一种移动水声通信的多普勒因子测定方法.pdf

一种移动水声通信的多普勒因子测定方法，涉及移动水声通信。在发送数据帧结构中插入多个频点的单频信号作为多普勒因子的探测信号；通过对FFT变换后得到的频谱中最大幅值谱线的检索，计算出待计信号的频率，检测精度为一个FFT分辨率的精度；引入初始角频率可调的FFT变换，调整FFT变换的初始角频率，使FFT变换得到的频谱的谱线位置逐步逼近待检测的单频信号，每调整一次初始角频率，计算获得相应的FFT变换后的频谱泄漏，通过找到频谱泄漏最小的FFT频谱所对应的初始角频率值，获得探测信号频率高精度的测定结果；对接收到的多个探测信号的频率检测，以获得信号经过通信信道后的频率偏移，计算得到多普勒因子的测定值。

1.  一种移动水声通信的多普勒因子测定方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在发送数据帧结构中插入多个频点的单频信号作为多普勒因子的探测信号；
2)利用传统的基于FFT对探测信号频率进行粗检测：通过对FFT变换后得到的频谱中最大幅值谱线的检索，计算出待计信号的频率，此时，检测精度为一个FFT分辨率的精度；
3)引入初始角频率可调的FFT变换，调整FFT变换的初始角频率，使FFT变换得到的频谱的谱线位置逐步逼近待检测的单频信号，以减小小传统FFT变换的频谱泄漏，每调整一次初始角频率，计算获得相应的FFT变换后的频谱泄漏，最后，通过找到频谱泄漏最小的FFT频谱所对应的初始角频率值，获得探测信号频率高精度的测定结果；
4)对接收到的多个探测信号的频率检测，以获得信号经过通信信道后的频率偏移，计算得到多普勒因子的测定值。

一种移动水声通信的多普勒因子测定方法
技术领域
本发明涉及移动水声通信，具体是涉及基于快速傅立叶变换(FFT)的一种移动水声通信的多普勒因子测定方法。
背景技术
目前，移动水声通信技术还处在一个起步阶段，这是因为声波在水中的传播速度低(约1500m/s)，收发端的任何相对移动都会给水声通信系统带来强烈的多普勒因子，造成接收信号的频率偏移和扩散，导致接收数据较高的无码平台。同时，水声信道强多径、高噪声的特点使得在水声通信系统中多普勒因子的检测变得非常困难。随着现代军事的发展和人类利用和开发海洋步伐的加快，移动水声通信技术在水下军事领域、海洋信息采集与传输等实际的水下通信系统中有着广泛的应用前景。因此，移动水声通信系统中多普勒因子的检测一直以来是水声通信领域的研究热点。
基于快速傅立叶变换(FFT)谱分析的多普勒因子检测算法也有着广泛的研究进展。在频域，多普勒因子可以被描述为
a＝Δf_i/f_i
其中，f_i是通信频带内的任意频点而Δf_i是在该频点处产生的频率偏移，因此多普勒因子同样可以通过检测接收信号任意频点的频率偏移而获得。通过快速傅立叶变换(FFT)对接收的导频信号进行频率检测以获得多普勒因子是行之有效的方法之一。这种算法原理清晰，计算量小，实时性较强，但受到FFT频谱泄漏的限制，其检测精度仅为FFT分辨率的大小。单纯依靠加大有效数据点数来提高频率检测的精度，一方面加大了运算的复杂程度，更重要的是，在实际应用中，传输的有效数据点数往往受多方面因素限制，不能随意加大，故该方法很难达到理想的检测精度。为了提高算法检测精度，很多基于FFT的改进算法如：加窗FFT算法、插值FFT算法(interpolated FFT)、Zoom-FFT算法被相继提出。这些算法在不同程 度上提高了算法的检测精度，但FFT变换后产生的频谱泄漏仍未得到有效的解决，算法精度仍然在不同程度上受限于f_s/N_FFT，因此，在不增加数据长度的前提下，有效的提高检测算法的精度仍是基于FFT的频率检测算法亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有的水声多普勒因子检测方法的不足，本发明旨在提供抗噪声、抗多径性能良好，检测精度高，能够适应水声通信环境的基于快速傅立叶变换(FFT)的一种移动水声通信的多普勒因子测定方法。
本发明包括以下步骤：
1)在发送数据帧结构中插入多个频点(以抵抗频率选择性衰落对探测信号的影响)的单频信号作为多普勒因子的探测信号；
2)利用传统的基于FFT对探测信号频率进行粗检测：通过对FFT变换后得到的频谱中最大幅值谱线的检索，计算出待计信号的频率，此时，检测精度为一个FFT分辨率的精度；
3)引入初始角频率可调的FFT变换，调整FFT变换的初始角频率，使FFT变换得到的频谱的谱线位置逐步逼近待检测的单频信号，以减小小传统FFT变换的频谱泄漏，每调整一次初始角频率，计算获得相应的FFT变换后的频谱泄漏，最后，通过找到频谱泄漏最小的FFT频谱所对应的初始角频率值，获得探测信号频率高精度的测定结果；
4)对接收到的多个探测信号的频率检测，以获得信号经过通信信道后的频率偏移，计算得到多普勒因子的测定值。
本发明具有以下突出优点：
1)实现了在不增加数据长度的前提下算法精度的提高；
2)有效对抗水声多径信道，具有较强的抗频率选择性衰落、抗多径干扰的特点；
3)本发明集成移动水声通信系统中，具有功耗低、算法精度高、实时性强、灵活方便等特点，特别适用于收发端相对运动时的水声通信系统使用。
附图说明
图1为本发明提出的“初始角频率可调的FFT”与“标准FFT”在Z平面内单位圆上的变换曲线的对比图。在图1中，图(a)为标准FFT，图(b)为初始角频率可调的FFT。
图2为单频探测信号在标准FFT变换后的离散谱示意图。
图3为调整FFT变换初始角频率后的离散谱示意图。
图4为多普勒因子检测流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
1.利用提出的频率检测算法对探测信号(单频信号)进行频率检测。
令s(t)代表一个频率为f₀的单频信号，s(t)＝A₀cos(2πf₀+θ₀)，w(t)表示一个窗长为T_w的矩形窗：
w(t)=1,0≤t≤Tw0,otherwise---(1)]]>
这样，长度为T_w的有限长单频信号可以表示为：
x(t)＝w(t)·s(t)      (2)
定义初始角频率可调的FFT为FFT_ω，其变化表达式如公式(3)，FFT_ω与标准FFT变换在Z平面内单位圆上的变换曲线的对比图见图1。
X(k)=FFT[x(n)]=Σn=0N-1x(n)e-j2πnk/N,k=0.1,...,N-1.---(3)]]>
提出的算法实现对单频信号的频率检测流程包含如下几步：
(1)以初始角频率ω0m=m2πNωM,m=-M/2,...0,...,M/2-1]]>对待检测的单频信号序列x(n)进行M次FFT_ω变换，得到：
Xm(k)=Σn=0N-1x(n)[e-j2πnkNe-jm2πnNωM],m=-M/2,...0,...,M/2-1,k=0,1,...,Nω/2-1.---(4)]]>
(2)将x(n)=x(t)|t=0,Ts,2Ts,...,(Nω-1)Ts]]>代入公式(4)得到：
Xm(k)=A2[ejθ0e-jπTω(kfsNω+mfsNωM-f0)Tω·sinc[Tω(kfsNω+mfsNωM-f0)]]m=-M/2,...0,...,M/2-1,k=0,...,Nω/2-1;---(5)]]>
(3)对于每一次FFT_ω变换后得到的谱线，搜索得到则对应的频谱泄漏的能量为：
Jm(k)=Σk|Xm(k)|2,k=0,...,Nω/2-1,k≠k^m.---(6)]]>
(4)在M次变换之后，可以得到理论上，当M→∞，有：
limM→∞Jm^(k)=0---(7)]]>
此时，可知第次FFT_ω变换后的频谱能量完全集中于单一频点即此时的加窗单频信号变换后得到的频谱不存在频谱泄漏。这样，就得到了最终的频率检测值：
f^0=k^m^fsNω+m^fsNωM---(8)]]>
而此时的系统误差∈为零。然而，在实际算法实现中，不可能对x(n)进行无限次FFT_ω变换，此外，实际需求中，也不需要进行大量的FFT_ω变换。通过观察公式(8)不难发现，检测值的分辨率由决定，只需要令M＝M′足够大以满足算法检测精度的需要即可。这样，提出的算法的最终检测误差为
∈=|f^0-f0|=|k^m^fsNω+m^fsNωM′-f0|---(9)]]>
图3给出了利用提出的方法对加窗信号x(n)进行FFT_ω变换得到的频谱，通过图2与图3的对比可见，通过变换初始角频率ω₀的调整，频谱泄漏得到了最小化，而系统误差∈也显著减小。
2.基于上述频率检测算法，以下阐述多普勒扩展因子的检测方法
多普勒因子的大小由多普勒扩展因子a来描述：
a＝v/c       (10)
其中v是多普勒速度(通信发射端与接收端的相对运动速度)，而c是声波在海水中的传播速度。在宽带多载波通信系统中，多普勒因子对不同频点f_p引入频率依赖性的多普勒频移：
f_p′＝f_p(1+a)     (11)
这样，检测宽带系统多普勒扩展因子的问题就可以转化为一个检测单频信号频率偏移的问题。基于这一思想，设计了以下的多普勒扩展因子检测方法：
(1)设计一组频率分别为f₁，f₂，...，f_P单频信号序列s₁(t)，s₂(t)，...，s_P(t)作为探测信号插入待发送的数据信号中，探测信号的频率均为FFT频率分辨率的整数倍；
(2)在接收端，提取接收到的探测信号并采样得到x₁(n)，x₂(n)，...，x_P(n)；
(3)假设水声通信系统的接收信号是一个平稳随机过程，那么可以通过傅立叶变换得到其频谱。这样，就可以通过上一小节提出的频率检测算法，对每一个单频信号序列x_p(n)，p＝1，...，P.进行频率检测，得到每一个单频信号的频率偏移
(4)最后，基于公式(12)得到多普勒因子的检测值：
a^=1PΣp=1Pf^p-fpfp---(12)]]>
整个检测方法的实现流程如图4所示。