去斜率方法在水聲通信幀同步的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

陳士廣，程 恩，袁 飛

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361005)

去斜率方法在水聲通信幀同步的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

陳士廣，程 恩，袁 飛

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361005)

針對(duì)Chirp信號(hào)的幀同步處理，F(xiàn)RFT(Fractional Fourier Transform)變換或匹配相關(guān)方案計(jì)算量過大、難以在stm32等硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理的問題，對(duì)在復(fù)雜水聲信道條件下獲得信號(hào)幀的精確同步基準(zhǔn)進(jìn)行研究，通過檢測連續(xù)的3個(gè)單頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)粗同步，利用去斜壓縮方法處理Chirp信號(hào)實(shí)現(xiàn)細(xì)同步的幀同步。仿真測試該幀同步方案在不同信道下同步時(shí)刻誤差，并對(duì)采用匹配相關(guān)和FRFT變換進(jìn)行細(xì)同步處理的方案進(jìn)行比較，去斜壓縮方案雖性能不如匹配相關(guān)方案，但卻有更小的計(jì)算量。用icroe2平臺(tái)等硬件實(shí)現(xiàn)去斜壓縮幀同步方案，通過噪聲衰減和水池環(huán)境進(jìn)行測試，驗(yàn)證了該方案的可行性。

水聲通信;Chirp信號(hào);匹配相關(guān);FRFT變換;去斜脈沖壓縮

0 引 言

同步是進(jìn)行保證信息正確可靠傳輸?shù)那疤?，一個(gè)通信系統(tǒng)性能的好壞很大程度上取決于其同步性能的優(yōu)劣［1］。因此，解決好同步問題，是通信系統(tǒng)的重中之重。水聲信道具有時(shí)變、空變、多徑及頻偏的特性，因此，信號(hào)經(jīng)過水聲信道后波形會(huì)產(chǎn)生畸變［2］。為了提高通信系統(tǒng)性能，確定系統(tǒng)幀同步時(shí)刻，需要對(duì)信號(hào)的延時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)。無論是在擴(kuò)頻水聲通信［3］還是在多載波通信系統(tǒng)［4］，信道的幀同步至關(guān)重要。

目前，水聲通信常采用線性調(diào)頻(LFM:Linear Frequency Modulation)信號(hào)［5］進(jìn)行幀同步的細(xì)同步。文獻(xiàn)［6］提出一種利用偽隨機(jī)序列作為粗同步，線性調(diào)頻信號(hào)為細(xì)同步的幀同步結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)［7］提出使用chirp的時(shí)頻分析進(jìn)行粗同步，同時(shí)拷貝相關(guān)處理進(jìn)行細(xì)同步。

對(duì)Chirp信號(hào)的細(xì)同步的處理有3種不同的方案:匹配濾波器法［8］、分?jǐn)?shù)階傅里葉方法(FRFT: Fractional Fourier Transform)［9，10］和去斜率FFT方法［11］。在相同的環(huán)境下，匹配濾波方法細(xì)同步的時(shí)間誤差最小，但匹配濾波方法的計(jì)算量大［12］，實(shí)時(shí)性差。分?jǐn)?shù)階傅里葉方法性能與去斜壓縮法相當(dāng)，但去斜壓縮算法計(jì)算量小。針對(duì)去斜FFT方法計(jì)算量小的特點(diǎn)，它適合于主控芯片計(jì)算能力不是很強(qiáng)的應(yīng)用，且只需要添加一些外圍電路。筆者利用icore2硬件搭建了去斜壓縮系統(tǒng)，進(jìn)行加噪實(shí)驗(yàn)和水池實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了去斜壓縮進(jìn)行幀同步的可行性。

1 去斜壓縮原理及仿真

筆者先對(duì)幀同步中Chirp信號(hào)的處理所采用的去斜同步原理進(jìn)行介紹，并使用Matlab分別仿真在高斯噪聲、多徑、多普勒頻移環(huán)境下，3種Chirp信號(hào)的處理方法的同步時(shí)間誤差。

圖1 Chirp去斜脈沖壓縮框圖Fig.1 Chirp pulse compression processing diagram

1.1 去斜脈沖壓縮原理

Chirp信號(hào)的去斜脈沖思想最早應(yīng)用于無線雷達(dá)信號(hào)處理中，Chirp信號(hào)的去斜脈沖思想是根據(jù)Chirp信號(hào)的時(shí)頻分布特點(diǎn)，利用本地Chirp信號(hào)與接收信號(hào)的混頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻譜壓縮［13］。去斜脈沖原理如圖1所示。

假設(shè)接收信號(hào)為

本地模板信號(hào)為

其中t表示時(shí)間，T表示Chirp信號(hào)周期，f0為中心頻率，M為調(diào)頻率，φ為隨機(jī)相位，服從(0，2π)之間均勻分布。

接收信號(hào)經(jīng)去斜脈沖壓縮和低通濾波后，信號(hào)變?yōu)?/p>

頻域表達(dá)式為

圖2 Chirp信號(hào)去斜脈沖壓縮的同步時(shí)延估計(jì)原理Fig.2 Synchronous time delay estimation principle of dechirp pulse compression processingmethod in chirp signal

從式(4)可看出，Chirp信號(hào)被壓縮成單邊帶寬為1/T的差頻信號(hào)，其頻譜顯示在基頻處出現(xiàn)脈沖信號(hào)的頻譜峰值，處理增益為BT(其中B為Chirp信號(hào)所占帶寬)，所以很容易完成對(duì)Chirp同步信號(hào)的捕獲。且當(dāng)接收信號(hào)與本地信號(hào)存在延遲時(shí)，去斜脈沖壓縮處理后，差頻信號(hào)的頻率值會(huì)發(fā)生變化，通過脈沖峰值的頻率可估計(jì)同步時(shí)延，利用去斜脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)Chirp同步時(shí)延估計(jì)原理如圖2所示。

只有當(dāng)接收Chirp信號(hào)與本地Chirp信號(hào)完全同步時(shí)，低通濾波后去除高頻部分，剩下低頻信號(hào)在基頻處會(huì)有BT值的脈沖峰值，若接收Chirp信號(hào)與本地信號(hào)存在時(shí)延，去斜壓縮后，時(shí)延值在頻譜上表現(xiàn)為頻率偏移量，輸出正值頻率或負(fù)值頻率，因此，可根據(jù)頻譜上的脈沖峰值的頻率估計(jì)Chirp同步信號(hào)的時(shí)延誤差。

1.2 去斜脈沖壓縮的性能仿真

1.2.1 高斯噪聲影響

使用Matlab仿真測試筆者提出的幀同步性能，測試方法為在幀同步信號(hào)之前加入1段時(shí)間的隨機(jī)信號(hào)，該隨機(jī)信號(hào)由0，1碼元組成。接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行幀同步的檢測，并對(duì)解調(diào)計(jì)算出接收信號(hào)的同步時(shí)刻。

圖3為細(xì)同步Chirp信號(hào)在無噪聲和-5 dB的高斯噪聲下的功率譜密度的對(duì)比，可以看出，受噪聲影響，細(xì)同步Chirp信號(hào)的功率譜密度都出現(xiàn)了大幅度抖動(dòng)。

圖4為信噪比為-5 dB下，細(xì)同步Chirp信號(hào)的匹配相關(guān)、FRFT變換、去斜壓縮的解調(diào)波形，3種解調(diào)方法的輸出信號(hào)都具有較為明顯的解調(diào)峰值。

圖3 Chirp信號(hào)的功率譜密度Fig.3 Power spectral density of Chirp signal

圖4 噪聲信道下不同同步方法的解調(diào)波形Fig.4 Demodulated waveform of differentsynchronization methods in noise channel

對(duì)細(xì)同步在高斯白噪聲下進(jìn)行同步檢測仿真，仿真測試Chirp細(xì)同步不同解調(diào)方法的同步時(shí)刻估算誤差值，在-15 dB和-10 dB的信噪比下分別進(jìn)行500次同步仿真測試，并求誤差時(shí)間的平均值，測試結(jié)果如表1所示。

從測試結(jié)果可以看出，匹配相關(guān)解法在高斯噪聲下的同步誤差最小，F(xiàn)RFT和去斜壓縮兩種解調(diào)方法由于都需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域上做處理，受頻譜分辨率的影響，無法精確到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，因此存在一定的同步誤差。

表1 噪聲信道下不同同步方法的平均同步時(shí)刻誤差Tab.1 Average time synchronization disturbance of different synchronization methods in noise channel

1.2.2 多徑影響

利用Bellhop仿真工具產(chǎn)生有5徑?jīng)_激響應(yīng)的多徑信道。圖5為同步Chirp信號(hào)在多徑信道下，無高斯白噪聲的時(shí)域波形和功率譜密度。受多徑信道影響，Chirp信號(hào)的時(shí)域波形的幅度發(fā)生明顯抖動(dòng)，頻域上也發(fā)生了頻率選擇性衰落。

圖6為多徑信道下，信噪比為-5 dB的Chirp同步的匹配相關(guān)、FRFT變換和去斜壓縮的解調(diào)波形。受多徑信道影響，匹配相關(guān)，F(xiàn)RFT，去斜壓縮的解調(diào)波形都出現(xiàn)了多個(gè)解調(diào)峰值，在噪聲影響下易引起峰值檢測的誤判，從而造成同步時(shí)刻的誤差。

圖5 多徑信道下Chirp信號(hào)的時(shí)域波形與功率譜密度Fig.5 Time domain waveform and power spectral density of Chirp signal in multipath channel

圖6 多徑信道不同同步方法的解調(diào)波形Fig.6 Demodulated waveform of different synchronization methods in multipath channel

在多徑信道下對(duì)細(xì)同步進(jìn)行同步檢測仿真，仿真測試Chirp同步不同解調(diào)方法的同步時(shí)刻估計(jì)誤差，在-15 dB和-10 dB的信噪比下分別進(jìn)行500次同步仿真測試，并求同步誤差平均值。測試結(jié)果如表2所示。

表2 多徑信道下不同同步方法的平均同步時(shí)刻誤差Tab.2 Average time synchronization disturbance of different synchronization methods in multipath channel

從測試結(jié)果看出，與單純的高斯噪聲影響相比，多徑信道下，3種同步方法的同步誤差都有所增加，主要是受不同路徑影響，將多徑信號(hào)錯(cuò)判為主徑信號(hào)，導(dǎo)致誤差的增大。匹配相關(guān)法的平均同步誤差是三者最小的。

1.2.3 多普勒影響

圖7為同步Chirp信號(hào)在多普勒信道和理想信道的功率譜密度對(duì)比，其中多普勒速度為12 m/s，多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致時(shí)間壓縮和頻率偏移。功率譜密度圖顯示Chirp信號(hào)的頻率發(fā)生了一定范圍內(nèi)的頻偏變化。

圖7 多普勒信道下Chirp信號(hào)的功率譜密度Fig.7 Power spectral of Chirp signal in Doppler channel

圖8 為多普勒信道下，信噪比為-5 dB的Chirp信號(hào)的匹配相關(guān)、FRFT變換、去斜壓縮的解調(diào)波形。受多普勒效應(yīng)影響，Chirp信號(hào)的調(diào)頻率發(fā)生改變，從接收跳跳波形可以看出，匹配相關(guān)輸出不再是一個(gè)尖銳的單峰，無法分辨自相關(guān)峰的位置。去斜壓縮后發(fā)生了頻譜泄漏，混頻輸出由單頻擴(kuò)展到一定頻率區(qū)間上，峰值能量減小。FRFT變換階次不再是最佳變換階次，聚焦能量急劇變小，聚焦位置產(chǎn)生偏移。

圖8 多普勒信道下不同同步方法的解調(diào)波形Fig.8 Demodulated waveform of different synchronization methods in Doppler channel

對(duì)幀同步在多普勒信道下(12 m/s)進(jìn)行同步檢測仿真，仿真測試Chirp同步不同解調(diào)方法的同步時(shí)刻估算誤差，在-10 dB和-5 dB的信噪比下分別進(jìn)行500次同步仿真測試，并求平均值。測試結(jié)果如表3所示。

表3 多普勒信道下不同同步方法的平均同步時(shí)刻誤差Tab.3 Average time synchronization disturbance of different synchronization methods in Doppler channel

從測試結(jié)果看出，匹配相關(guān)，F(xiàn)RFT和去斜壓縮的同步誤差都比較大，主要是多普勒導(dǎo)致Chirp信號(hào)調(diào)頻率的改變，而3種同步方法都是根據(jù)Chirp調(diào)頻率解調(diào)的，調(diào)頻率的失配必然導(dǎo)致同步誤差的增大。

1.2.4 計(jì)算量

假設(shè)信號(hào)采樣后需要進(jìn)行一次處理的序列長度為N，分別比較3種不同的方案所需要的復(fù)乘的次數(shù)。采樣得到序列與本地保存發(fā)送序列匹配相關(guān)過程為

頻域上進(jìn)行處理，對(duì)r(m)進(jìn)行離散傅里葉變換得

其中X(K)是本地存儲(chǔ)的x(n)的傅里葉變換，可先進(jìn)行計(jì)算保存，所以需要進(jìn)行1次FFT和1次IFFT變換，所需要的復(fù)乘次數(shù)為N log2N+N。

Ozaktas等［14］提出分解型算法，將連續(xù)FRFT的復(fù)雜積分變換離散化處理得到離散卷積表達(dá)式，從而利用FFT計(jì)算FRFT。連續(xù)FRFT的定義式如下

式(8)求和部分為卷積形式，可以利用FFT計(jì)算，假設(shè)f(t)采樣后有N個(gè)點(diǎn)，ejπβ(m/(2Δ))2序列FFT變換可以預(yù)先算好，則只需要1次FFT變換和1次IFFT變換，需要復(fù)乘的次數(shù)為N log2N+3N。

斜壓縮方案可用硬件電路實(shí)現(xiàn)混頻和濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次FFT計(jì)算，只需要進(jìn)行N/2log2N復(fù)乘，所以去斜壓縮方案具有更小的計(jì)算量。

2 去斜壓縮硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

由第1．2節(jié)中仿真可知，匹配相關(guān)方案是在時(shí)域上處理，所以在高斯噪聲信道和多徑信道中有更小的同步誤差。在多普勒信道下，3種方案的同步誤差相當(dāng)。在計(jì)算量方面，去斜壓縮方案具有較小的計(jì)算量。針對(duì)去斜壓縮方案計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，采用硬件電路實(shí)現(xiàn)去斜壓縮方案，并通過加噪和水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

2．1 衰減加噪實(shí)驗(yàn)

衰減加噪環(huán)境主要由Agilent-33220A信號(hào)發(fā)生器以及HB-602A型精密衰減器構(gòu)建。HB-602A型精密衰減器包括1個(gè)加法器和1個(gè)精密衰減器，能將被測信號(hào)與噪聲信號(hào)相加、衰減，模擬得到淹沒在噪聲或干擾背景中的微弱電壓信號(hào)。在筆者的抗噪實(shí)驗(yàn)中，使用HB-602A型精密衰減器的相加器功能，將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高斯白噪聲疊加到調(diào)制信號(hào)當(dāng)中，得到不同信噪比的輸出信號(hào)。由此模擬海洋噪聲環(huán)境，通過接收端的解調(diào)結(jié)果驗(yàn)證通信系統(tǒng)的抗噪聲性能。

通過調(diào)整信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高斯白噪聲峰峰值模擬信噪比為0、-10 dB、-15 dB的信道。圖9為不同信噪比下的信號(hào)波形。

圖9 不同信噪比下的混頻濾波后的單頻圖Fig.9 Single frequency diagram aftermixing and filering with different SNR

從圖9可以看出，在信噪比為0的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，接收端混頻濾波后的單頻仍然保留一定的頻率信息。在-10 dB時(shí)，原始信號(hào)受噪聲影響較大，接收端混頻濾波后的單頻出現(xiàn)明顯的毛刺和抖動(dòng)。在-15 dB時(shí)，原始信號(hào)已經(jīng)完全淹沒在噪聲中，接收端混頻濾波后的單頻頻率信息已經(jīng)幾乎不可見。

在接收端使用STM32對(duì)混頻濾波后的單頻信號(hào)進(jìn)行AD采樣，并做FFT運(yùn)算。在不同信噪比情況下，分別進(jìn)行300次同步仿真測試，對(duì)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)并求平均值，測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of test results

2.2 水池實(shí)驗(yàn)測試

在驗(yàn)證幀同步具有較強(qiáng)抗噪性的基礎(chǔ)上，為測試幀同步的抗多徑性能，筆者還在非消聲水池中對(duì)幀同步性能進(jìn)行測試，模擬海洋中的多徑環(huán)境。

圖10 實(shí)驗(yàn)水池Fig.10 Signalwaveform in water tank experiment

水池的實(shí)景照片如圖10所示，該水池墻面池底均為瓷磚鋪設(shè)，長約25 m，寬約5 m，高約2 m，為非消聲水池，分為深水區(qū)及淺水區(qū)，其中淺水區(qū)水深約1 m，長約13.5m，深水區(qū)水深2 m，長約11.5 m。換能器的頻帶范圍為20～30 kHz，發(fā)送端換能器放在淺水區(qū)，入水深0.5 m，接收端換能器放入深水區(qū)，入水深1 m，換能器之間相距15 m。聲波在水池中傳播時(shí)，受水面、池底、池壁的反射影響，多徑明顯。同時(shí)水池內(nèi)環(huán)境相對(duì)單一且水面保持平靜，噪聲較小。

接收端STM32對(duì)單頻信號(hào)進(jìn)行AD采樣，并做FFT運(yùn)算。其測試波形如圖11所示。在水池實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別進(jìn)行300次同步測試FFT運(yùn)算得到的信號(hào)頻率值相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在水池環(huán)境下，接收端信號(hào)受到頻率選擇性衰減的影響，幅度變化大，經(jīng)過去斜方法得到的單頻波形出現(xiàn)鋸齒，且有明顯抖動(dòng)。但頻率信息保留較好，經(jīng)過采樣、FFT運(yùn)算所得結(jié)果完全正確，可很好地對(duì)同步誤差進(jìn)行糾正。

圖11 水池實(shí)驗(yàn)信號(hào)波形Fig.11 Signal waveform in water tank experiment

4 結(jié) 語

筆者為有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的幀同步，確定幀同步起始時(shí)刻，仿真了3種基于Chirp信號(hào)的細(xì)同步處理方案在抗高斯噪聲、多徑以及多普勒偏移的性能;比較了3種方案的計(jì)算量，并用硬件電路實(shí)現(xiàn)基于去斜壓縮的Chirp信號(hào)幀同步處理方案。同時(shí)結(jié)合加噪和水池實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。

從仿真結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn):1)相關(guān)運(yùn)算的同步時(shí)刻誤差較小，受多徑影響較小，且能量聚集性能最佳，峰值最大，但進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算需要較大的計(jì)算量;2)FRFT變換同步時(shí)刻誤差在多徑和多普勒偏移信道中都與去斜算法相當(dāng)，但與去斜算法相比計(jì)算量更大;3)去斜算法的同步誤差在高斯信道和多徑信道下都比相關(guān)算法大，但易于硬件電路實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好。

［1］全宇，戚肖克，李宇，等.一種基于信號(hào)功率的水聲通信線性調(diào)頻同步信號(hào)自適應(yīng)閾值檢測算法［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2013，33(2):116-121. QUAN Yu，QIXiaoke，LIYu.et al.An Adaptive Threshold Detection Algorithm for Linearly-Frequency Modulated Signals Based on Signal Power in Underwater Acoustic Communication［J］.Applied Acoustics，2013，33(2):116-121.

［2］程恩，袁飛，蘇為，等.水聲通信技術(shù)研究進(jìn)展［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，50(2):271-275. CHENG En，YUAN Fei，SU Wei，et al.Research on Technology of Underwater Acoustic Communication［J］.Journal of Xiamen University，2011，50(2):271-275.

［3］張曉彤，劉金龍，劉蘭軍，等.水聲直接序列擴(kuò)頻通信捕獲電路的優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(6):1256-1260. ZHANG Xiaotong，LIU Jinlong，LIU Lanjun，et al.Optimizing Design of Acquisition Circuit for Direct Sequience Spread Spectrum in Underwater Acoustic Communication System［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2009，30(6):1256-1260.

［4］寧小玲，劉忠，張林森.多載波水聲信道估計(jì)技術(shù)及其研發(fā)進(jìn)展［J］.聲學(xué)技術(shù)，2012，31(1):77-81. NING Xiaoling，LIU Zhong，ZHANG Linsen.The Estimation Technology and Progress of Research and Development about Underwater Acoustic Channel［J］.Acoustic Technology，2012，31(1):77-81.

［5］于曉輝，石要武.色噪聲背景下LFM信號(hào)參數(shù)估計(jì)的互譜ESPR IT方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2005，35(5): 551-555. YU Xiaohui，SHIYaowu.Cross-Spectral ESPR ITMethod for LFM Parameter Estimation in Colored Noise［J］.Journalof Jilin University:Engineering and Technology Edition，2005，35(5):551-555.

［6］鄧萬彬，伊祿，陳冰.一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的水聲通信同步技術(shù)研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27(12): 1177-1180. DENGWanbin，YIN Lu，CHEN Bing.Research on Underwater Acoustic Communication Synchronization Technique Based on Asymmetry Structure［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2013，27(12):1177-1180.

［7］馬雯，黃建國，張群飛.利用線性調(diào)頻脈沖進(jìn)行幀同步的方法及性能［J］.海洋技術(shù)，2006，25(3):86-89. MAWen，HUANG Jianguo，ZHANG Qunfei.A Novel Method for Linear Frequency Modulation Pulse Synchronization［J］. Ocean Technology，2006，25(3):86-89.

［8］宿紹瑩，侯慶凱，任艷，等.匹配濾波和去斜率脈壓方法性能分析與比較［J］.信號(hào)處理，2011，27(2):202-206. SU Shaoying，HOU Qingkai，REN Yan，et al.Performance Comparison of Matched Filtering and Dechirp Pulse Compression［J］.Signal Processing，2011，27(2):202-206.

［9］SEJDIC E，DJUROVIC I，STANKOVIC L.Fractional Fourier Transform as a Signal Processing Tool:An Overview of Recent Developments［J］.Signal Processing，2011，91(6):1351-1369.

［10］楊巍，石要武.基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的寬帶Chirp信號(hào)的波達(dá)方向角估計(jì)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2014，44(3):818-821. YANGWei，SHIYaowu.Broadband Direction-Arrival Estimation of Chirp Signal Using Fractional Fourier Transform［J］. Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2014，44(3):818-821.

［11］明文華，劉志學(xué).超寬帶LFM信號(hào)去斜率脈壓分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2007，23(5):58-61. MINGWenhua，LIU Zhixue.Analysis of Pulse Compression of Dechirp for UWB LFM Signal［J］.Aerospace Electronic Warfare，2007，23(5):58-61.

［12］ABATZOGLOU T J.FastMaximum Likelihood Joint Estimation of Frequency and Frequency Rate［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1986，22(6):708-715.

［13］萬永倫，姒強(qiáng)，呂幼新，等.寬帶信號(hào)去斜脈沖壓縮處理方法的研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2006，27(5):917-921. WAN Yonglun，SIQiang，LüYouxin，et al.Study of Dechirp Pulse Compression Proccessing Method for Wideband Signals［J］.Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica，2006，27(5):917-921.

［14］OZAKTASH M，ANKAN ORHAN.Digital Computation of the Fractional Fourier Transform［J］.IEEE Trans on SP，2003，51(3):2141-2150.

(責(zé)任編輯:張潔)

Dechirp Processing Method Application and Hardware Implementation for Frame Synchronization in Underwater Acoustic Communication

CHEN Shiguang，CHENG En，YUAN Fei

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology，Ministry of Education，School of Information Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005，China)

In the processing of chirp signal in the frame synchronization，F(xiàn)RFT(Fractional Fourier Transform)

underwater acoustic communication;Chirp signal;relevant matching mode;fractional fourier transform(FRFT)transform;dechirp pulse compression processingmethod

TP391

A

1671-5896(2015)04-0421-08

2014-08-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61001142;61471308);福建省交通運(yùn)輸科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(201437)

陳士廣(1990— )，男，福建三明人，廈門大學(xué)碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究，(Tel)86-18950130630 (E-mail)csg109@163.com;通訊作者:程恩(1965— )，男，福州人，廈門大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水下通信、數(shù)字信號(hào)處理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究，(Tel)86-592-2580081(E-mail)chengen@xmu.edu.cn。

transform or relevantmatchingmode usually leads to the problem of the large amount of calculation.It is difficult to achieve real-time processing in hardware platform like stm32.The paper studies on obtaining precise synchronizing datum of signal frame in the condition of complex underwater acoustic communication channel.The simultaneous technique achieves coarse synchronization by detecting three single-frequency signals and realizes frame synchronization scheme of fine synchronization in dechirp compression processingmethod while dealing with Chirp signal.It adopts simulation test method to measure time synchronization disturbance of the frame synchronization scheme in different channels.Compared with fine synchronization scheme in the use of relevant matchingmode and FRFT transform，dechirp processing method possesses less massive calculation deviation，

although the performance is not that good.We utilize icroe2 platform and some other hardware to achieve frame synchronization scheme of dechirp compression，and verify the feasibility of the scheme by testing noise attenuation and water tank environment.