[发明专利]一种用于合成孔径水声通信的多普勒补偿方法及系统

说明书

技术领域:

本发明属于水声通信领域，具体涉及一种用于合成孔径水声通信的多普勒补偿方法及系统。

背景技术

“合成孔径”这一概念最初源于雷达，其基本原理是利用雷达与目标的相对运动获得高空间分辨力。国外学者将“合成孔径”技术应用于水声通信，实现了与PSK通信体制、多载波体制的结合，试验证明取得了较好的结果。在这里，合成孔径技术并非是为了增加孔径尺寸，而用以取得空间分集，称这种通信方式为合成孔径通信(Synthetic Aperture Communication,SAC)。在水声合成孔径通信中，由收发节点间的相对运动形成虚拟子阵，这样SAC系统使用两个阵元即可取得空间分集，简化了系统设备，节约了成本。

在浅海水声通信中，信噪比低，多径干扰强，是最为恶劣的无线通信信道之一，因此通常采用非相干检测或扩频技术进行传输。针对远程水声信道的特点及系统的要求，通过将合成孔径技术与直接序列扩频通信体制相结合，取得空间分集增益，提高输出信噪比，并有效地抵抗由多途传播引起的频率选择性衰落。但是，发射和接收节点之间的相对运动造成的多普勒是无法避免的，多普勒对系统性能的影响尤为严重，不仅会使得多路信号无法实现相关合并，导致空间分集增益降低，而且扩频码的压缩和扩展使得扩频增益大幅下降，误码率增大。因此，精确的运动补偿在合成孔径扩频通信系统中尤为重要，是其性能得以发挥的前提和保障。

H.C.Song等人采用DFPLL相位跟踪的方法来实现对多普勒的粗估计，但是该方法只适用于载体运动速度较小的情况。袁兆凯等人提出利用线性调频Z变换对训练序列进行谱估计，然而由于伪随机序列有较高的频率分辨率，这意味着在大多普勒条件下无法实现相关峰的检测。在无线电扩频通信中，通常使用PLL实现频率和相位的跟踪，然而PLL的收敛需要经过几十甚至几百个码元，不能直接应用于在低码速率的水声通信中。因此，迫切需要一种适用于大多普勒条件下的高精度频率估计和补偿方法。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述技术问题本发明提供一种用于合成孔径水声通信的多普勒补偿方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于合成孔径水声通信的多普勒补偿方法，该方法用于接收端精确恢复发送端分集发射的基带信号，所述方法包含：

步骤101）用于帧同步检测并依据帧同步检测获得各帧帧长的步骤；

步骤102）用于依据各帧帧长估计各帧的多普勒因子的步骤；

步骤103）用于根据多普勒因子估计值对接收信号进行重采样，完成多普勒效应的粗补偿；

步骤104）用于将各个分集支路补偿后的信号进行相干叠加，并进行解扩解调，恢复发送端发送的基带信号。

上述步骤103）和步骤104）之间对粗补偿后的信号再进行精细补偿的步骤，该步骤具体包含：

对接收端接收的信号中包含的训练信号进行下变频和解扩处理；

将下变频和接扩处理后的信号采用全相位FFT进行频率和相位的估计值；

依据频率和相位的估计值对各帧重采样后的信号分别时间、频率和相位进行精确补偿。

上述进行频率和相位的估计进一步包含如下步骤：

步骤201）根据帧同步检测得出的训练信号的起始位置以及最大时间的不确定度确定截取L点数据，取2N-1点数据(L>2N-1);

步骤202）对“2N-1”点数据采用加双窗的方法进行全相位预处理；

步骤203）对全相位预处理后的数据做N点FFT变换即为全相位谱分析结果；

步骤204）对全相位FFT结果进行峰值检测和门限判决，若峰值超过预设门限，则以一定的步长调整2N-1点数据的起始位置，并重复以上步骤，比较R次全相位谱分析得到的峰值，从而得到最大峰值，标志着时频细同步成功：由最大峰值得到的信息段起始点即消除了多普勒造成的时间模糊，最大峰值对应的频率和最大峰值对应的相位即为精确估计结果，其中R为将L点数据以2N-1点为单位划分得到的总份数；

步骤205）截取步骤203）得到的全相位谱分析主谱线上的相位值φ_ap(k^*)，其中k^*为谱序号，即可精确获取信号的初始相位；频率使用全相位时移相位差法进行校正，校正公式为：

其中，φ(k^*)为相位谱，φ_ap(k^*)为全相位相位谱，二者具有N的时移差；

步骤206）将数字域频率转换为连续域频率，得到的频率和相位估计值分别为：