一種基于自適應頻率估計的跳頻捕獲新方法

1、通信電聲CommunicationElectroacoustic文章編號：1002-8684（2009）12-0073-04一種基于自適應頻率估計的跳頻捕獲新方法閆冰，羅建，丁宗杰（西北工業(yè)大學航海學院，西安710072）【摘論文要】針對水聲跳頻通信，給出了1種基于頻率估計的跳頻同步捕獲的捕獲原理和捕獲過程，捕獲中采用1種簡化的變步長自適應格型IIR陷波器算法估測跳頻信號頻率。仿真結果說明該算法在低信噪比下具有估計精度高和實時性好的特點，滿足水聲跳頻系統(tǒng)捕獲的要求，驗證了該跳頻捕獲方法的優(yōu)越性?！娟P鍵詞】跳頻；同步捕獲；頻率估計；IIR陷波；自適應算法【中圖分類號】TB567【文獻標識碼】AA

2、NewApproachonFrequency-hoppingSynchronizationAcquisitionUsingAdaptiveFrequencyEstimationYANBing，LUOJian，DINGZong-jie（CollegeofMarine，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xian710072，China）【Abstract】AnFHacquisitionbasedonthefrequencyestimationisintroducedforunderwateracousticTheanalysisintheoryofthiste

3、chniqueismadeandtheflowofacquisitionispresented.Thecommunication.【Keywords】ItisapplicableforunderwateracousticFHadaptivefrequency-hopping；synchronizationacquisition；frequencyestimation；IIRnotchfilter；algorithm引言跳頻通信是軍事通信的一種重要手段，由于水下2基于頻率估計捕獲方法工作原理跳頻捕獲是使收發(fā)雙方跳頻圖案的差在時間上小聲通信鏈路的開放式特征，水聲信息易被敵方截獲。在水聲信道中傳輸信

4、息必須克服環(huán)境噪聲、多徑效應等諸多困難，將跳頻技術應用于水聲通信中可提高系統(tǒng)的可靠性、保密性和抗干擾性能。同步是跳頻通信的關鍵技術，實現(xiàn)跳頻圖案的同步是跳頻系統(tǒng)成功解跳的關鍵。跳頻同步捕獲的常用方法有串行搜索法和并行搜索法。串行搜索捕獲法的捕獲時間與碼長有關，PN碼越長，其捕獲時間亦隨之增長；并行搜索法捕獲時間短，但該方法需要設計大量的濾波器，硬件資源耗費大。筆者采用了1種基于頻率估計的捕獲方法，它兼有檢測性能好、捕獲快的優(yōu)點，盡管其虛警、漏警率易受到信道特性的影響，但通過選取適當?shù)臑V波器階數(shù)和自適應算法可提高頻率估計的性能，從而改善其捕獲性能；同時，此捕獲方法占用的硬件資源少，較前2種方法有

5、明顯優(yōu)勢。于1跳的時間Th，即跳頻圖案的同步，基于頻率估計的捕獲原理如圖1所示。設產(chǎn)生PN碼的反饋移位寄存器（FSR）的長度為n，則其2個二進制狀態(tài)組合將對應著2個跳頻頻率。捕獲開始時，將開關K接至A點。跳頻信號經(jīng)前端處理，通過自適應頻率估計算法后得到的頻率估計值對應著FSR的某個二進制狀態(tài)組合。假nn贊設Bi是FSR在時刻i（i=1，2，）時的十進制狀態(tài)值，Bi贊為B贊對應的二進制表示的最高位是它的估計值，bii贊=int（MostSignificantBit，MSB），則bi贊Bi2n-1。由于PN序列的下一個寄存器狀態(tài)僅取決于當前的狀態(tài)，因此，贊，B贊，B贊的n個如果不存在估計誤差，那么

6、當B12n贊，b贊，b贊被依次輸入到FSR中后，本地MSB即b12n聲電技術2009年第33卷第12期讂輱輫ommunicationElectroacousticsFSR的內(nèi)容就與發(fā)送端FSR中的內(nèi)容一致，以此狀態(tài)作為FSR運行的起始狀態(tài)，將開關K接到B點，移位寄存器從當前的狀態(tài)根據(jù)邏輯產(chǎn)生新的PN序列，這樣產(chǎn)生的PN序列就與發(fā)送端一致了。如果測頻不出現(xiàn)錯誤，該方案的捕獲時間僅為nTh，明顯提高了捕獲效率。圖2是為防止測頻出錯的碼捕獲邏輯。當估計次數(shù)k1），使系統(tǒng)具有快速跟蹤頻率并準確估測頻點的優(yōu)點。避免了因步長太小收斂速度慢或步長太大無法收斂的情況，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在低信噪比下也具有良好

7、的估計性能。2是預先設定的帶寬參數(shù)，在迭代過程中保持不變，只需對1進行迭代運算；u（k）和c（k）是陷波器的2個狀態(tài)函數(shù)。式（7）用u（k）代替LMS算法中的梯度信號y（k），u（k）在迭代項中即可獲得，因此，這種算法較普通的基于梯度的LMS自適應算法運算量大大減少，適用于水聲跳頻通信系統(tǒng)同步捕獲中瞬時頻率的測量。44.1仿真結果與分析單頻估計對1個跳頻頻點進行估計，跳頻頻率為10kHz。（1）采用變步長的簡化迭代算法：取采樣率fc=50kHz，0=0.03，調(diào)節(jié)步長的穩(wěn)定性因子=3。對1個跳頻頻點在不同信噪比下進行測頻，得到的頻率估計曲線如圖4所示。由圖4可以看出，估計頻率經(jīng)過迭代后穩(wěn)定地停

8、留在10kHz處，收斂速度隨信噪比增大而減小。在低信噪比（-5dB）下，也具有較快的收斂速度。（5）（6）x（k）（7）（8）（9）（2）圖5為變步長迭代和固定步長迭代收斂曲線的比較。變步長迭代的初始步長0=0.0300，固定步長迭代的初始步長=0.0005，取SNR=5dB。顯然，變步長迭代方法收斂更快，且收斂后，曲線穩(wěn)定在估計頻率處。cos1（k+1）u（k）k+lu（i），即采用k-i2i=0p（10）4.2變頻估計圖6為自適應IIR陷波器對2個跳頻點的頻率估計。2個頻點的頻率分別為f0=10kHz，f1=14kHz，SNR=0dB。從圖6中可以看出，2次頻率估計的估計間隔在迭代次數(shù)允許

9、的范圍內(nèi)，頻率估計準確，算法對頻率的跟蹤性能良好。聲電技術2009年第33卷第12期讂輳輫ommunicationElectroacoustics4.3捕獲性能仿真在AWGN信道下，捕獲時的頻率估計誤差主要產(chǎn)生于高斯白噪聲，根據(jù)文獻5給出的推導對平均捕獲時間進行仿真。圖7為平均捕獲時間Tr與信噪比的關系曲線，移位寄存器階數(shù)n=4。由圖7可見，SNR=0dB時，Tr=4.17Th；SNR=15dB時，Tr=4.07Th，即隨著信噪比的增加，平均捕獲時間Tr減小，逐漸逼近理論上的最優(yōu)值nTh。步捕獲，針對水聲信道的低信噪比特性，采用了1種簡化的變步長自適應陷波算法對跳頻信號的頻率進行估計。仿真結果

10、說明該算法能快速、準確地估計出跳頻信號頻率，對變頻信號有著良好的跟蹤能力，從而實現(xiàn)了跳頻系統(tǒng)的快速捕獲。需要指出的是，這種捕獲方法能在實際的中、慢速跳頻系統(tǒng)中獲得滿意的效果，而對于快跳系統(tǒng)，必須設計出更好的頻率估測單元來滿足系統(tǒng)需要。參考文獻通信電聲1曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術M.西安：西安電子科技大學出版社，2004.2梅文華.跳頻通信M.北京：國防工業(yè)出版社，2005.3侯顏平.色噪聲中基于IIR陷波器的信號檢測方法研究D.西安：西北工業(yè)大學，2007.4楊土安.基于頻率估計的短波跳頻同步捕獲技術的研究D.武漢：武漢大學，2004.5CHAUYA，WANGJing-k

11、ine.Spectral-estimation-basedacquisitionforfrequency-hoppingspread-spectrumcommunicationinanonfadingorrayleigh-fadingchannelJ.IEEETrans.onCommun.，1997，45（4）：445-455.作者簡介5結論筆者使用頻率估計的方法實現(xiàn)水聲跳頻通信的同閆冰，碩士研究生，研究方向為通信與信息系統(tǒng)。責任編輯潘浩然收稿日期2009-08-26!（上接第64頁）參考文獻680.5UniversityofIllinois.Graduateschooloflibrary&i

12、nfor-mationscienceEB/OL.（2006-07-21）2009-04-20.http：//mirex/2006/index.php/Main_Page.6韓紀慶，馮濤，鄭貴演，等.音頻信息處理技術M.北京：清華大學出版社，2007：85-91.1GHIASA，LOGANJ，CHAMBERLAIND，etal.Querybyhumming-musicalinformationretrievalinanaudiodatabaseC/ProceedingsoftheThirdACMInternationalConferenceonMultimedia

13、.231-236.2JANGJ，HSUC，LEEH.Continuoushmmanditsen-hancementforsinging/hummingqueryretrievalC/OL/ProceedingsofISMIR2005.proceedings/1064.pdf.3CHENB，JANGJ-SR.QuerybysingingC/Proceedingsof11thIPPRConferenceonComputerVision，Graphics，andImageProcessing1998：529-536.4WUX，LIM，LIUJ，etal.ATop-downapproachtomelodymatchinpitchcontourforquerybyhummingC/ProceedingsofInternationalSymposiumonChineseSpokenLanguageProcessing.Singapore：s.n.，2006：669-（CVGIP1998）.SanFrancisco：s.n.，1995：7楊行俊，遲惠生.語音信號數(shù)字處理M.北京：