韓 沖，張效民，李通旭，陳 瑜

（1.西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072; 2. 浙江大學 城市學院，浙江 杭州 310015 ）

水聲信道是一個十分復(fù)雜的時—空—頻變參隨機多徑傳播的信道，還加上它的環(huán)境噪聲高、帶寬窄、可用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r延大等這些諸多因素，因此一種快速、可靠的水下通信同步方法顯得尤為重要[1]。HFM（雙曲調(diào)頻）信號具有良好的想干特性，多普勒不變性，在水聲通信特別是主動聲納領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我們經(jīng)過前期大量中遠程海上遠距離遙控測試，結(jié)合大量海試數(shù)據(jù)分析，提出一種精確穩(wěn)健快速的時間同步方法[2-3]。該方法基于HFM的自相關(guān)特性和對Doppler的不變性，通過構(gòu)造一種特殊的HFM組合，利用匹配濾波的時域捕獲及PLL跟蹤方式，在海試驗研究中，取得了理想的結(jié)果。海試數(shù)據(jù)結(jié)果驗證了算法有效可靠性。

1 系統(tǒng)模型

同步作為水下通信的一個重要組成部分，具有非常重要的作用。如圖1所示，通常一個水下通信系統(tǒng)具有下圖所示的幾個組成部分[4]：

圖1 水下通信系統(tǒng)示意圖Fig.1 Underwater communication system

由圖1可以看出，同步模塊對整個接收系統(tǒng)提供接收位的信息反饋，對接收信號做調(diào)整來保障系統(tǒng)正確無錯位的接收系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)通信誤碼的重要保證。

LFM信號作為一種特殊的具有良好自相關(guān)性，能夠一定程度上對抗多徑干擾以及具有一定的多普勒容限等特征，通常被用于復(fù)雜信道下，即水聲信道通信系統(tǒng)中，作為典型的時間同步信號。然而，當系統(tǒng)具有較大的多徑干擾且超過LFM信號本身所能忍受的多普勒容限的情況下，利用LFM信號作為系統(tǒng)位同步信號時，同步精度就會存在較大的偏差，特對對于系統(tǒng)比特率較高的情況下（比如，擴頻系統(tǒng)），一旦系統(tǒng)同步誤差超過半個chip，此時接收信號甚至會無法進行信號解碼，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率劇增。

HFM作為LFM信號的擴展信號，它本身繼承了LFM一些優(yōu)點，比如具有良好的相關(guān)性，而且相對于LFM信號，HFM信號具有Doppler不變性和更好的抗多徑能力[5]。在文獻[2]中可以看出HFM信號可以表示為：

HFM信號相位和瞬時頻率分別為：

從而可以分別得出HFM與LFM的模糊度函數(shù)，其中HFM的模糊度函數(shù)為：

由式（4）（5）可以看出，隨著時間尺度的加大，LFM信號在多徑延時較超過一定范圍后，其時間分辨率會越來越差，無法精確獲得較為理想的尖峰；對于HFM信號，其時間分辨率較LFM信號要好一些，且在相同的帶寬和持續(xù)時間情況下，LFM與HFM信號相比其多普勒容限具有一定的下限。因此，在時間分辨率角度來看，HFM具有更高的精度。

眾所周知，在通信理論中同步方法具有很多種，在水聲通信匯總，采用較多并且工程實現(xiàn)較為容易的是同步頭法，在大量水聲工程試驗中，利用同步頭的相關(guān)性進行鎖相操作，使得接收機同步到與發(fā)送端相同的碼元相位，從而實現(xiàn)位同步，這種方法的最大優(yōu)點是快捷，缺點也比較明顯，即對于所選同步序列的抗干擾能力具有較高的要求。

在系統(tǒng)同步理論中，傳統(tǒng)方法在利用LFM或HFM信號作為位同步頭時，針對普通的高斯白噪聲實驗環(huán)境中能夠得到較為理想的結(jié)果，然而，在實際海洋多徑干擾以及突發(fā)色噪聲干擾的情況卻沒有充分考慮。傳統(tǒng)算法僅為單一重復(fù)的利用同步信號組合作為同步碼設(shè)計，無法有效抑制多徑干擾，使得后面跟蹤環(huán)節(jié)壓力過大導(dǎo)致跟蹤算法崩潰。針對以上問題本文提出相應(yīng)的改進算法，具體原理將在下一節(jié)詳細闡述。

2 基于HFM的時間同步信號設(shè)計

文中提出一種基于HFM與單頻組合信號作為通信系統(tǒng)中位同步信號。我們設(shè)計一種單頻信號和正反HFM信號結(jié)構(gòu)組合信號，作為時間同步信號，可以互相取長補短，同時利用PLL對HFM信號組合實現(xiàn)精確的跟蹤，從而達到精確的時間同步。

如圖2所示，設(shè)計的時間同步信號結(jié)構(gòu)為：

圖2 同步信號結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of synchronizing signal

同步信號表達式為：

式中，首先利用 進行接收機捕獲信號處理，然后利用兩個單頻信號在接收端做信號補償，最后利用兩個HFM組合信號做為信號跟蹤鎖相，從而達到整個信號位同步工作過程，后面兩個HFM信號分別為正HFM和反HFM信號，這種組合可以有效利用PLL方法實現(xiàn)跟蹤的同時，以確定同步信號的結(jié)束，信息位置的開始[6]。

如圖3所示，接收機在接收信號開始時利用MCU滑動相關(guān)檢測HFM信號。當接收信號與本地信號相關(guān)結(jié)果超過MCU預(yù)設(shè)閾值，MCU啟動DSP。DSP對同步信號中兩個單頻信號做快速FFT處理，估計出頻率偏移量，得到相應(yīng)的延時時間，然后對HFM相關(guān)峰初步補償，最后利用正反HFM信號PLL匹配相關(guān)對同步誤差進行微調(diào)，跟蹤同步信號的結(jié)束位置，當接收到的SBHFM信號與本地信號匹配相關(guān)達到系統(tǒng)樣機預(yù)設(shè)門限時，結(jié)束同步，否則DSP重新進行信號接收，退回最初捕獲狀態(tài)[7]。最終將得到的位同步信息送入解調(diào)和解碼環(huán)節(jié)，實現(xiàn)精確的時間同步過程。具體流程在圖中予以詳細說明。

圖3 同步算法流程示意圖Fig3 Synchronization algorithm diagram

3 性能分析

仿真數(shù)據(jù)為南海某海域海試實測信號數(shù)據(jù)，由于接收信號的同步、解調(diào)、譯碼主要由信號處理（DSP）芯片來完成，接收系統(tǒng)中進行信號預(yù)處理的模擬硬件電路的功耗與DSP相比小得多，所以，接收裝置低功耗問題研究應(yīng)主要放在DSP系統(tǒng)上。考慮選擇基于TMS320C5000系列的DSP進行接收系統(tǒng)的構(gòu)建。測試參數(shù)為[-30,30]節(jié)相對運動速率， 頻率范圍[10 kHz,15 kHz]，Wgard= 200 Hz, FFT采用1024點，調(diào)頻寬度為0.02 s,數(shù)據(jù)率100 bit/s,發(fā)送3 072 bit比特信息，每個相對速率點進行200次monte carlo仿真，同步均方誤差MSE為：

如圖4所示，圖中給出同步誤差曲線，從中看出，id為同步理論位置，std為實際位同步算法計算位置，經(jīng)過monte carlo統(tǒng)計結(jié)果可以看出，該信號處理方法可以有效補償相關(guān)峰時間偏移，從而降低水聲通信的時間同步誤差。

如圖5-7所示，圖中給出3次不同抽樣時刻PLL跟蹤正反HFM信號DSP樣機測試相關(guān)結(jié)果。由圖可知，利用本文提出的時間同步方法，在前段信號接收后，無法得到精確的相關(guān)峰，而在后端經(jīng)過下調(diào)頻的相關(guān)檢測算法后能夠得到相對較好的相關(guān)峰值，從而為后續(xù)解碼環(huán)節(jié)提供可靠的同步起點，從而得到理想同步效果。

圖5 時刻1正反HFM跟蹤補償效果圖Fig.5 HFM tracking compensation effect at point 1

圖6 時刻2正反HFM跟蹤補償效果圖Fig.6 HFM tracking compensation effect at point 2

圖7 時刻3正反HFM跟蹤補償效果圖Fig.7 HFM tracking compensation effect at point 3

4 結(jié) 論

文中經(jīng)過3個月試驗，對水下通信系統(tǒng)同步算法試驗中得到經(jīng)驗進一步進行研究，提出了一種基于線性調(diào)頻信號組合的時間同步信號新算法。結(jié)合大量海試數(shù)據(jù)及DSP原理樣機測試結(jié)果對新同步算法進行測試，可以看出，算法對于抗多徑干擾以及多普勒偏移方面具有較為理想的性能，然而相比傳統(tǒng)同步方式，本方法同步精度更高，計算復(fù)雜度更低，經(jīng)過海試實驗驗證，在-15 dB信噪比干擾情況下，100 kM遠距離通信30節(jié)相對運動情況下能夠滿足性能要求。因此，經(jīng)過MATLAB仿真、DSP原理樣機調(diào)試、海上測試結(jié)果論證了算法的穩(wěn)定性與可靠性。

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