 要 求 。 ５ｄ 估 ０４ 满
１ 引 言
近 年 来 ，伴 随 着 各 种 海 洋 观 测 系 统 的研 制 和 发
１０个 符 号 后 ， ０ 同步 误 差 累积 量 为 １ 符 号宽 度 。 个 对 于 高 数 据 率 的 移 动 水 声 通 信 而 言 ，必 须 首 先 估 计 出 多 普 勒 因 子 ，然 后 根 据 估 计 出 的 多普 勒 因 子对 接 收信 号 重采 样 ， 除信 号 展 宽 或 压 缩 ， 实 现 低 误 码 率 消 以 的水 下 无 线 信 息传 输 。 前 ， 于 水 声 通 信 中的 多 普 勒 当 用
假 设发射信号长度 为 Ｄ， 受多普勒 影响 的接 收 则
信 号度 Ｄ 表 示 为 可
Ｄ＝ ／ １ ａ） Ｄ （＋ （ ３）
因 此 ， 普 勒 因子 可 表 示 为 多
＝Ｄ－ １ Ｄ 厂
（） ４
由上 述 假 设 可 知 ， 帧信 号 中的 首 尾 两 个 Ｌ Ｍ 信 号 Ｆ
具 有 以下 特 点 ：
因 子估 计 最 典 型 的 方 法 即 文 献 ［］ 提 方 法 ， 在 通 信 ３所 即
展 ， 界 各 国对 水 声 通 信 技 术 的要 求 非 常 迫 切 。 声 通 世 水
信技术可用于科学数据的搜集 、 洋环境监测 、 海 自然 灾
害 预 警 、 洋 资 源 探 测 和 开 采 、 下 图像 、 频 传 输 及 海 水 视 数 字 化 海 洋 等Ｉ 。
【 金 项 目】西 北 Ｔ 业 大 学 基 础 研 究 基 金 项 目 （Ｃ ０ ０ ７ 基 Ｊ ２ １２ ）
提高多普勒因子估计精度 。
２ 常规 多普 勒 因子估 计 方 法
水 声 通 信 的 载 波 跟 踪 和 符 号 同步 受 多 普 勒 干 扰 严 重 。 于 宽 带水 声 信 号 ， 对 多普 勒 频 移 对 每 个 频 率 分 量 的 绝 对 值 是 不 一 样 的 ，将 导 致 接 收 信 号 的 压 缩 或 扩 展 ，
ｕｎ ｒ ｔｒ ｃ ｓｉ ｃ ｍｍｕｎ ｃ ｔｏ ． Ｔｈ ｐｅ ｏ ａ ｃ ｏ ｕｒｅ Ｄｏ ｐ ｅ ｈｆ ｅ ｔｍ ａｉ ｓ ｈ ｍｅ ｅｃｉ ｉ ｍｕ ｐ ｔ ｄｅｗａｅ ａ ｏｕ ｔｃ ｏ ｉ ａｉ ｎ ｅ ｆ ｍ ｒ ｒ ｎ ｅ ｆ ｃ ｒｎｔ ｐ ｌｒｓ ｉ ｔ ｓｉ ｔｏｎ ｃ ｅ ｄ ｌ ｎｅ ｎ ｈｉ ａ ｈ ｃ ｎ ｅ ．Ｔｏ ｅ ｏ ｖ ｔ ｓ ｒ ｂｌｍ ， ａ ｎｏ ｅ ｃ ｕｒ ｔ Ｄｏ ｌｒ ｈｉ ｅ ｔ ａｉ ｍ ｅｈ ｉ ｐｒ ｏ ｅ ｈａ ｎ １ ｒ ｓ ｌ ｅ ｈｉ ｐ ｏ ｅ ｖ ｌａ ｃ ａｅ ｐｐ ｅ ｓ ｆ ｓｉ ｔ ｔ ｍ ｏｎ ｔ ｏｄ ｓ ｏｐ ｓ ｄ， ｗｈ ｃ ｃ ｎ ｅ ｕｏ ｉ ｈ ａ ｂ ａ ｔ— ｍ ａｃ ｅ ｄｆｅ ｅ ｍｕｌｉ ｔ ｃ ｎ ｌ． Ｓ ｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｔ ｓ ｗ ｔ ｔ ｈ ｐ ｏ ｓ ｄ ｔ ｈ ｄ ｉｆｒ ｎｔ ｔｐａｈ ｈａ ｎｅｓ ｉ ｌ ｔｏ ｅ ｕｌｓ ｈｏ ｈａ ｔ ｅ ｒ ｐｏ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｓ ｕ ｔｂ ｅ ｏ ｕｎ ｒ ａｅ ｔ ｏ ｉ ｓ ｉａ ｌ ｆｒ ｄｅ ｗ ｔｒ
如下 ：
Ｌ Ｍ 信号可表示 为 Ｆ
，
（ ）在判 断 信 号 到 达后 ， 发 射 信 号 的 长 度 Ｄ， １ 按 取
ｓｔ＝ｉ（￣ ｌ （）ｓ ２ｒ抖 ｎ ｆ
） ∈［ ， ，ｔ ０ ７ ］
（） ５
尾部 Ｌ Ｍ信号 ， Ｆ 与首端 Ｌ Ｍ 作互相关 Ｆ
式 中 为 Ｌ Ｍ 信号 的起 始频率 ， Ｆ 为线性调频 信号 的 调制率 ，＞ ０为正调频 ，＜ 为 负调频 ， ／Ｏ ｘ 为信号脉 冲宽 度， 信号带宽为 Ｂ， 有如下关 系成立
【 ｓ ａ ｔ Ｄ ｐ ｌ ｆ ｃｓｃｕｅ ｙｍｏｏ ｆ ｎ ｅｗ ｔｒｐａ ｏｍ ｉ ｏ ｅｍａ ｂｔｃ ｏ ｅｉ ｌ ｈ ｈ ｄｔ ｒｔ Ａｂｔ ｃ】 ｏｐｅ ｅ ｅｔ ａ ｓｄ ｂ ｔ ｎ ｏ ｕ ｄｒａｅ ｌｆｒ ｓ ｎ ｉ ｏ ｓ ｌ ｆｒｒｌ ｂｅ ｉ ａ ａ ｒ ｒ ｆ ｉ ｔ ｎ ａｅ ａ ｇ ａ ｅ
其匹配滤波器输出的相关 波形在时间上发 生位移 。但 是， 由于大 多普勒 因子 和多径传 播 的影 响 ， 按照该 常
【 键 词 】 水 声通 信 ； 多 普 勒 因 子 ； 延迟 互 相 关 ； 多 径 关
【 图分 类号 】Ｔ ５ 中 Ｂ６ 【 献 标 识 码 】Ａ 文
Ａ ｃ ｕｒ ｅ ｏ ｃ ａｔ Ｄ ｐｐｌｒ ｅ Ｆａｃ ｏ ｔｍ ａ ｉ ｔ ｒ Ｅｓ ｉ ｔｏｎ ｏｒ ｆ Ｍ ｕ ｔｐａｔ Ｕｎｄｅ ｗａｔ ｒ ｃ ｕｓｉ Ｃ ｈａ ｌｉ ｈ ｒ ｅ Ａ ｏ ｔｃ ｎｎｅｓ ｌ
（） ７
如 果 将 首 尾 两 个 Ｌ Ｍ 信 号 进 行 互 相 关 处 理 ， 可 Ｆ 即 得 到 尖 锐 的相 关 峰 ，且 不 存 在相 关 峰 值 下 降 和 分 裂 的
现 象 ， 图 ２所 示 。先 给 出 以下 假 设 ： 如
式 中 ，（） ｓ ￡表示 发射 信 号 ，（） ｒ 表示 接 收到 的 具 有 多 普 勒
ａ ｏ ｓ ｉ ｃ ｍｍ ｕ ｃ ｔｏ ｃ ｕ ｔｃ ｏ ｎｉ ａ ｉ ｎ．
【 ｙ ｗｏｄ 】ｕ ｄ ｒａ ｒａｏ ｓｃ ｃｍ ｕ ｉａｏ ；Ｄ ｐ ｌｒｓｉ；ｄｌｙｃｒ ｌ ｉ ；ｍｕ ｉａ Ｋｅ ｒ ｓ ｎｅ ｔ ｃｕｔ ｏ ｍ ｎｃｔ ｎ ｏｐｅ ｈ ｔ ｅａ ｏ ｅ ｔ ｎ ｗ ｅ ｉ ｉ ｆ ａｏ ｈｐｔ ｈ
由 式 （ ） 知 ， 献 ［ 所 提 时 域 相 关 估 计 接 收 数 ４可 文 ３ 】 据 帧 长 的方 法 如 图 １ 所示 。估 计 接 收信 号长 度 的方 法
（） 个 Ｌ Ｍ 信号受相 同的多 普勒频移 影响 ， １两 Ｆ 在 不 同 的多 普 勒 频 移 条件 下 ， 具 有 良好 的互 相 关特 性 。 均 （ ） 个 Ｌ Ｍ 信号 受 相 同 的水声 多 径 信 道 的影 响 ， ２ 两 Ｆ 可 以 自动 匹 配 不 同 的水 声 多 径 信 道 。 （ ）由于 时 间 展 宽 或 压 缩 ， 个 Ｌ Ｍ 信 号 互 相 关 ３ 两 Ｆ
论文・
（ 北 工 业 大 学 航 海 学 院 ， 西 西 安 ７ ０７ ） 西 陕 １０ ２
【 摘 要 】 由水 下 平 台运 动 导 致 的 多 普 勒 效 应 是 影 响高 数 据 率 水 声 通 信 性 能 的 主 要 因 素 ， 有 多普 勒 估 计 方 法 在 现 复杂 水 声 多径 信 道 条 件 下估 计 精 度 急 剧 下 降 。 针 对 此 问题 ， 出 了 一种 可 自动 匹 配 水 声 多径 信 道 的 精 确 多普 勒 频 提
电声技 ２ ０ 第 ４ 第 ２ ｌ ７ ０ － ３卷 １ ｂ／ １ ￣ 期Ｉ ｌ 一
水 声 工 程
晌 ＠０ 圃 ＠ ，
＠⑥凹 瑚＠ 匡响⑨６ ￥ 回＠＠嗍响⑨
多 普 勒 的影 响 通 常 建 模 为
ｒ￡ ［１ ａ）］ （） （ ＋ ｔ （） １
ｒｔ＝ ｘ ［１ ｏ）ｌｎ ｔ （） ｈ ｓ（ ＋ｚｔ （） ＋
水 下 的 运 动速 度 通 常 为 １５ １ ／。相 对 来 说 ， 行 器 ．～ ５ｍ ｓ 航
急 剧 下 降 。 对 这 一 问题 ， 者 提 出 了一 种 适 用 于水 声 纠‘ 笔
多 径 信 道 的 多 普 勒 因子 精 确 估 计 方 法 ，该 方 法 可 显 著
间较 高 的相 对 运 动速 度 和 声 波 在 水 中较 低 的传 播 速 度 导致 了通 信 信 号 的时 间展 宽 或 压 缩 。对 于 水 下 低 速 运 动平 台 ， 通 信 信 号时 间 展 宽 或 压 缩 量 为 ０１ ，而对 其 ． ％ 水 下 高 速 运 动 平 台 ，其 通 信 信 号 的 时 问 展 宽 或 压 缩 量 可达 １ ％。通 信 信 号 的 时 间展 宽或 压 缩 ， 导致 符 号 同 将 步误 差 累积 。 时 间展 宽 或 压 缩 量 为 １ ， 影 响为 在 如 ％ 其
水声 工程 ／ 、
＠ 圈 ＠
＠ ⑨凹ｓ 瑚＠ 匡嗡 ＠＠ ６ ６ 响
文章 编 号 ： ０ ２ ８ ８ （ ０ ０ １ — ０ ７ ０ １ ０ — ６ ４ ２ １ ）２ ０ ５ － ３
水声多径信道 多普勒 因子精确估计方法
何成兵 ， 建 国， 庆微 ， 黄 孟 张群 飞
・
Ｂ ＩＴ ＝ ￣ （） ６
Ｃ（） （＋） （＋ ）ｔ ｌ ＝ｆ ｆ ｒｒ ｔ Ｄ ｄ ｔ ｒ ０ ｌｏ ｏ
（） ８
根据 式 （ ） 通过 帧信 号长度 的变 化可 以估计 出 ４，
多 普 勒 因子 。 用 Ｌ Ｍ 信 号 的 原 因 在 于其 相 关 峰尖 采 Ｆ 锐 ， 对 多普 勒 因子 不 敏感 。当 出 现小 多 普 勒 因子 时 ， 且
水 声 信道 一般 可 以表 征 为 带 宽 有 限 、多 径 干 扰 严
信 号 前 后 分 别 插 入 两 个 线 性 调 频 信 号 ，在 接 收端 相 关
检 测 利 用 首 尾 两 个 相 关 峰 之 间 时 间 筹 的变 化 估 计 多普
勒 冈子 。 后 出现 以该 方 法 为 基 础 的一 些 改 进 方 法 ， 随
频 移 的 信 号 ， 表 示 多普 勒 因 子 ， 示 为 表
Ｏ ＶＣ Ｌ ／ ＝ ． （） ２
（）各 路 径 的 多普 勒 因 子 接 近 。 １ （）水 声 信 道 和 多 普 勒 因 子 在 数 据 帧 持 续 时 间 ２
内不 变 。
式 中 ， 是 声 速 ， 是 发 射 和 接 收 机 相 对 径 向速 度 。 ｃ Ｖ
为部分互相关 。
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是在数据帧前后各插入一个 已知 Ｌ Ｍ信号 ， Ｆ 用相关器 计算 Ｌ Ｍ信 号与接 收信号 的相关 函数 ， Ｆ 检测 出相关器 输 出的两侧 峰值 的时 间间 隔即可测 出接 收数据 帧长
度 ， 而 估 计 出 Ｄ。 从
如 图 ３ 示 给 出 了不 同 多 普 勒 因子 时 ，其 延 迟 互 所 相 关 输 出峰 值 相 对 于 波 形 中 心 点 的位 置 发 生 变 化 ， 根 据 这 一 位 置 的大 小 ， 以估 计 出 多 普 勒 因 子 ， 体 流 程 可 具