一种水声通信的信号同步方法、系统及水声通信系统

技术领域

本发明属于水声通信领域，尤其涉及一种水声通信的信号同步方法、系统 及水声通信系统。

背景技术

公知地，在通信系统中，为实现通信，发射机和接收机之间必须建立统一 的时间标准，即实现同步，才能对信号进行检测、解译码等操作。

在数字化的通信系统中，通常采用帧传输方式，信号同步包括帧同步、频 率同步。帧同步用以对每一帧的起止位置进行定位；频率同步是对帧同步后的 信号进行频率偏移的估计、然后进行频率补偿，以使得多普勒频移能够控制在 一定范围内，保证接收机对信号的正确恢复。

在水声通信系统中，由于水声信道是一个频率选择性的和时间选择性的衰 落信道，其存在严重的多普勒频移，并且传输带宽严重受限，多径严重。这些 因素将会影响水声通信系统的信号同步效果，从而影响到信号解调效果，增加 系统误码率，因此，信号同步是实现水声相位相干通信的关键技术。

现有技术中，水声通信系统的一种帧同步和频率同步的实现方式是：在每 一帧的帧头插入同步头，同步头是包括成对伪随机码的信号，成对伪随机码之 间的间隔为固定时间间隔T。首先，接收机通过相关运算实现帧同步，具体来 说，接收机定义一同步评价函数，该同步评价函数与伪随机码发送信号-接收信 号的互相关函数有关、并与伪随机码接收信号的能量函数有关，接收机通过在 每一信号帧内寻找同步评价函数的单峰值，确定对应的互相关函数的时间间隔， 从而估计每一信号帧的起始点，实现帧同步。之后，接收机求解成对伪随机码 的到达位置，通过测量时间间隔T的变化量来实现多普勒频率估计。最后，接 收机采用宽带信号补偿法补偿信号的频率偏移，得到经帧同步和频率同步后的 最终信号。

但由于水声通信环境复杂，各种随机因素(如噪声和多径等)对同步评价 函数的单峰位置的估计存在较大干扰，使得成对伪随机码的达到位置难以准确 估计，造成帧同步精度低的问题，进而增加了系统误码率。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种水声通信的信号同步方法，旨在解决在 信号帧内寻找同步评价函数的单峰值以估计信号帧的起始点，来实现帧同步的 方式下，由于水声环境干扰，存在帧同步精度低的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种水声通信的信号同步方法，所述方法包 括：

步骤A1、获取经模/数转换后的信号帧，所述信号帧包括顺次发送的前导 帧和数据，所述前导帧又包括顺次发送的两个相同的伪随机码；

步骤A2、在所述信号帧内寻找同步评价函数的两个峰值，若所述两个峰值 出现在前一伪随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的 时间间隔；

步骤A3、由最终记录的所述时间间隔估计所述信号帧的起始点，实现帧同 步。

本发明实施例的另一目的在于提供一种水声通信的信号同步系统，所述系 统包括：

获取模块，用于获取经模/数转换后的信号帧，所述信号帧包括顺次发送的 前导帧和数据，所述前导帧又包括顺次发送的两个相同的伪随机码；

双峰评估模块，用于在所述信号帧内寻找同步评价函数的两个峰值，若所 述两个峰值出现在前一伪随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互 相关函数的时间间隔；

帧同步模块，用于由最终记录的时间间隔估计所述信号帧的起始点，实现 帧同步。

本发明实施例的另一目的在于提供一种水声通信系统，包括发射机和接收 机，所述接收机包括顺次连接的换能器、前置放大单元、正交解调单元、模/ 数转换单元和处理器，所述处理器包括如上所述的水声通信的信号同步系统。

本发明提出的水声通信的信号同步方法及系统对现有水声通信系统的帧同 步方法进行了改进，通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信 号帧的起始点，这样便降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧同步估计的 干扰，提高了帧同步估计精度，降低了系统误码率，特别适用于基于OFDM技 术的水声通信系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的水声通信的信号同步方法的流程图；

图2是本发明实施例中，获取到的信号帧的格式图；

图3是本发明实施例提供的水声通信的信号同步系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的水声通信的信号同步方法对现有水声通信系统的帧同步方法 进行了改进，通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信号帧的 起始点。

图1示出了本发明实施例提供的水声通信的信号同步方法的流程，包括以 下步骤：

S1：获取经模/数转换后的信号帧。

本发明中，如图2所示，每一信号帧包括顺次发送的前导帧和数据，前导 帧和数据之间间隔一段时间，前导帧又包括顺次发送的两个相同的伪随机码， 前一伪随机码与后一伪随机码之间间隔一段时间。

S2：在信号帧内寻找同步评价函数的两个峰值，若两个峰值出现在前一伪 随机码和后一伪随机码的对应位置，则记录对应的互相关函数的时间间隔。

一般地，同步评价函数Q(d)定义为：

$Q\left(d\right)=\frac{{\left|C\left(d\right)\right|}^2}{{\left(E\left(d\right)\right)}^2}---\left(1\right)$

其中，C(d)为前导帧发送信号-接收信号的互相关函数，E(d)为前导帧接收 信号的能量函数，且有：

其中，N为每一伪随机码的长度，s(m)为水声通信系统中发射机发出的前 导帧信号，r(m)为水声通信系统中接收机接收到的前导帧经解调后的信号，d为 互相关函数C(d)的时间间隔，即d为前导帧的收发信号做互相关运算时的时间 间隔。

基于此，步骤S2可包括以下步骤：

S21：顺次输入一组连续的时间间隔d₁、d₂、K K d_n。

S22：在每一时间间隔d_i下，根据前述公式(1)至公式(3)，计算同步评 价函数Q(d_i)和Q(d_i+L)，其中1≤i≤n，L为前一伪随机码的码头与后一伪随机码 的码头之间的间隔时长。

S23：当Q(d_i)和Q(d_i+L)分别大于第一阈值时，记录对应的时间间隔d_i。

为了在步骤S21至步骤S23的基础上，进一步提高帧同步估计精度，本发 明中，步骤S23之后，还可包括以下步骤：

S24：计算Q(d_i)与Q(d_i+L)之和。

S25：当Q(d_i)与Q(d_i+L)之和大于第二阈值时，记录对应的时间间隔d_i。

S3：由最终记录的时间间隔d_i估计信号帧的起始点，实现帧同步。

本发明实施例提出的水声通信的信号同步方法对现有水声通信系统的帧同 步方法进行了改进，通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值，进而确定信 号帧的起始点，这样便降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧同步估计的 干扰，提高了帧同步估计精度，降低了系统误码率。

此外，在通过步骤S1至步骤S3实现帧同步的基础上，本发明实施例还可 进一步包括频率估计及补偿的步骤，即在步骤S3之后，还可包括以下步骤：

S4：基于宽带信号复自相关法，对帧同步后的信号帧进行频率估计。

具体地，步骤S4可表示为：Df_estimate＝angle(C(n'))/(2pL/fs)，其中， Df_estimate为频率估计值，f_s为接收机对接收到的信号帧的采样频率，C(n')表 示为：

其中，r₂(n')为前一伪随机码对应的接收信号，r₁(n')为后一伪随机码对应的 接收信号，$n^{\prime }\hat{I}\{\mathrm{0,1},...,N-1\},$且有：

其中，s(n')为伪随机码对应的发射信号，Df为水声通信系统中发射信号和 接收信号之间的频率偏差，j为水声通信系统中接收机解调时不同步带来的相 位误差，w₁(n')为前一伪随机码对应的接收端噪声信号，w₂(n')为后一伪随机码 对应的接收端噪声信号。

S5：基于频率估计的结果，对经帧同步后的信号帧进行重采样，实现多普 勒补偿。

本发明中，可采用线性插值的方法进行频率重采样。在实际使用中可以先 对信号帧升采样，然后对升采样后的信号帧进行线形插值。

经步骤S1至步骤S5处理后得到同步信号，该同步信号可经过诸如自适应 均衡等后续方法进一步处理获得真实信号。

图3示出了本发明实施例提供的水声通信的信号同步系统的结构，为了便 于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例提供的水声通信的信号同步系统包括：获取模块11，用于获 取经模/数转换后的信号帧；双峰评估模块12，用于在信号帧内寻找同步评价函 数的两个峰值，若两个峰值出现在前一伪随机码和后一伪随机码的对应位置， 则记录对应的互相关函数的时间间隔；帧同步模块13，用于由最终记录的时间 间隔d_i估计信号帧的起始点，实现帧同步。

进一步地，双峰评估模块12又可包括：输入子模块，用于顺次输入一组连 续的时间间隔d₁、d₂、K K d_n；第一计算子模块，用于在每一时间间隔d_i下，根据 前述公式(1)至公式(3)，计算同步评价函数Q(d_i)和Q(d_i+L)，其中1≤i≤n， L为前一伪随机码的码头与后一伪随机码的码头之间的间隔时长；第一记录子 模块，用于当Q(d_i)和Q(d_i+L)分别大于第一阈值时，记录对应的时间间隔d_i。

更甚，为了进一步提高帧同步估计精度，双峰评估模块12还可包括：第二 计算子模块，用于计算Q(d_i)与Q(d_i+L)之和；第二记录子模块，用于当Q(d_i)与 Q(d_i+L)之和大于第二阈值时，记录对应的时间间隔d_i。

此外，在图3所示基础之上，本发明实施例提供的水声通信的信号同步系 统还可包括：频率估计模块，用于基于宽带信号复自相关法，对帧同步后的信 号帧进行频率估计，其详细执行过程如前所述，不赘述；补偿模块，用于基于 频率估计的结果，对经帧同步后的信号帧进行重采样，实现多普勒补偿。

本发明实施例还提供了一种水声通信系统，包括发射机和接收机，接收机 包括顺次连接的换能器、前置放大单元、正交解调单元、模/数转换单元和处理 器，换能器接收到的信号经过前置放大单元放大后，经过正交解调，通过模/ 数转换单元的采样转换成数字信号。其中的处理器进一步包括如上所述的水声 通信的信号同步系统，在此不赘述。优选地，该水声通信系统是基于正交频分 复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技术的水声通信系 统。

综上所述，本发明提出的水声通信的信号同步方法及系统对现有水声通信 系统的帧同步方法进行了改进，通过在信号帧内寻找同步评价函数的双峰值， 进而确定信号帧的起始点，这样便降低了水声通信环境下，各种随机因素对帧 同步估计的干扰，提高了帧同步估计精度，降低了系统误码率，特别适用于基 于OFDM技术的水声通信系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。