專利名稱：一種測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種多普勒偏移估計(jì)和時(shí)間同步的方法，其目的是應(yīng)用于相干解
調(diào)系統(tǒng)的水聲通信系統(tǒng)，為相干解調(diào)提供頻率偏移的估計(jì)，并且準(zhǔn)備的給出時(shí)間同步信 息。本發(fā)明也給出了測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移方法的系統(tǒng)
背景技術(shù)：
現(xiàn)在的水聲通信技術(shù)已經(jīng)由純軍事用途擴(kuò)展到民用和商用中，廣泛用于導(dǎo)航， 水下測(cè)量，海洋勘探和開發(fā)等眾多領(lǐng)域。隨著對(duì)海洋探索的不斷深入，傳統(tǒng)的低速率通 信方式已經(jīng)越來越不能滿足人們對(duì)于傳輸大量數(shù)據(jù)的要求，現(xiàn)在需要的是高速率、高可 靠性的通信方式。 在過去的20年間，相干解調(diào)的水聲通信系統(tǒng)取得了長足的進(jìn)展。相干解調(diào)本身 的特性決定了這種方法對(duì)于時(shí)間定位和頻偏估計(jì)精度的要求很高。而聲波在水中傳播的 時(shí)候，多普勒效應(yīng)非常明顯，這給水聲通信帶來了很大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究出一種測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法及其系統(tǒng)。 本發(fā)明針對(duì)水聲通信中出現(xiàn)的多普勒現(xiàn)象而帶來的水聲通信困難，給出了一種
快速測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法，以解決頻偏估計(jì)精度和時(shí)間定位的問題。本發(fā)明的
方法應(yīng)用于水聲通信服務(wù)。 本發(fā)明所述的測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法的技術(shù)方案為 信號(hào)產(chǎn)生在信號(hào)處理單元1(1)中通過導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生模塊(7)和合成模塊(8)實(shí) 現(xiàn)，信號(hào)解算在信號(hào)處理單元2(6)中通過相關(guān)器1(9)，相關(guān)器2(10)和信號(hào)解算模塊(11) 實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟 步驟l、根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要，選擇雙曲線調(diào)頻信號(hào)的幅度A，頻率下限fL，頻率 上限fu，掃頻時(shí)間T。令
獲得雙曲線調(diào)頻信號(hào)的解析表達(dá)式如下
<formula>formula see original document page 4</formula> 步驟2、導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生模塊(7)產(chǎn)生作為導(dǎo)頻信號(hào)的一對(duì)雙曲線調(diào)頻信號(hào)，解析 表達(dá)式如下
ne = n腿+( t -T)Ts 上述測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法采用的系統(tǒng)為原有水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射和接 收系統(tǒng)。該測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移方法的系統(tǒng)包括接收端和發(fā)射端。
發(fā)射端包括信號(hào)處理單元1(1)，功放(2)，發(fā)射換能器(3)，接收端包括接收換能 器(4)，濾波器(5)，信號(hào)處理單元(6)。 信號(hào)處理單元1(1)與功放(2)之間通過數(shù)據(jù)線連 接；功放(2)和發(fā)射換能器(3)之間通過數(shù)據(jù)線連接；發(fā)射換能器(3)和接收換能器(4)之 間是無線水聲信道；接收換能器(4)和濾波器(5)之間通過數(shù)據(jù)線連接；濾波器(5)和信號(hào) 處理單元(6)之間通過數(shù)據(jù)線連接。 信號(hào)處理單元l(l)用于將需要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)化為待發(fā)送的信號(hào)，可由一塊DSP 實(shí)現(xiàn)。它包括導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生模塊(7)，合成模塊(8)。
功放(2)用于放大待發(fā)送的信號(hào)。 發(fā)射換能器(3)用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)發(fā)送出去。
接收換能器(4)用于接收聲信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
濾波器(5)用于選擇特定頻段的信號(hào)，以提高信噪比。 信號(hào)處理單元2(6)用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解算，獲得發(fā)射端發(fā)出的信息可由 一塊FPGA和一塊DSP實(shí)現(xiàn)。FPGA實(shí)現(xiàn)相關(guān)器1(9)和相關(guān)器2(10)， DSP實(shí)現(xiàn)相關(guān)峰 分板模塊(11)， FPGA與DSP間由數(shù)據(jù)線連接。 但由于本發(fā)明需要進(jìn)行較為復(fù)雜的運(yùn)算，因而可以使用但并不是必須使用額外 信號(hào)處理設(shè)備。


圖1測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移系統(tǒng)框圖。
圖2信號(hào)處理單元1框圖。
圖3信號(hào)處理單元2框圖。
權(quán)利要求
一種測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法，其特征在于至少包括以下步驟1)水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射端在發(fā)送有效數(shù)據(jù)前，先發(fā)送一對(duì)雙曲線調(diào)頻信號(hào)作為導(dǎo)頻信號(hào)，形式如下 <mrow><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>nT</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>3</mn> <mi>T</mi></mrow><mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <msub><mi>nT</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，其中，Ts是水聲通信系統(tǒng)的采樣間隔，A是雙曲線調(diào)頻信號(hào)的幅度，T是雙曲線調(diào)頻信號(hào)由最低頻掃到最高頻所經(jīng)過的時(shí)間，m是信號(hào)的調(diào)頻斜率，f0是信號(hào)s(n)過零點(diǎn)時(shí)的頻率；導(dǎo)頻信號(hào)與待發(fā)送有效數(shù)據(jù)之間的間隔是確定的；水聲通信系統(tǒng)的接收端需要有相關(guān)器1和相關(guān)器2對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，相關(guān)器1參考信號(hào)形式如下 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>nT</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>相關(guān)器2的參考信號(hào)形式如下 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <msub><mi>nT</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>設(shè)相關(guān)器1和相關(guān)器2輸出信號(hào)的包絡(luò)出現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)數(shù)為n1和n2，那么A、頻率偏移系數(shù) <mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>m</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>2</mn><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi></msub><mo>+</mo><mi>m</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>參數(shù)p的物理意義是，在發(fā)射端發(fā)出的頻率為f的信號(hào)，經(jīng)過信道傳播后，接收端接到的信號(hào)頻率為p·f。B、掃頻信號(hào)出現(xiàn)頻率最大值的時(shí)刻是 <mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>則有效數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻為ne＝nmax+(τ-T)Ts
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移方法的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括接收端和發(fā)射端，發(fā)射端包括信號(hào)處理單元1(1)，功放(2)，發(fā)射換能器(3)，接收端包括接收換能器(4)，濾波器(5)，信號(hào)處理單元(6)。信號(hào)處理單元1(1)與功放(2)之間通過數(shù)據(jù)線連接；功放(2)和發(fā)射換能器(3)之間通過數(shù)據(jù)線連接；發(fā)射換能器(3)和接收換能器(4)之間是無線水聲信道；接收換能器(4)和濾波器(5)之間通過數(shù)據(jù)線連接；濾波器(5)和信號(hào)處理單元(6)之間通過數(shù)據(jù)線連接；信號(hào)處理單元1(1)用于將需要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)化為待發(fā)送的信號(hào)，由一塊DSP實(shí)現(xiàn)；它包括導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生模塊(7)，合成模塊(8);功放(2)用于放大待發(fā)送的信號(hào)；發(fā)射換能器(3)用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)發(fā)送出去；接收換能器(4)用于接收聲信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 濾波器(5)用于選擇特定頻段的信號(hào)，以提高信噪比；信號(hào)處理單元2(6)用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解算，獲得發(fā)射端發(fā)出的信息由一塊 FPGA和一塊DSP實(shí)現(xiàn)；FPGA實(shí)現(xiàn)相關(guān)器1(9)和相關(guān)器2(10)， DSP實(shí)現(xiàn)相關(guān)峰分板模 土央(ll)， FPGA與DSP間由數(shù)據(jù)線連接。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移的方法為信號(hào)產(chǎn)生在信號(hào)處理單元1中通過導(dǎo)頻信號(hào)產(chǎn)生模塊和合成模塊實(shí)現(xiàn)，信號(hào)解算在信號(hào)處理單元2中通過相關(guān)器1，相關(guān)器2和信號(hào)解算模塊實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明所述的測(cè)量并計(jì)算多普勒偏移方法的系統(tǒng)包括接收端和發(fā)射端，發(fā)射端包括信號(hào)處理單元1，功放，發(fā)射換能器，接收端包括接收換能器，濾波器，信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元1與功放之間通過數(shù)據(jù)線連接；功放和發(fā)射換能器之間通過數(shù)據(jù)線連接；發(fā)射換能器和接收換能器之間是無線水聲信道；接收換能器和濾波器之間通過數(shù)據(jù)線連接；濾波器和信號(hào)處理單元之間通過數(shù)據(jù)線連接。
文檔編號(hào)H04B13/02GK101692629SQ20091009830
公開日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者馮海泓, 張學(xué)森, 溫周斌, 郭霖, 黃敏燕 申請(qǐng)人:嘉興中科聲學(xué)科技有限公司