一種新型水聲信號同步的DSP實現

韓 沖，張效民，李通旭，陳 瑜

（1.西北工業大學 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雜的時—空—頻變參隨機多徑傳播的信道，還加上它的環境噪聲高、帶寬窄、可用的載波頻率低、傳輸的時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域得到廣泛應用。我們經過前期大量中遠程海上遠距離遙控測試，結合大量海試數據分析，提出一種精確穩健快速的時間同步方法[2-3]。該方法基于HFM的自相關特性和對Doppler的不變性，通過構造一種特殊的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，取得了理想的結果。海試數據結果驗證了算法有效可靠性。

1 系統模型

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具有下圖所示的幾個組成部分[4]：

圖1 水下通信系統示意圖Fig.1 Underwater communication system

由圖1可以看出，同步模塊對整個接收系統提供接收位的信息反饋，對接收信號做調整來保障系統正確無錯位的接收系統，是整個系統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，通常被用于復雜信道下，即水聲信道通信系統中，作為典型的時間同步信號。然而，當系統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，特對對于系統比特率較高的情況下（比如，擴頻系統），一旦系統同步誤差超過半個chip，此時接收信號甚至會無法進行信號解碼，導致系統誤碼率劇增。

HFM作為LFM信號的擴展信號，它本身繼承了LFM一些優點，比如具有良好的相關性，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，其中HFM的模糊度函數為：

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，利用同步頭的相關性進行鎖相操作，使得接收機同步到與發送端相同的碼元相位，從而實現位同步，這種方法的最大優點是快捷，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。

在系統同步理論中，傳統方法在利用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境中能夠得到較為理想的結果，然而，在實際海洋多徑干擾以及突發色噪聲干擾的情況卻沒有充分考慮。傳統算法僅為單一重復的利用同步信號組合作為同步碼設計，無法有效抑制多徑干擾，使得后面跟蹤環節壓力過大導致跟蹤算法崩潰。針對以上問題本文提出相應的改進算法，具體原理將在下一節詳細闡述。

2 基于HFM的時間同步信號設計

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

如圖2所示，設計的時間同步信號結構為：

圖2 同步信號結構示意圖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方法實現跟蹤的同時，以確定同步信號的結束，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滑動相關檢測HFM信號。當接收信號與本地信號相關結果超過MCU預設閾值，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，得到相應的延時時間，然后對HFM相關峰初步補償，最后利用正反HFM信號PLL匹配相關對同步誤差進行微調，跟蹤同步信號的結束位置，當接收到的SBHFM信號與本地信號匹配相關達到系統樣機預設門限時，結束同步，否則DSP重新進行信號接收，退回最初捕獲狀態[7]。最終將得到的位同步信息送入解調和解碼環節，實現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

仿真數據為南海某海域海試實測信號數據，由于接收信號的同步、解調、譯碼主要由信號處理（DSP）芯片來完成，接收系統中進行信號預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主要放在DSP系統上。考慮選擇基于TMS320C5000系列的DSP進行接收系統的構建。測試參數為[-30,30]節相對運動速率， 頻率范圍[10 kHz,15 kHz]，Wgard= 200 Hz, FFT采用1024點，調頻寬度為0.02 s,數據率100 bit/s,發送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，經過monte carlo統計結果可以看出，該信號處理方法可以有效補償相關峰時間偏移，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樣機測試相關結果。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峰，而在后端經過下調頻的相關檢測算法后能夠得到相對較好的相關峰值，從而為后續解碼環節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 論

文中經過3個月試驗，對水下通信系統同步算法試驗中得到經驗進一步進行研究，提出了一種基于線性調頻信號組合的時間同步信號新算法。結合大量海試數據及DSP原理樣機測試結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，然而相比傳統同步方式，本方法同步精度更高，計算復雜度更低，經過海試實驗驗證，在-15 dB信噪比干擾情況下，100 kM遠距離通信30節相對運動情況下能夠滿足性能要求。因此，經過MATLAB仿真、DSP原理樣機調試、海上測試結果論證了算法的穩定性與可靠性。

[1] Sharif B S , Neasham J A , Hinton R, et al. A computationally efficient doppler compensation system for underwater acoustic communication[J]. IEEE Journal of Oceanographic Engineering Special Issue on Underwater Communication, 1999 , 25(1):52-61.

[2]張國松，周士弘.一種精確的水聲通信時間同步信號設計[J].聲學與電子工程,2009(93):34-36 ZHANG Guo-song,ZHOU Shi-hong.A precise design of underwater acoustic communication time synchronizationsignal[J]. Acoustic and Electronic Engineering,2009(93) :34-36.

[3]童峰，許芬，許肖梅.水聲數據傳輸系統中的同步信號處理.廈門大學學報[J],2001,40(3):684-688 DONG Feng,XU Fen,XU Xiao-mei. Sync signal processing in underwater acoustic data transmission system[J].Journal of Xiamen University,2001,40(3):684-688

[4]John Proakis. Digital Communication[M]. New York:McGrawhill,1989.

[5]田坦, 劉國枝, 孫大軍.聲納技術[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 2000.

[6]Ghosh A, Ratasuk R, Mondal B, et al.LTE-advanced:next-generation wireless broadband technology [invited paper][J].IEEE Wireless Commun, 2010,17(3):10-22.

[7] Luo L, Davis L, Grant A.4G and beyond in Australia:technologies and opportunities in the NBN era[J].Telecommun ications,2012,62(1):1-17.