一種新型水聲信號(hào)同步的DSP實(shí)現(xiàn)

韓 沖，張效民，李通旭，陳 瑜

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072; 2. 浙江大學(xué) 城市學(xué)院，浙江 杭州 310015 ）

水聲信道是一個(gè)十分復(fù)雜的時(shí)—空—頻變參隨機(jī)多徑傳播的信道，還加上它的環(huán)境噪聲高、帶寬窄、可用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r(shí)延大等這些諸多因素，因此一種快速、可靠的水下通信同步方法顯得尤為重要[1]。HFM（雙曲調(diào)頻）信號(hào)具有良好的想干特性，多普勒不變性，在水聲通信特別是主動(dòng)聲納領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我們經(jīng)過(guò)前期大量中遠(yuǎn)程海上遠(yuǎn)距離遙控測(cè)試，結(jié)合大量海試數(shù)據(jù)分析，提出一種精確穩(wěn)健快速的時(shí)間同步方法[2-3]。該方法基于HFM的自相關(guān)特性和對(duì)Doppler的不變性，通過(guò)構(gòu)造一種特殊的HFM組合，利用匹配濾波的時(shí)域捕獲及PLL跟蹤方式，在海試驗(yàn)研究中，取得了理想的結(jié)果。海試數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證了算法有效可靠性。

1 系統(tǒng)模型

同步作為水下通信的一個(gè)重要組成部分，具有非常重要的作用。如圖1所示，通常一個(gè)水下通信系統(tǒng)具有下圖所示的幾個(gè)組成部分[4]：

圖1 水下通信系統(tǒng)示意圖Fig.1 Underwater communication system

由圖1可以看出，同步模塊對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)提供接收位的信息反饋，對(duì)接收信號(hào)做調(diào)整來(lái)保障系統(tǒng)正確無(wú)錯(cuò)位的接收系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)通信誤碼的重要保證。

LFM信號(hào)作為一種特殊的具有良好自相關(guān)性，能夠一定程度上對(duì)抗多徑干擾以及具有一定的多普勒容限等特征，通常被用于復(fù)雜信道下，即水聲信道通信系統(tǒng)中，作為典型的時(shí)間同步信號(hào)。然而，當(dāng)系統(tǒng)具有較大的多徑干擾且超過(guò)LFM信號(hào)本身所能忍受的多普勒容限的情況下，利用LFM信號(hào)作為系統(tǒng)位同步信號(hào)時(shí)，同步精度就會(huì)存在較大的偏差，特對(duì)對(duì)于系統(tǒng)比特率較高的情況下（比如，擴(kuò)頻系統(tǒng)），一旦系統(tǒng)同步誤差超過(guò)半個(gè)chip，此時(shí)接收信號(hào)甚至?xí)o(wú)法進(jìn)行信號(hào)解碼，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率劇增。

HFM作為L(zhǎng)FM信號(hào)的擴(kuò)展信號(hào)，它本身繼承了LFM一些優(yōu)點(diǎn)，比如具有良好的相關(guān)性，而且相對(duì)于LFM信號(hào)，HFM信號(hào)具有Doppler不變性和更好的抗多徑能力[5]。在文獻(xiàn)[2]中可以看出HFM信號(hào)可以表示為：

HFM信號(hào)相位和瞬時(shí)頻率分別為：

從而可以分別得出HFM與LFM的模糊度函數(shù)，其中HFM的模糊度函數(shù)為：

由式（4）（5）可以看出，隨著時(shí)間尺度的加大，LFM信號(hào)在多徑延時(shí)較超過(guò)一定范圍后，其時(shí)間分辨率會(huì)越來(lái)越差，無(wú)法精確獲得較為理想的尖峰；對(duì)于HFM信號(hào)，其時(shí)間分辨率較LFM信號(hào)要好一些，且在相同的帶寬和持續(xù)時(shí)間情況下，LFM與HFM信號(hào)相比其多普勒容限具有一定的下限。因此，在時(shí)間分辨率角度來(lái)看，HFM具有更高的精度。

眾所周知，在通信理論中同步方法具有很多種，在水聲通信匯總，采用較多并且工程實(shí)現(xiàn)較為容易的是同步頭法，在大量水聲工程試驗(yàn)中，利用同步頭的相關(guān)性進(jìn)行鎖相操作，使得接收機(jī)同步到與發(fā)送端相同的碼元相位，從而實(shí)現(xiàn)位同步，這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是快捷，缺點(diǎn)也比較明顯，即對(duì)于所選同步序列的抗干擾能力具有較高的要求。

在系統(tǒng)同步理論中，傳統(tǒng)方法在利用LFM或HFM信號(hào)作為位同步頭時(shí)，針對(duì)普通的高斯白噪聲實(shí)驗(yàn)環(huán)境中能夠得到較為理想的結(jié)果，然而，在實(shí)際海洋多徑干擾以及突發(fā)色噪聲干擾的情況卻沒(méi)有充分考慮。傳統(tǒng)算法僅為單一重復(fù)的利用同步信號(hào)組合作為同步碼設(shè)計(jì)，無(wú)法有效抑制多徑干擾，使得后面跟蹤環(huán)節(jié)壓力過(guò)大導(dǎo)致跟蹤算法崩潰。針對(duì)以上問(wèn)題本文提出相應(yīng)的改進(jìn)算法，具體原理將在下一節(jié)詳細(xì)闡述。

2 基于HFM的時(shí)間同步信號(hào)設(shè)計(jì)

文中提出一種基于HFM與單頻組合信號(hào)作為通信系統(tǒng)中位同步信號(hào)。我們?cè)O(shè)計(jì)一種單頻信號(hào)和正反HFM信號(hào)結(jié)構(gòu)組合信號(hào)，作為時(shí)間同步信號(hào)，可以互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，同時(shí)利用PLL對(duì)HFM信號(hào)組合實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤，從而達(dá)到精確的時(shí)間同步。

如圖2所示，設(shè)計(jì)的時(shí)間同步信號(hào)結(jié)構(gòu)為：

圖2 同步信號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of synchronizing signal

同步信號(hào)表達(dá)式為：

式中，首先利用 進(jìn)行接收機(jī)捕獲信號(hào)處理，然后利用兩個(gè)單頻信號(hào)在接收端做信號(hào)補(bǔ)償，最后利用兩個(gè)HFM組合信號(hào)做為信號(hào)跟蹤鎖相，從而達(dá)到整個(gè)信號(hào)位同步工作過(guò)程，后面兩個(gè)HFM信號(hào)分別為正HFM和反HFM信號(hào)，這種組合可以有效利用PLL方法實(shí)現(xiàn)跟蹤的同時(shí)，以確定同步信號(hào)的結(jié)束，信息位置的開(kāi)始[6]。

如圖3所示，接收機(jī)在接收信號(hào)開(kāi)始時(shí)利用MCU滑動(dòng)相關(guān)檢測(cè)HFM信號(hào)。當(dāng)接收信號(hào)與本地信號(hào)相關(guān)結(jié)果超過(guò)MCU預(yù)設(shè)閾值，MCU啟動(dòng)DSP。DSP對(duì)同步信號(hào)中兩個(gè)單頻信號(hào)做快速FFT處理，估計(jì)出頻率偏移量，得到相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間，然后對(duì)HFM相關(guān)峰初步補(bǔ)償，最后利用正反HFM信號(hào)PLL匹配相關(guān)對(duì)同步誤差進(jìn)行微調(diào)，跟蹤同步信號(hào)的結(jié)束位置，當(dāng)接收到的SBHFM信號(hào)與本地信號(hào)匹配相關(guān)達(dá)到系統(tǒng)樣機(jī)預(yù)設(shè)門(mén)限時(shí)，結(jié)束同步，否則DSP重新進(jìn)行信號(hào)接收，退回最初捕獲狀態(tài)[7]。最終將得到的位同步信息送入解調(diào)和解碼環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步過(guò)程。具體流程在圖中予以詳細(xì)說(shuō)明。

圖3 同步算法流程示意圖Fig3 Synchronization algorithm diagram

3 性能分析

仿真數(shù)據(jù)為南海某海域海試實(shí)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，由于接收信號(hào)的同步、解調(diào)、譯碼主要由信號(hào)處理（DSP）芯片來(lái)完成，接收系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理的模擬硬件電路的功耗與DSP相比小得多，所以，接收裝置低功耗問(wèn)題研究應(yīng)主要放在DSP系統(tǒng)上?？紤]選擇基于TMS320C5000系列的DSP進(jìn)行接收系統(tǒng)的構(gòu)建。測(cè)試參數(shù)為[-30,30]節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率， 頻率范圍[10 kHz,15 kHz]，Wgard= 200 Hz, FFT采用1024點(diǎn)，調(diào)頻寬度為0.02 s,數(shù)據(jù)率100 bit/s,發(fā)送3 072 bit比特信息，每個(gè)相對(duì)速率點(diǎn)進(jìn)行200次monte carlo仿真，同步均方誤差MSE為：

如圖4所示，圖中給出同步誤差曲線，從中看出，id為同步理論位置，std為實(shí)際位同步算法計(jì)算位置，經(jīng)過(guò)monte carlo統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，該信號(hào)處理方法可以有效補(bǔ)償相關(guān)峰時(shí)間偏移，從而降低水聲通信的時(shí)間同步誤差。

如圖5-7所示，圖中給出3次不同抽樣時(shí)刻PLL跟蹤正反HFM信號(hào)DSP樣機(jī)測(cè)試相關(guān)結(jié)果。由圖可知，利用本文提出的時(shí)間同步方法，在前段信號(hào)接收后，無(wú)法得到精確的相關(guān)峰，而在后端經(jīng)過(guò)下調(diào)頻的相關(guān)檢測(cè)算法后能夠得到相對(duì)較好的相關(guān)峰值，從而為后續(xù)解碼環(huán)節(jié)提供可靠的同步起點(diǎn)，從而得到理想同步效果。

圖5 時(shí)刻1正反HFM跟蹤補(bǔ)償效果圖Fig.5 HFM tracking compensation effect at point 1

圖6 時(shí)刻2正反HFM跟蹤補(bǔ)償效果圖Fig.6 HFM tracking compensation effect at point 2

圖7 時(shí)刻3正反HFM跟蹤補(bǔ)償效果圖Fig.7 HFM tracking compensation effect at point 3

4 結(jié) 論

文中經(jīng)過(guò)3個(gè)月試驗(yàn)，對(duì)水下通信系統(tǒng)同步算法試驗(yàn)中得到經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行研究，提出了一種基于線性調(diào)頻信號(hào)組合的時(shí)間同步信號(hào)新算法。結(jié)合大量海試數(shù)據(jù)及DSP原理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)新同步算法進(jìn)行測(cè)試，可以看出，算法對(duì)于抗多徑干擾以及多普勒偏移方面具有較為理想的性能，然而相比傳統(tǒng)同步方式，本方法同步精度更高，計(jì)算復(fù)雜度更低，經(jīng)過(guò)海試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在-15 dB信噪比干擾情況下，100 kM遠(yuǎn)距離通信30節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下能夠滿足性能要求。因此，經(jīng)過(guò)MATLAB仿真、DSP原理樣機(jī)調(diào)試、海上測(cè)試結(jié)果論證了算法的穩(wěn)定性與可靠性。

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