基于Zadoff‑Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法

摘要

本发明提供了一种基于Zadoff‑Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法，包括以下步骤：由OFDM技术生成待传输信号，将Zadoff‑Chu序列的长度N设置为OFDM的子信道个数；由同一个根序列生成两段相同的长度为N的Zadoff‑Chu序列ZC_seq1和ZC_seq2，将这两段序列加到OFDM信号前端，并在两段序列之间加一段长度为Ng的保护间隔；用两个长度为N的时间窗分别截取该信号，在相关运算结果中判断是否有大于阈值δ的峰值；分别定位相关运算结果中大于阈值δ的峰值，取其中峰值最大的一个作为本次搜索到的峰值位置，分别记为N1和N2；判断N1与N2之间的距离是否约等于N+Ng；重新采集信号将N2+Ng作为OFDM信号数据段的起始点，同步完成。本发明所述的水声通信同步方法提高了同步的精确度、可靠性和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及水声通讯同步领域，尤其涉及一种基于Zadoff-Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法。

背景技术

OFDM技术具有抗多径、抗干扰、有效对抗频率选择性衰落的优点，在浅海信号传输的场景中具有广泛的应用前景。又由于其信道利用率高的特点，该技术在频谱资源十分有限的海洋环境中更加凸显价值。跟其他水声通信系统一样，基于OFDM技术的通信方法十分依赖同步手段，性能良好的同步是系统接收端能够正确解码的重要前提。现阶段常用的同步方法有线性调频同步方法、基于伪随机码的同步方法等。

但是现有的同步方法中，作为同步头的信号之间有一定的互相关度，在噪声的干扰下，自相关峰值与互相关峰值可能相差不大，从而导致同步定位的偏差；仅以相关计算的峰值作为同步的依据，没有交叉验证的手段，不能有效保证同步的准确性。在水声信道中，多普勒频移对信号传输的影响十分显著，而当前技术对频偏补偿的处理较差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于Zadoff-Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法，提高同步的精确度、可靠性和准确性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是同步头信号之间互相关度相对较高的缺点，能够在噪声的干扰下，明显区分自相关峰值和互相关峰值。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于Zadoff-Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法，包括以下步骤：

步骤S1，系统初始化，由OFDM技术生成待传输信号，将同一个Zadoff-Chu根序列导入到发射端与接收端中；

步骤S2，设置系统的参数，将Zadoff-Chu序列的长度N设置为OFDM的子信道个数；确定保护间隔Ng，保证两个码元之间不会出现码间干扰；确定阈值δ，在步骤S7中用来判断相关运算结果的峰值；

步骤S3，设计同步包，由同一个根序列生成两段相同的长度为N的Zadoff-Chu序列ZC_seq1和ZC_seq2，将这两段序列加到OFDM信号前端，并在两段序列之间加一段长度为Ng的保护间隔；

步骤S4，信号由发射端发射，经过水声信道传导到接收端，由接收端采集信号；用两个长度为N的时间窗分别截取该信号，时间窗之间的间隔为Ng，得到两段待检测的信号Sig1和Sig2；

步骤S5，将信号Sig1、Sig2分别与本地信号做相关运算；

步骤S6，对相关运算结果归一化处理，得到结果r(k)；

步骤S7，在相关运算结果r(k)中判断是否有大于阈值δ的峰值，如果有，进行步骤S8；如果没有，则将时间窗位置向后移动一个单位，回到步骤S4，重新采集信号；

步骤S8，分别定位相关运算结果r(k)中大于阈值δ的峰值，取其中峰值最大的一个作为本次搜索到的峰值位置，分别记为N1和N2；

步骤S9，判断N1与N2之间的距离是否约等于N+Ng；如果距离约等于N+Ng，转到步骤S10；如果距离与N+Ng的差不在容许的误差范围Δ内，则将时间窗位置向后移动一个单位，回到步骤S4，重新采集信号；

步骤S10，将N2+Ng作为OFDM信号数据段的起始点，同步完成。

进一步地，所述步骤S1中的OFDM技术采用IFFT/FFT算法。

进一步地，所述步骤S2中的Zadoff-Chu序列的根系数u的选取符合等式us＝m1N-1。

进一步地，所述步骤S3中的Zadoff-Chu序列ZC_seq1和ZC_seq2由原根序列循环移位得到或直接使用原根序列。

进一步地，所述步骤S5中的相关运算为快速运算算法。

进一步地，所述步骤S7中的峰值搜索算法采用快速搜索算法；判断过程包括以下2个判断条件：

条件一：

条件二：

如果条件一成立，则转到步骤S8；如果条件二成立，则转到步骤S4。

进一步地，所述步骤S9包括以下2个判断条件：

条件一：||N2-N1|-N-Ng|≤Δ；

条件二：||N2-N1|-N-Ng|＞Δ；

如果条件一成立，则转到步骤S10；如果条件二成立，则转到步骤S4。

本发明所述技术方案和现有技术相比，具有如下优点：

1、Zadoff-Chu序列具有良好的互相关特性，具体表现为互相关以及部分相关值接近于零，因此不会干扰系统对自相关峰值位置的判断；

2、采用将两段相隔Ng的序列作为同步头的方法，在计算自相关峰值之后，还要进一步验证两个峰值之间的距离是否在允许的误差之内。这一步骤进一步提高了同步的可靠性和准确性，为后续的数据处理提供了保障；

3、Zadoff-Chu序列跟系数u的选取，需符合等式us＝m1N-1。由此得到的序列能够在多普勒频移的信道中保证同步的效果，同时可以作为估计频偏的依据。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的流程图；

图2为本发明的一个具体实施例的时域波形；

图3为本发明具体实施例中第一个时间窗截取的波形做相关运算后得到的结果示意图；

图4为本发明具体实施例中第二个时间窗截取的波形做相关运算后得到的结果示意图；

图5为本发明具体实施例中第一个时间窗的相关运算做归一化处理后得到的结果示意图；

图6为本发明具体实施例中第二个时间窗的相关运算做归一化处理后得到的结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例有助于相关人员对进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。凡在本发明构思的前提下做出的等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

假设OFDM子信道的个数N＝512，本地用来实施相关运算的参考Zadoff-Chu序列与同步头中的序列来自同一根序列。通信环境为常见的浅海水声通信环境，具有多径效应、多普勒频移等。

如图1所示，本发明基于Zadoff-Chu序列和OFDM技术的水声通信同步方法包括以下步骤：

步骤S1，系统初始化，清空发射端与接收端的数据，再在发射端由OFDM技术生成待传输信号，发射端与接收端中预存好同一个Zadoff-Chu根序列；

步骤S2，设置系统的参数，将Zadoff-Chu序列的长度N设置为OFDM的子信道个数，即N＝512。设置保护间隔Ng＝100，保证两个码元之间不会出现码间干扰。设计阈值δ＝0.7，在步骤S7中用来判断相关运算结果的峰值；

步骤S3，设计同步包，由同一个根序列生成两段相同的长度为N的Zadoff-Chu序列ZC_seq1和ZC_seq2，原根序列的根系数设置为17。将这两段序列加到OFDM信号前端，并在两段序列之间加一段长度为Ng的保护间隔；图2为具体实施例的时域波形。

步骤S4，信号由发射端发射，经过水声信道传导到接收端，由接收端采集信号。用两个长度为N的时间窗分别截取该信号，时间窗之间的间隔为Ng，得到两段待检测的信号Sig1和Sig2；

步骤S5，将信号Sig1、Sig2分别与本地信号做相关运算，得到结果如图3、图4所示；

步骤S6，对相关运算结果归一化处理，得到结果r1(k)、r2(k)，如图5、图6所示；

步骤S7，在相关运算结果r1(k)、r2(k)中判断是否有大于阈值δ的峰值，由图5.图6可以看到，存在这样的峰值，则进行步骤S8；

步骤S8，分别定位相关运算结果r1(k)、r2(k)中大于阈值δ的峰值，取其中峰值最大的一个作为本次搜索到的峰值位置，分别记为N1＝363和N2＝365；

步骤S9，判断N1与N2之间的距离是否约等于N+Ng。由于两个时间窗之间存在长度为Ng的距离，则可以算出N1与N2之间的距离为N-N1+Ng+N2＝614.又有N+Ng＝612，可以判定N1与N2的距离约等于N+Ng，则转到步骤S10；

步骤S10，将N2+Ng作为OFDM信号数据段的起始点，同步完成。

进一步地，所述步骤S1中的OFDM技术采用IFFT/FFT算法；

进一步地，所述步骤S2中的Zadoff-Chu序列的根系数u的选取，需符合等式us＝m1N-1。阈值δ的设定可根据情况调整；

进一步地，所述步骤S3中的Zadoff-Chu序列Zadoff-Chu_seq1和Zadoff-Chu_seq2，可以由原根序列循环移位得到，也可以直接使用原根序列；

进一步地，所述步骤S5中的相关运算采用任何形式的快速运算算法；

进一步地，所述步骤S7中的峰值搜索算法采用任何形式的快速搜索算法。判断过程包括以下2个判断条件：

条件一：

条件二：

进一步地，所述步骤S9包括以下2个判断条件：

条件一：||N2-N1|-N-Ng|≤Δ；

条件二：||N2-N1|-N-Ng|＞Δ；

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。