一种远程水声通信分块帧同步方法与流程

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种远程水声通信分块帧同步方法。

背景技术：

浅标、浮标等小型水下无人平台具有智能性、隐蔽性、经济性等特点，并且重量轻、尺寸小，使用方便，广泛应用于海洋环境监测、海洋资源勘探等领域。小型水下无人平台与母船或基站之间的可靠信息传输是其能够完成所执行任务的必要保证，而帧同步作为水声通信中的一项关键技术直接影响着水下信息传输的质量。帧同步的作用是在水声通信中准确获得信号帧的起始位置，通常在有用数据之前发送一段具有良好自相关特性的帧同步信号，利用接收端本地同步信号对接收到的信号计算相关，通过判断相关结果峰值的位置获得信号到达时刻，实现信号帧同步，为后续信号的解调奠定基础。

然而水声信道作为目前最为复杂的信道环境，不仅传播损失大、环境噪声高，而且具有时延—多普勒频移双扩散特性，严重限制了帧同步的性能。为获得良好的同步性能，在通信带宽一定的条件下，增加同步信号的时间长度提高了同步信号的时间带宽积，有利于提高同步检测性能。因此在远程实时水声通信中，通常设计较长的同步信号以达到稳定良好的同步效果。然而同步信号的长度越大，计算相关时所需存储资源与计算资源越多。而小型水下无人平台为达到系统长时间值守的目标，通常采用低功耗嵌入式系统，片上存储资源和计算资源等相对紧张，通过传统方法计算大长度的同步相关进行信号帧同步将会占用大量的存储资源，进一步影响计算速度，不利于信号的实时处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决上述现有技术的不足，提供了一种分块帧同步方法。该方法将一个较长的同步信号拆分为若干个等长的子信号，通过依次对子信号做相关，并将相关结果延时累加得到最终同步结果，减少计算大长度帧同步占用的存储空间和计算量。

为达到上述目的，本发明提供一种远程水声通信分块帧同步方法，所述方法包括：所述方法采用双曲调频信号作为帧同步头，在接收端将长度为N的帧同步信号分割成K个长度为M的子信号，利用频域相关算法分别计算当前时刻每一个子信号的滑动相关；将当前时刻的相关结果与以前时刻的相关结果延时M点后相加；取延时叠加后结果的前M个点作为当前时刻帧同步的计算结果；从每K次帧同步的计算结果中搜索同步信号的到来时刻，完成帧同步。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)接收端将本地生成的长度为N的双曲调频信号s(n)分割成K个长度为M的子信号sk(n)，满足M＝N/K，以每个子信号作为矩阵的列向量构成矩阵SM×K；对每一个子信号补零至2M长度构成矩阵E2M×K，对补零后的各个子信号做快速傅里叶变换，F2M为快速傅里叶变换矩阵，并求出快速傅里叶变换结果的共轭H2M×K作为接收端帧同步的参考矩阵；

H2M×K＝[F2M×E2M×K]^* (6)

步骤2)在接收端利用长度为2M的滑动窗口取得时刻t的接收信号其中rt(m)为时刻t滑动窗口内接收信号的采样点，滑动窗口每次滑动M点长度，对接收信号做快速傅里叶变换，得到接收向量

将步骤1)中得到的帧同步参考矩阵H2M×K的每一列与接收向量计算点乘，得到矩阵U2M×K的对应列

其中，H2M×K(k)为矩阵H2M×K的第k列；对每一列做反傅里叶变换得到矩阵

其中IF2M为反傅里叶变换矩阵，取矩阵的前M行得到矩阵作为各个子信号与接收信号互相关的结果；

步骤3)将用于存放结果的矩阵的列向量统一向右平移一列，并将第一列置零，得到矩阵然后将步骤2)得到的互相关结果矩阵与矩阵叠加，得到当前时刻的结果矩阵

取矩阵最右一列的列向量作为当前时刻帧同步结果；

步骤4)将步骤3)中的得到的累积K个时刻，得到一个N＝KM长度的向量P1×N：

其中{}^T为对矩阵求转置，则P1×N为K个时刻互相关结果的拼接，在P1×N中搜索最大值，若最大值超过同步阈值，则最大值的位置为帧头的起始时刻，从而实现了信号的帧同步，否则，返回步骤2)，继续计算分块相关并搜索同步点，若没有信号到来，则始终处于搜索状态。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法可以在不降低帧同步性能的条件下，大幅减少同步过程中所需占用的存储空间，同时降低了计算复杂度，提高了计算效率；

2、本发明的方法在不降低帧同步性能的条件下克服了传统方法占用存储较大的缺点，同时计算量也有所降低，适用于远程水声通信中大点数的帧同步过程。

附图说明

图1为本发明提供的远程水声通信信号分块帧同步方法流程图；

图2为本发明提供的分块帧同步方法的实现示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明提供的一种远程水声通信分块帧同步方法做进一步阐释。

本发明提供的一种远程水声通信分块帧同步方法流程图，如图1所示，具体描述如下：

远程水声通信系统为了保证地信噪比下稳健的通信性能，通常在有用信号之前发射一段具有良好相关特性的同步信号用作帧同步，如M序列、线性调频信号、双曲调频信号等。考虑到实际通信中多普勒效应的干扰，这里采用具有良好多普勒不变性的双曲调频信号作为同步信号，系统采样率为Fs，同步信号长度为N。

本地参考信号的生成：接收端将本地生成的长度为N的双曲调频信号s(n)分割为K个长度为M的子信号sk(n)，满足M＝N/K，如公式(1)。将每一个子信号补零至2M长度，对其做快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换得到的结果取共轭，得到对应的本地参考信号hk(l)，如公式(2)：

上述过程的矩阵表示为：帧同步信号分为等长的K个子信号sk(n)，其中每个子信号长度为M；以每个子信号作为矩阵的列向量构成矩阵SM×K，如公式(3)。在接收端对每一个子信号补零至2M长度构成矩阵E2M×K，如公式(4)，对补零后的各个子信号做快速傅里叶变换，F2M为快速傅里叶变换矩阵，如公式(5)；并求出快速傅里叶变换结果的共轭H2M×K作为接收端帧同步的参考矩阵，如公式(6)，

H2M×K＝[F2M×E2M×K]^* (6)

分块滑动相关：在接收端的滑动窗口长度为2M，每次滑动M点长度，时刻t滑动窗口内的接收信号为其中rt(n)为时刻t滑动窗口内接收信号的采样点。对信号做快速傅里叶变换，得到接收向量如公式(7)。将接收向量与本地参考信号hk(l)相乘，获得乘积如公式(8)，并对做快速反傅里叶变换，仅取前M个点，得到分块互相关的有效结果如公式(9)：

上述过程的矩阵表示为：在接收端利用长度为2M的滑动窗口取得时刻t的接收信号其中rt(m)为时刻t滑动窗口内接收信号的采样点。滑动窗口每次滑动M点长度，对接收信号做快速傅里叶变换，得到接收向量如公式(10)，将帧同步参考矩阵H2M×K的每一列与接收向量计算点乘，得到矩阵U2M×K的对应列，如公式(11)，其中H2M×K(k)为矩阵H2M×K的第k列，对矩阵的每一列做反傅里叶变换得到矩阵如公式(12)，其中IF2M为反傅里叶变换矩阵，如公式(13)，取矩阵的前M行得到矩阵作为各个子信号与接收信号互相关的结果：

其中，为t时刻滑动窗口内的接收信号与第k个本地参考信号的互相关结果，为由构成的长度为M的列向量。则以为列向量构成矩阵

分块延时叠加：图2为分块延时叠加的示意图，在t时刻将t-1时刻延时叠加的结果延时M点，也即将矩阵的列向量统一向右平移一列，并将第一列置零，得到其中为长度为M的列向量，是t-1时刻第k个分块延时叠加的结果。然后将t时刻K个分块互相关的结果分别与延时后的结果叠加，得到t时刻延时叠加后的结果如公式(16)所示：

取矩阵最右一列的列向量作为当前时刻帧同步结果；

帧同步搜索：每累积K个时刻的互相关结果得到一个长度为N＝KM的向量P1×N，其中为时刻t的互相关结果，{}^T为对矩阵求转置。

则P1×N为K个时刻互相关结果的拼接，在P1×N中搜索最大值，若最大值超过同步阈值，则最大值的位置即为帧头的起始时刻，从而实现了信号的帧同步。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。