[发明专利]一种扩频水声通信的快速精确同步方法

摘要

本发明涉及水声通信领域，主要是一种扩频水声通信的快速精确同步方法。本发明采用循环扩展的m序列作为帧头，接收端利用m序列图钉形的时频模糊特性，采用快速沃尔什变换处理先后进行频偏粗、细搜索，估计帧头信号的初始频偏值，利用滑动相关法估计帧头信号的起始时刻，完成帧同步。采用快速沃尔什变换处理设计时间和频率同步跟踪环对帧体内的每个扩频符号进一步完成时间和频率跟踪。本发明的优点在于：本发明克服了传统方法需要存储多个不同频偏的PN序列版本的缺点，占用的存储量小，采用FWT处理很大程度降低运算量，扩频序列可采用m序列生成的复合序列，适用于M元与PPM混合调制的扩频水声通信，具有很好的实时性和实用性。

主权项

1.一种扩频水声通信的快速精确同步方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤： 步骤一：采用循环扩展的m序列作为帧头，其长度为2倍的m序列信号长度，m序列表示为[m_(L+1)/2+1 m_(L+1)/2+2 … m_L m₁ m₂ … m_L m₁ m₂ … m_(L+1)/2]，接收端截取1/2帧头长度数据处理，即一个完整的循环移位m序列，接收端先对接收信号x(n)与载波混频，如公式1，载波频率为f_c，f_s为采样频率，再对y(n)低通滤波处理，如公式(2)，获得复包络信号z(n)，h(n)为低通滤波器系数； y(n)=x(n)exp(-j2πf_cn/f_s)         (1) 步骤二：利用m序列图钉形的时频模糊特性，先以大步长Δf对步骤一的复包络信号z(n)进行频偏粗搜索，搜索次数如公式(3)，最大多普勒频偏Δf_max如公式(4)，v_max为收发双方最大相对移动速度，c为水下声速，每次搜索以多普勒因子q_i对z(n)进行频偏修正获得序列r，r前添0，如公式(7)，再经过置换矩阵P₁置换后，形成的新序列进行快速沃尔什变换处理，快速沃尔什变换输出结果经过置换矩阵P₂置换得R，完成序列匹配相关处理，如公式(8)，N_f次搜索后，相关峰最大值对应搜索频道的频偏即为估计值，完成频率同步粗搜索，再在粗略频率周围，按照与粗搜索类同的方法以小步长细搜索，获得精确的频偏，搜索步长如公式(9)，每次搜索的多普勒因子如公式(10)，共搜索5次，q'为粗搜索获得的多普勒因子； r'=[0 r]^T         (7) R=P₂W_hP₁r'       (8) 步骤三：利用步骤二获得的频偏值对步骤一的复包络信号进行频偏修正，获得的接收序列与本地参考m序列进行滑动相关处理，由于帧头为循环扩展m序列，理想情况下滑动相关结果具有二值特性，如公式(11)，如果相关峰值大于预设门限值，则捕获到帧头信号，帧同步完成，相关峰位置对应的时刻就为帧头的起始时刻，步骤二获得的频偏值即为频率同步结果，否则回到步骤一； 步骤四：分别在步骤三获得的同步时刻超前或滞后1/2码片时间截取帧体内第一个符号，先由公式(1)、公式(2)完成复包络解调，再利用步骤二的频率同步对复包络信号频偏修正获得接收序列u，由公式(12)得到r，r前添0，经过置换矩阵P₁置换后，再进行快速沃尔什变换处理，由公式(8)完成序列匹配相关处理，根据两者相关峰值大小调整第二个符号的同步时刻，以此类推，进行帧体内剩余符号的时间同步跟踪，利用步骤二获得同步时刻截取帧体内第一个扩频符号进行复包络解调，分别在步骤三的频率同步基础上正频偏或负频偏，频偏大小为PN序列的频率分辨率的1/4，对接收的序列u由公式(12)得到r，r前添0，经过置换矩阵P₁置换后，再进行快速沃尔什变换处理，由公式(9)完成序列匹配相关处理，根据两者相关峰值大小调整第二个符号的频偏值，以此类推，进行帧体内剩余符号的频率同步跟踪。 r=uA         (12) 。