一種水聲相干通信自適應相位補償方法
【專利摘要】本發明涉及一種水聲相干通信自適應相位補償方法，包括：從所接收到的水聲通信信號的各個幀中提取Chirp信號，為每個Chirp信號進行相關計算，利用計算得到的相關峰位置求各幀的平均速度、平均加速度的估計值；利用各個幀持續時間內的平均速度的估計值，計算相對拉伸壓縮系數，根據所述的相對拉伸壓縮系數計算結果對水聲通信信號的接收波形進行重采樣，完成平均多普勒的補償；利用平均加速度估計值估計出自適應相位補償器的步長大小；由采用步長大小的自適應相位補償器對平均多普勒的補償后的信號進行自適應相位補償。本發明充分利用載體相對運動對相位變化之間的關系，將使相位補償變得更加簡單、可靠。
【專利說明】一種水聲相干通信自適應相位補償方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水聲相干通信領域，特別涉及一種水聲相干通信自適應相位補償方法。
【背景技術】
[0002]在通信過程中，收發端、反射介質的運動會造成接收信號相位的相對變化。與無線電通信相比，聲波在水中傳播速度小，多普勒現象更加嚴重；同時水聲通信帶寬窄，符號時間相對較長。因而在水聲通信中，由于運動所造成的相位變化非常嚴重。水聲相干通信需要利用信號的相位傳輸信息，因此要求接收端對信號的相位進行較好的跟蹤。在水聲相干通信中需要利用自適應相位補償技術，克服運動造成的相位變化。
[0003]現有技術中，對相位補償的計算方法有多種，分別描述如下:
[0004]參考文獻1:T.C.Yang 于 2004 年在 IEEE Journal of Oceanic Engineering 上發表文章((Differences between passive-phase conjugation and decision-feedbackequalizer for underwater acoustic communications〉〉。該文章指出，17秒間隔進行一次信道探測即可實現解調，水聲信道接近時不變，信道相位隨時間線性變化，根據數據求出比值為0.56rad/s，在解調時利用這一線性關系可簡單地實現相位補償。該文章所依據的現場數據是在載體靜止的情況下獲得的，整個試驗過程中發送端和接收端采用海底潛標的布放方式。該研究不能直接應用于載體運動的情況。
[0005]參考文獻2:M.Stojanovic 等人于 1994 年在 IEEE Journal of OceanicEngineering 上發表文獻〈〈Phase coherent digital communications for underwateracoustic channels》。該文章采用二階數字鎖相環路進行相干通信中的相位補償。對不同的試驗數據，采用后處理的方式估計其多普勒大小，根據多普勒估計人為地調節二階數字鎖相環路(PLL)的參數，改變其帶寬，以適應不同多普勒大小下的相位變化。這種方法在一定程度上可以補償載體運動造成的相位變化，但需要對采集到的數據進行分析后，人為地對相位補償器進行參數調節。這種處理方法可以應用于數據處理，但實際可用的通信機不能允許人工參與參數調節。
[0006]參考文獻3:B.Geller 等人于 1996 年在 IEEE Journal of Oceanic Engineering上發表文章:〈〈Equalizer for video rate transmission in multipath underwatercommunications》。文章采用快速自優化最小均方算法(FOLMS)進行相干通信中的相位補償。相位補償器的補償快慢取決于其步長，步長的大小依據其對估計誤差偏導數估計進行優化。自適應步長調節，可以在保證跟蹤相位速度的前提下，使估計誤差最小化，進而得到好的相位補償效果。但仍存在計算量大、非平穩噪聲下自適應容易發散的問題。
[0007]參考文獻4:朱維慶等人于2007年在聲學學報上發表文章:《水聲高速圖像傳輸信號處理方法》。該文章對參考文獻2、參考文獻3中所述及的兩種相位補償方式進行了對比，指出基于FOLMS的相位補償(F0LMSPC)的容限比二階PLL好5倍。這是由于F0LMSPC的步長在一個符號寬度內迭代一次，能適應多普勒頻移的變化，而二階PLL中的二階參數是固定的，適應能力要差些。這一研究成果已成功應用于我國“蚊龍號”載人潛水器的水聲通信機，并取得令人滿意的試驗效果。
[0008]綜上所述，現有技術中的PLL方法對每個采樣點進行相位鑒別、環路濾波計算，F0LMSPC方法對每個采樣點進行步長調節計算。這些計算需要硬件平臺具有較高的計算能力支持，不便于水聲通信節點的小型化、低功耗。F0LMSPC相對于PLL在跟蹤能力上有所提高，不需要人為的調節參數，但還存在以下問題:算法基于加性高斯噪聲的假設，如果噪聲不平穩，比如信道中出現尖峰噪聲，步長將瞬間變得很大，容易導致計算的發散；步長最大值選取采用試驗數據后處理的方式給出，如根據通信帶寬、中心頻率進行調整，步長最大值需要結合新通信參數下的試驗數據進行設定。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有的相位補償方法計算復雜，補償效果不可靠的缺陷，從而提供一種簡單、可靠的相位補償方法。
[0010]為了實現上述目的，本發明提供了一種水聲相干通信自適應相位補償方法，包括:
[0011]步驟I )、從所接收到的水聲通信信號的各個幀中提取Chirp信號，為每個Chirp信號進行相關計算，利用計算得到的相關峰位置求各幀的平均速度、平均加速度的估計值；
[0012]步驟2)、利用步驟I)得到的各個幀持續時間內的平均速度的估計值，計算相對拉伸壓縮系數，根據所述的相對拉伸壓縮系數計算結果對水聲通信信號的接收波形進行重采樣，完成平均多普勒的 補償；
[0013]步驟3)、利用步驟I)得到的平均加速度估計值估計出自適應相位補償器的步長大小；
[0014]步驟4)、由采用步驟3)估計得到的步長大小的自適應相位補償器對步驟2)得到的平均多普勒的補償后的信號進行自適應相位補償。
[0015]上述技術方案中，在所述的步驟2)中，根據所述的相對拉伸壓縮系數計算結果對水聲通信信號的接收波形進行重采樣的方法采用以下方法中的任意一種:一階線性插值方法、拋物線插值法、Farrow濾波器重采樣法。
[0016]上述技術方案中，所述的步驟3)包括:
[0017]步驟3-1)、在得到各個幀的平均加速度估計值后，首先按照如下公式找出最大加速度絕對值:
[0018]amax=max {| Bi |}, i = 2,...L ；
[0019]步驟3-2)、根據步驟3-1)得到的最大加速度絕對值amax、幀長時間T、信號波長λ、
自適應處理的采樣率Fs，計算出自適應相位補償的步長μ:
【權利要求】
1.一種水聲相干通信自適應相位補償方法,包括: 步驟I)、從所接收到的水聲通信信號的各個幀中提取Chirp信號，為每個Chirp信號進行相關計算，利用計算得到的相關峰位置求各幀的平均速度、平均加速度的估計值； 步驟2)、利用步驟I)得到的各個幀持續時間內的平均速度的估計值，計算相對拉伸壓縮系數，根據所述的相對拉伸壓縮系數計算結果對水聲通信信號的接收波形進行重采樣，完成平均多普勒的補償； 步驟3)、利用步驟I)得到的平均加速度估計值估計出自適應相位補償器的步長大小； 步驟4)、由采用步驟3)估計得到的步長大小的自適應相位補償器對步驟2)得到的平均多普勒的補償后的信號進行自適應相位補償。
2.根據權利要求1所述的水聲相干通信自適應相位補償方法，其特征在于，在所述的步驟2)中，根據所述的相對拉伸壓縮系數計算結果對水聲通信信號的接收波形進行重采樣的方法采用以下方法中的任意一種:一階線性插值方法、拋物線插值法、Farrow濾波器重采樣法。
3.根據權利要求1所述的水聲相干通信自適應相位補償方法，其特征在于，所述的步驟3)包括: 步驟3-1)、在得到各個幀的平均加速度估計值后，首先按照如下公式找出最大加速度絕對值:
amax=maX { I ai I I ) ? = 2,...L ； 步驟3-2)、根據步驟3-1)得到的最大加速度絕對值amax、幀長時間T、信號波長λ、自適應處理的采樣率Fs，計算出自適應相位補償的步長μ:
4.根據權利要求1所述的水聲相干通信自適應相位補償方法，其特征在于，所述的步驟4)包括: 步驟4-1)、所述自適應相位補償器采用上一時刻的相位估計值對當前符號進行相位補償，其計算公式如下:
【文檔編號】H04L27/38GK103634262SQ201210313509
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月29日 優先權日:2012年8月29日
【發明者】武巖波, 朱維慶, 朱敏 申請人:中國科學院聲學研究所