一種移動FH-FSK通信多普勒估計方法

王維偉, 孫慧嵩, 顏宏璐

一種移動FH-FSK通信多普勒估計方法

王維偉1, 孫慧嵩2,3,4, 顏宏璐2,3,4

(1. 大連測控技術研究所, 遼寧 大連, 116013; 2. 哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 3. 工業和信息化部 海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學), 黑龍江 哈爾濱, 150001; 4. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱, 150001)

在進行水下移動通信時, 多普勒效應會對信號造成影響, 常規估計多普勒頻偏因子的方法是通過發射多普勒敏感脈沖信號進行估計。在跳頻通信-頻移鍵控(FH-FSK)通信中, 單個碼片具有較好的多普勒敏感性, 文中采用32個跳頻碼片作為同步信號, 對同步信號中逐個碼片進行多普勒因子估計。在多普勒因子選擇時, 提出進行2次卡爾曼濾波后再取中值的方法, 使估計值更接近準確值。考慮到多普勒效應對同步造成的影響, 采用同步后進行多普勒補償再次同步的方法, 進一步減少解碼時由于同步偏差較大帶來誤判的可能性。仿真試驗結果表明, 基于卡爾曼濾波的多普勒因子選擇方法能使多普勒估計值更貼近理論值, 且重同步后通信誤碼率降低。該方法能夠提高多普勒估計精度, 進一步提升移動FH-FSK通信性能。

水下通信; 跳頻通信-頻移鍵控通信; 多普勒估計; 卡爾曼濾波

0 引言

近些年來, 隨著水下航行器的快速發展, 移動水聲通信越來越受到人們的重視[1]。水下環境的復雜性以及運動產生的多普勒效應都會對相互通信造成影響, 使通信的可靠性變差[2]。跳頻通信(frequency hopping, FH)通過擴展頻譜的方式提高了系統的抗干擾能力, 使系統能夠在復雜信道條件下實現遠距離的可靠通信。在實際應用中, FH常與頻移鍵控(frequency-shift keying, FSK)調制方式相結合形成FH-FSK通信[3]。

美國海軍Seaweb水聲通信網絡使用了傳輸速率為80 bit/s的FH-FSK通信技術進行試驗研究, 發現在淺海信道中該方案比差分相移鍵控(diffe- rential phase shift keying, DPSK)方案更穩健[4]。中科院聲學所為“蛟龍號”深海載人航行器所研制的水聲通信系統中集成了FH-FSK通信體制, 試驗結果顯示, 在航行器啟動螺旋槳推進器的情況下, 在所集成的4種通信方式中, 只有FH-FSK系統可以正常工作[5]。FH-FSK通信系統憑借良好的可靠性和保密性, 以及能進行多址通信的優勢, 在水聲通信網絡和水聲遙控等領域得到廣泛應用。水聲通信系統的研究主要在于如何降低信道對通信信號的畸變影響[6], 所以水聲FH-FSK通信系統的高可靠性同步檢測和多普勒估計與補償問題值得進一步研究[7]。文獻[8]通過在通信頻帶內劃分獨立的頻帶, 用導頻的方式來估計多普勒頻偏, 并對該方法進行了仿真, 仿真結果表明, 基于導頻的多普勒頻移估計及補償方法具有較強的抗窄帶干擾能力。

文中主要研究移動FH-FSK通信中多普勒估計技術, 由于單個跳頻碼片具有較好的多普勒敏感性, 因此, 可以對已知頻率的跳頻碼片進行多普勒估計, 進而得到多普勒頻偏因子。該項技術的特點在于基于Goertzel能量檢測方法進行同步, 并采用卡爾曼濾波方法進行多普勒估計改進。

1 多普勒效應對信號的影響

當聲源靜止時, 信號的頻偏和時長變化對應的表達式分別為

2 多普勒效應影響下的同步設計

良好的同步是正常通信的前提, 常規的同步方法可分為外同步法和內同步法2種。外同步法是利用相關性較好的信號作為同步頭, 利用同步信號的相關性建立同步, 這種方法簡單且同步速度快, 但同步頭會占用信道頻率資源和信號功率, 且信號隱蔽性較差。內同步法是基于發送信號本身進行同步, 這種方法不需要其他輔助信號, 而是直接在通信信號中提取同步信息, 這樣不僅增加了通信的頻帶利用率, 而且提高了通信的隱蔽性[10]。文中同步信號由32個跳頻碼片構成, 考慮到在移動通信中多普勒效應會對同步信號造成影響, 由于信號波形發生了變化, 采用拷貝相關法不能達到較好的效果。因此, 文中采用基于Go- ertzel能量疊加檢測算法的內同步法實現同步。

2.1 幀結構設計

圖1 信號的幀結構

2.2 模型仿真設計

2.3 Goertzel算法

傳統的基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)獲得頻譜能量的方法計算的是窗內所有頻點的能量, 不符合同步時能量檢測的要求。Goertzel算法[11]是一種比FFT計算效率更高, 能在給定信號中求出某一特定頻率能量的方法。在通信中, 由于信息頻率是不斷跳變的, 若信號窗長度和單個跳頻信號長度相同時, 在同一個窗函數內可能出現2個頻點。因此, 只對單一頻點能量進行計算的Goertzel算法更符合檢測要求。

2.4 Goertzel能量檢測法

FH-FSK通信中同步的方法是基于Goertzel能量疊加檢測進行的。FH-FSK通信中的各個頻點都按照一定規律進行跳變, 每個頻點對應的信號都具備一定能量, 因此可以按照通信中同步信號對應頻率的能量進行疊加, 通過能量峰值位置判斷信號的起始位置。圖2給出了通過Goertzel能量檢測方法確定同步信號位置的過程。由于同步信號頻率是已知的, 首先將頻率按照大小進行排序, 然后長度為、重疊長度為的窗函數依照頻率的順序依次計算窗內當前頻點對應的能量, 之后按照同步碼片中各碼片頻點的順序將能量值進行移位疊加, 移動窗長為形成能量峰值, 最后, 根據能量峰值的位置確定同步碼片的位置。

圖2 Goertzel能量檢測同步過程

3 基于碼片的多普勒估計技術

3.1 多普勒估計方法

圖3 離散傅里葉變換能量擬合示意圖

得到表達式為

3.2 多普勒估計算法的改進

在進行多普勒因子選擇時, 常規的處理方法是從均值或中值中選取。由于水聲信道環境復雜, 在進行多普勒因子估計時存在估計不準的情況, 如果存在多個碼片偏差較大, 采用均值法會使通信估計偏差增大, 甚至導致估計錯誤。均值法只能在估計值中的所有值都是準確估計時, 才能夠確保更高的精度。如果估計值中有一半以上估計準確, 中值法就不會產生較大的偏差, 但是精度不能保證。從圖4中可以看出, 由于每個碼片多普勒因子偏差較大, 不適合采用均值法, 但是采用中值法又不能確保多普勒因子的估計精度。由圖5中給出的信噪比在-10~10 dB時, 分別采用均值法和中值法進行多普勒因子選取情況, 可以看出, 采用中值法進行取值更接近真實值, 因此采用中值法選取性能略優于均值法。鑒于這2種方法都存在一定的誤差, 因此在中值法選取的基礎上, 提出一種新的方法——基于卡爾曼濾波的多普勒因子選擇。

圖4 碼片對應多普勒因子估計情況

圖5 中值法和均值法估計結果

3.3 卡爾曼濾波處理

卡爾曼濾波是一種高效的線性估計算法。將前一時刻的狀態估計值和當前測量的信息進行融合得到當前時刻的狀態估計值, 通過遞推方式將新產生的估計值與測量值不斷融合進行修正, 從而得到一個最優狀態估計[13]。若測量系統是線性的, 該系統可以表達為

4 算法仿真及分析

首先對多個已知頻率碼片分別進行多普勒估計, 然后對計算得到的多個多普勒因子進行卡爾曼濾波處理, 再對濾波后的結果進行取值, 從而得到新的多普勒因子估計值。這種方法能夠提高估計精度, 進一步提升系統估計的準確性。考慮仿真中要有足夠的數據量進行統計分析, 仿真次數設置為500次, 單次數據量達到256 bit, 可以實現最小誤碼率10–5的仿真結果。

圖7中給出了信噪比為–5~10 dB時, 采用3種方法對應的估計偏差, 從圖中可以看出, 三者與理論值相差量級限制在10–4, 在當前速度下經過2次卡爾曼濾波后再進行取值, 通信的估計精度得到了一定的提升, 相比于直接取中值, 通信性能提升了10–5左右。

文中研究固定速度下多普勒效應對碼片的影響, 即假設多普勒效應對信號每個碼片頻率的影響相同。前文介紹了根據32個已知頻率估計出多普勒因子的方法, 在估計出多普勒因子后需要對信號進行多普勒補償, 即計算出經多普勒效應影響后信號碼長及對應頻率, 從而消除多普勒效應對信號的影響, 確保通信的有效性。

圖8中給出了在精準同步下多普勒補償后的通信性能。圖中“ + ”標識表示不進行多普勒補償的情況, 通信的誤碼率維持在0.5左右, 無法進行通信; “ * ”標識表示按照通信預設速度進行補償時的通信性能曲線, 可以看出如果準確估計多普勒因子, 可以消除多普勒效應對通信的影響。“”標識為采用2次卡爾曼濾波后取中值, 估計出多普勒因子進行補償后通信的誤碼率曲線, 雖然沒有完全消除多普勒效應的影響, 但是很大程度上改善了通信的性能, 當信噪比高于–6 dB時, 經過信道編碼后能夠糾正傳輸錯誤, 實現無誤碼傳輸。“△”標識和“★”標識分別對應一次卡爾曼濾波取中值和直接取中值時通信的誤碼率曲線; 說明采用2次卡爾曼濾波的方法比這2種方法性能更為優異, 在誤碼率為10–3時, 分別獲得2 dB和3 dB增益。

圖6 多普勒因子選擇方法比較

圖7 多種方法性能比較

Fig.7Performance comparison of different methods

圖8 精準同步下多普勒估計性能

Fig.8 Doppler estimation performance under precise synchronization

按照發送端和接收端雙方已有的參數對同步信號進行設置, 采樣率為48 kHz, 通信頻帶帶寬為4 kHz; 采用在同步位置隨機取值的方法, 進行200次真實值選取, 從而忽略同步位置偶然性影響。在同步偏差設為1/2碼片長時, 圖9中給出了速度為4 m/s時通信對應的同步錯誤概率。圖中“”標識表示拷貝相關方法進行同步時的情況, 信噪比為-15 dB時, 同步錯誤概率大于95%, 無法通信。而同樣信噪比條件下, “ * ”標識則表示基于Goertzel能量檢測方法的同步錯誤概率小于10%, 通信準確性更高。可以看出, 基于Goertzel能量檢測方法在移動平臺下進行通信具有較好的適應性, 相對于拷貝相關方法能夠相對準確地進行同步; Goertzel能量檢測方法由于采用的對應頻率能量疊加的方式, 所以使得信號在存在多普勒效應的情況下, 不會出現較大的偏差。而拷貝相關方法本質上是基于信號本身的相關, 由于信號波形發生了變化, 所以不能達到較好的效果。

圖9 速度為4m/s時同步性能

圖10中給出了同步補償后FH-FSK水聲通信的性能。圖中“ * ”標識表示基于Goertzel能量檢測方法進行同步且準確估計多普勒因子的情況下通信的性能; “”標識表示采用重同步的通信性能; “△”標識表示采用一次Goertzel能量檢測方法即無重同步時通信性能。信噪比為-5 dB時, 有重同步情況下的誤碼率小于無重同步時的誤碼率, 并且兩者都小于10-2, 可以進行通信。可以看出, 單獨采用Goertzel能量檢測方法進行同步雖然能夠大致確定信號的位置, 但是由于某些點估計偏差較大在解碼時依舊發生錯誤。因此, 通過同步后進行多普勒補償, 然后再次同步的方法能夠進一步減少解碼時由于同步偏差較大帶來誤判的可能性。

圖10 同步補償后系統性能

5 結束語

文中基于Goertzel能量檢測方法進行同步, 并估計出同步碼片對應的多普勒因子, 采用卡爾曼濾波的方法對估計結果進行濾波處理, 進一步提升移動FH-FSK通信性能。考慮到多普勒效應對同步造成的影響, 采用同步后進行多普勒補償再重新同步的方法, 進一步減少解碼時由于同步偏差較大帶來誤判的可能性。文中主要研究固定速度下多普勒效應對信號造成的影響, 然而實際應用中, 移動平臺運動復雜, 需要進一步研究變速情況下對多普勒因子的估計。雖然估計出了多普勒因子, 但是并未完成消除多普勒效應對通信造成的影響。由于DFT插值法不能確保每個碼片的估計準確性, 可以采用準確性更高的多普勒估計方法, 進一步提升通信性能。

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A Doppler Estimation Method of Mobile FH-FSK Communication

WANG Wei-wei1, SUN Hui-song2,3,4, YAN Hong-lu2,3,4

(1. Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China; 2. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3. Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security(Harbin Engineering University), Ministry of Industry and Information Technology, Harbin 150001, China; 4. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

During underwater mobile communication, the signals will be affected by Doppler effect. The conventional method for estimating the Doppler frequency offset factor adopts transmission of Doppler sensitive pulse signal. In frequency hopping frequency-shift keying(FH-FSK) communication, single chip has better Doppler sensitivity. In this paper, 32 frequency hopping chips are used as synchronizing signals, and Doppler factor estimation is performed for the chips one by one in the synchronizing signal. In the Doppler factor selection, two times of Kalman filtering are performed to obtain the median value so as to make the estimated value more accurate. Considering the influence of the Doppler effect on synchronization, the method of Doppler compensation after synchronization and resynchronization is adopted to further reduce the possibility of misjudgment caused by large synchronization deviation during decoding. Simulation results show that the Doppler factor selection method based on Kalman filter can make the Doppler estimation closer to the theoretical value and reduce the bit error rate after resynchronization. It is proved that this method can improve the accuracy of Doppler estimation and the performance of mobile FH-FSK communication.

underwater communication; frequency hopping frequency-shift keying(FH-FSK) communication; Doppler estimation; Kalman filtering

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2019)06-0629-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.005

2019-04-06;

2019-05-21.

國家重點研發計劃(2018YFC0308500, 2017YFC0305702); 中國科學院水聲環境特性重點實驗室開放課題(SHHJ- KFKT-1801).

王維偉(1982-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為水聲通信技術.

王維偉, 孫慧嵩, 顏宏璐. 一種移動FH-FSK通信多普勒估計方法[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(6): 629-635.

(責任編輯: 許 妍)