[发明专利]基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法

摘要

基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法，涉及水声通信。设置对称三角调频的Chirp载波结构，以对称三角调频信号作为同步信号；对信号进行FRFT变换，记录FRFT所得结果作为接收端参考信息，所述结果包括最佳阶次、尖峰所在位置等；发送信号前在同步信号前段添加一段唤醒信号；接收端程序采用FFT谱分析计算的方法，对唤醒信号进行检测；接收系统被唤醒后，对接收信号FRFT；根据FRFT结果对信号进行初步超前同步校正；利用同步跟踪环对信号进行精准的同步跟踪。利用对称三角波的对称性，结合FRFT的分析手段通过分析双峰位置的偏移特点实现初步同步校正，并通过双峰的峰值高低差反馈实现精准同步跟踪。

主权项

1.基于对称三角调频的水下通信的同步跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：1)设置对称三角调频S_T(t)的Chirp载波结构，每个周期包括正、负调频斜率两部分，S_T⁺(t)、S_T^‑(t)分别为正、负调频斜率两部分的时域表达式,t为时域自变量，信号的频率在一个周期内线性上升到某个值,然后线性下降到起始值,周期重复上调频部分为[0,T/2]，下调频部分为[T/2,T]；其中A为信号幅度，T为扫频周期，B为信号有效带宽,f₀为信号有效中心频率,μ为调频率，φ表示初始相位；2)对信号进行FRFT变换，记录FRFT所得结果作为接收端参考信息，所述结果包括最佳阶次、尖峰所在位置；s(t)的p阶离散分数阶傅里叶变换是一个线性运算：S(α,U)为的离散分数阶傅里叶变换表达式，U为离散分数阶傅里叶变换域的自变量；其中旋转角阶数p≠2n，n为整数，λ₁＝‑cotα，λ₂＝cscα，L＝N^1/2，N是信号采样点数；因为FRFT是将信号在一组正交的Chirp信号上展开，故发送信号的FRFT结果是冲激信号；而对称三角波由上调频和下调频两部分组成，FRFT后分别获得两部分参数：k₂＝‑k₁其中f_s为系统采样率，k₁，k₂分别为上下调频部分的调频斜率，p₁，p₂分别为上下调频部分的最佳FRFT变换阶次；最佳阶次与调频率有关，上调频和下调频两部分信号分别在相反的阶次形成尖峰；已知三角调频信号的调频率，利用上面公式算出最优阶次p₁，p₂，再分别对信号进行p₁，p₂阶FRFT变换，记录尖峰位置u₁,u₂；3)发送信号前在同步信号前段添加一段唤醒信号，信号发送后，接收系统等待被唤醒，唤醒接收系统后，接收系统正式进入同步时刻解调，避免无效信息一直进行分数阶傅里叶变换且能控制同步窗起始位置在一定的范围内；被唤醒的信号为四个单频信号的叠加信号，频率分别为F1,F2,F3,F4，其中要求F1～F4等间隔递增；4)接收端程序采用FFT谱分析计算的方法，对唤醒信号进行检测；由于多普勒频移的存在，唤醒信号通过信道后四个频率成分均会发生变化，但频率间的差值不会变化，所以这里检测提取频率的差值；假设F2‑F1＝D，唤醒信号四个频率成分两两相减会得到差值D、2D、3D，只要连续检测到2次三个差值中的任意两个，就唤醒接收系统进入同步定位解调；5)接收系统被唤醒后，对接收信号FRFT；系统唤醒后，确保同步窗超前于同步信号，这样能保证直达径信号产生的FRFT尖峰能被检测到，避免错把多径成分当成直达径，具体方法如下：先对同步信号进行FRFT变换，后续的初步同步校正和同步跟踪均建立在FRFT同步窗变换结果之上，考虑时延和多普勒频移，根据FRFT的时移和频移特性，对接收信号进行FRFT运算得R_p(u)为接收信号在p阶FRFT变换结果函数，X_p(u)为核函数，N(u)为噪声，u为分数阶傅里叶变换域的自变量；参数A₀表示直达径幅度衰减系数，A_i表示第i径幅度衰减系数，N₀为本征声线数，τ₀为直达径时延，τ_i为第i径时延，ε₀为直达径多普勒频偏，ε_i为第i径多普勒频偏；6)根据FRFT结果对信号进行初步超前同步校正，具体方法如下：(1)若只在p₁阶出现尖峰，p₂阶没有尖峰，把同步窗往后移T/2；(2)当FRFT结果两个阶次都捕获到了尖峰，p₁阶和p₂阶FRFT结果分别取幅值最大的尖峰作为直达径的FRFT结果，其他小尖峰为多径成分，不作考虑；(3)把两阶次直达径尖峰标在同一个FRFT窗口，然后标出两尖峰所在位置的垂直平分线，作为对称轴，找出对称轴所在横轴位置；(4)时延/多普勒下FRFT尖峰移动，FRFT窗起点与信号起点不重合使对称轴位置移动τ₀cosα，而多普勒频移后对称轴位置不变；接收信号FRFT初始结果所得对称轴与原始对称轴参数相减得时延τ₀cosα，得出的时延用于校正FRFT同步窗位置，对信号进行超前/滞后初步同步校正，将FRFT同步窗与信号的误差缩小到一个相对较小范围，减少后续同步跟踪的计算量；7)利用同步跟踪环对信号进行精准的同步跟踪，具体方法如下：初步校正后仍会存在因同步位置有些许差异造成的能量溢出，此时FRFT域双峰仍会有高低差，需要利用同步跟踪环对信号进行精准的同步跟踪，同步跟踪环是一个以“把双峰幅度差锁定为0”为目的的闭环结构，以双峰幅度差来估计同步偏差，其工作步骤为：(1)将初步同步校正后的信号分别进行p₁、p₂阶FRFT变换，得到两个FRFT域谱线图；(2)在FRFT峰值结果|R_p1(u)|²、|R_p2(u)|²中选取能量最大的，分别作为两阶次的尖峰|R_m1|²、|R_m2|²，即：|R_m1|²＝argmax{|R_p1(u)|²}|R_m2|²＝argmax{|R_p2(u)|²}其中，R_p1(u)为接收信号在p₁阶FRFT变换结果函数，|R_m1|²为该阶次的尖峰，R_p2(u)为接收信号在p₂阶FRFT变换结果函数，|R_m2|²为该阶次的尖峰；(3)将双峰能量相减，得双峰幅度能量差e，作为溢出能量的估计，即：e＝|R_m1|²‑|R_m2|²(4)以能量差e占总能量百分比为依据，确定同步窗移动的距离τ为：τ与e成正比，λ为抑制因子，避免过大的窗口移动，λ＝0.4；(5)同步窗移动τ，重复步骤(1)进行下一次同步跟踪，直到e达到预先设定的阈值，表示FRFT双峰幅度接近相等，同步成功。