一种新型水声信号同步的DSP实现

韩 冲，张效民，李通旭，陈 瑜

（1.西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072; 2. 浙江大学 城市学院，浙江 杭州 310015 ）

水声信道是一个十分复杂的时—空—频变参随机多径传播的信道，还加上它的环境噪声高、带宽窄、可用的载波频率低、传输的时延大等这些诸多因素，因此一种快速、可靠的水下通信同步方法显得尤为重要[1]。HFM（双曲调频）信号具有良好的想干特性，多普勒不变性，在水声通信特别是主动声纳领域得到广泛应用。我们经过前期大量中远程海上远距离遥控测试，结合大量海试数据分析，提出一种精确稳健快速的时间同步方法[2-3]。该方法基于HFM的自相关特性和对Doppler的不变性，通过构造一种特殊的HFM组合，利用匹配滤波的时域捕获及PLL跟踪方式，在海试验研究中，取得了理想的结果。海试数据结果验证了算法有效可靠性。

1 系统模型

同步作为水下通信的一个重要组成部分，具有非常重要的作用。如图1所示，通常一个水下通信系统具有下图所示的几个组成部分[4]：

图1 水下通信系统示意图Fig.1 Underwater communication system

由图1可以看出，同步模块对整个接收系统提供接收位的信息反馈，对接收信号做调整来保障系统正确无错位的接收系统，是整个系统通信误码的重要保证。

LFM信号作为一种特殊的具有良好自相关性，能够一定程度上对抗多径干扰以及具有一定的多普勒容限等特征，通常被用于复杂信道下，即水声信道通信系统中，作为典型的时间同步信号。然而，当系统具有较大的多径干扰且超过LFM信号本身所能忍受的多普勒容限的情况下，利用LFM信号作为系统位同步信号时，同步精度就会存在较大的偏差，特对对于系统比特率较高的情况下（比如，扩频系统），一旦系统同步误差超过半个chip，此时接收信号甚至会无法进行信号解码，导致系统误码率剧增。

HFM作为LFM信号的扩展信号，它本身继承了LFM一些优点，比如具有良好的相关性，而且相对于LFM信号，HFM信号具有Doppler不变性和更好的抗多径能力[5]。在文献[2]中可以看出HFM信号可以表示为：

HFM信号相位和瞬时频率分别为：

从而可以分别得出HFM与LFM的模糊度函数，其中HFM的模糊度函数为：

由式（4）（5）可以看出，随着时间尺度的加大，LFM信号在多径延时较超过一定范围后，其时间分辨率会越来越差，无法精确获得较为理想的尖峰；对于HFM信号，其时间分辨率较LFM信号要好一些，且在相同的带宽和持续时间情况下，LFM与HFM信号相比其多普勒容限具有一定的下限。因此，在时间分辨率角度来看，HFM具有更高的精度。

众所周知，在通信理论中同步方法具有很多种，在水声通信汇总，采用较多并且工程实现较为容易的是同步头法，在大量水声工程试验中，利用同步头的相关性进行锁相操作，使得接收机同步到与发送端相同的码元相位，从而实现位同步，这种方法的最大优点是快捷，缺点也比较明显，即对于所选同步序列的抗干扰能力具有较高的要求。

在系统同步理论中，传统方法在利用LFM或HFM信号作为位同步头时，针对普通的高斯白噪声实验环境中能够得到较为理想的结果，然而，在实际海洋多径干扰以及突发色噪声干扰的情况却没有充分考虑。传统算法仅为单一重复的利用同步信号组合作为同步码设计，无法有效抑制多径干扰，使得后面跟踪环节压力过大导致跟踪算法崩溃。针对以上问题本文提出相应的改进算法，具体原理将在下一节详细阐述。

2 基于HFM的时间同步信号设计

文中提出一种基于HFM与单频组合信号作为通信系统中位同步信号。我们设计一种单频信号和正反HFM信号结构组合信号，作为时间同步信号，可以互相取长补短，同时利用PLL对HFM信号组合实现精确的跟踪，从而达到精确的时间同步。

如图2所示，设计的时间同步信号结构为：

图2 同步信号结构示意图Fig.2 Structure diagram of synchronizing signal

同步信号表达式为：

式中，首先利用 进行接收机捕获信号处理，然后利用两个单频信号在接收端做信号补偿，最后利用两个HFM组合信号做为信号跟踪锁相，从而达到整个信号位同步工作过程，后面两个HFM信号分别为正HFM和反HFM信号，这种组合可以有效利用PLL方法实现跟踪的同时，以确定同步信号的结束，信息位置的开始[6]。

如图3所示，接收机在接收信号开始时利用MCU滑动相关检测HFM信号。当接收信号与本地信号相关结果超过MCU预设阈值，MCU启动DSP。DSP对同步信号中两个单频信号做快速FFT处理，估计出频率偏移量，得到相应的延时时间，然后对HFM相关峰初步补偿，最后利用正反HFM信号PLL匹配相关对同步误差进行微调，跟踪同步信号的结束位置，当接收到的SBHFM信号与本地信号匹配相关达到系统样机预设门限时，结束同步，否则DSP重新进行信号接收，退回最初捕获状态[7]。最终将得到的位同步信息送入解调和解码环节，实现精确的时间同步过程。具体流程在图中予以详细说明。

图3 同步算法流程示意图Fig3 Synchronization algorithm diagram

3 性能分析

仿真数据为南海某海域海试实测信号数据，由于接收信号的同步、解调、译码主要由信号处理（DSP）芯片来完成，接收系统中进行信号预处理的模拟硬件电路的功耗与DSP相比小得多，所以，接收装置低功耗问题研究应主要放在DSP系统上。考虑选择基于TMS320C5000系列的DSP进行接收系统的构建。测试参数为[-30,30]节相对运动速率， 频率范围[10 kHz,15 kHz]，Wgard= 200 Hz, FFT采用1024点，调频宽度为0.02 s,数据率100 bit/s,发送3 072 bit比特信息，每个相对速率点进行200次monte carlo仿真，同步均方误差MSE为：

如图4所示，图中给出同步误差曲线，从中看出，id为同步理论位置，std为实际位同步算法计算位置，经过monte carlo统计结果可以看出，该信号处理方法可以有效补偿相关峰时间偏移，从而降低水声通信的时间同步误差。

如图5-7所示，图中给出3次不同抽样时刻PLL跟踪正反HFM信号DSP样机测试相关结果。由图可知，利用本文提出的时间同步方法，在前段信号接收后，无法得到精确的相关峰，而在后端经过下调频的相关检测算法后能够得到相对较好的相关峰值，从而为后续解码环节提供可靠的同步起点，从而得到理想同步效果。

图5 时刻1正反HFM跟踪补偿效果图Fig.5 HFM tracking compensation effect at point 1

图6 时刻2正反HFM跟踪补偿效果图Fig.6 HFM tracking compensation effect at point 2

图7 时刻3正反HFM跟踪补偿效果图Fig.7 HFM tracking compensation effect at point 3

4 结 论

文中经过3个月试验，对水下通信系统同步算法试验中得到经验进一步进行研究，提出了一种基于线性调频信号组合的时间同步信号新算法。结合大量海试数据及DSP原理样机测试结果对新同步算法进行测试，可以看出，算法对于抗多径干扰以及多普勒偏移方面具有较为理想的性能，然而相比传统同步方式，本方法同步精度更高，计算复杂度更低，经过海试实验验证，在-15 dB信噪比干扰情况下，100 kM远距离通信30节相对运动情况下能够满足性能要求。因此，经过MATLAB仿真、DSP原理样机调试、海上测试结果论证了算法的稳定性与可靠性。

[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]张国松，周士弘.一种精确的水声通信时间同步信号设计[J].声学与电子工程,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，许芬，许肖梅.水声数据传输系统中的同步信号处理.厦门大学学报[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, 刘国枝, 孙大军.声纳技术[M]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 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.