一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，将数字喷泉编码方法使用于水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过发送端数字喷泉编码，编码信息的滤波多音调制、接收信号处理、数字喷泉解码，将经过严重频域衰落的子带擦除，选取剩余的子带信号进行解码，恢复出信源信号。本发明专利技术将数字喷泉编码方法使用与水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过将均衡后具有较高平均平方误差的子带进行擦除，这些子带往往经历了严重频域衰落，会影响解码性能。收集选取出的子带均衡比特进行解码数字喷泉解码，恢复出信源发送比特，可实现无误码可靠传输。

A filtering multi tone modulation method for cross subcarrier underwater acoustic communication based on digital fountain coding

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法
本专利技术涉及水声通信编码调制及解调解码领域，主要是一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法。
技术介绍
水声通信是进行水下长距离无线信息传输的重要手段，在海洋科考、环境监测、油气勘探和开采等领域都有广泛而重要的应用。然而，水声通信信道极具挑战性，具有复杂的多径效应、多普勒扩展与时变特性等特点，是一种典型的时延-多普勒双扩展信道。同时，由于可用带宽十分受限，水声通信系统是一个典型的宽带无线通信系统。为了应对水声信道的多径扩展，多载波技术在水声通信中得到了广泛的应用，主要的调制手段包括正交频分复用(OFDM)以及滤波多音调制(FMT)等。滤波多音调制将带宽划分为一系列子带，在相邻的子带之间存在有保护间隔，可大幅降低载波间干扰，并可有效对抗水声信道的多普勒扩展。此外，滤波多音调制具有更低的峰均比，在时延-多普勒双扩展的水声信道下更具鲁棒性。从时域来看，滤波多音调制在子带内等效信道较短，可以采用基本的判决反馈均衡(DFE)进行符号恢复；从频域维度来看，由于滤波多音调制的相邻子带间存在保护间隔，滤波多音调制的不同子带经过信道后会经历独立的频域衰落。这为本专利采用跨子带的编码从而获取频域的分集增益提供了基础。数字喷泉编码是一种无码率编码技术，其主要特点是在发送端，可以从信源生成无限数量的编码符号，而在接收端只需接收一组最小数量的信源编码符号即可恢复出信源。作为一种常见的数字喷泉编码，本专利采用基于LT编码的数字喷泉编码。数字喷泉编码在水声通信的数据链路层网络通信中得到了应用，而本专利将数字喷泉编码与FMT调制相结合，将其应用在了水声通信的物理层技术中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，适用于时延-多普勒双扩展的水声通信信道。本方法可用于水声通信信号的编码与解码，以及调制与解调，实现可靠的无误码水声通信。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，将数字喷泉编码方法使用于水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过发送端数字喷泉编码，编码信息的滤波多音调制、接收信号处理、数字喷泉解码，将经过严重频域衰落的子带擦除，选取剩余的子带信号进行解码，恢复出信源信号。本专利技术的实施步骤主要如下所述：1)、在发送端，对信源比特进行基于LT编码的数字喷泉编码，编码的冗余度为ξ；2)、将LT编码后的信源编码进行基于滤波多音调制，调制到通信带宽内的M个子带中，相邻子带存在保护间隔；3)、在接收端，将通带接收信号通过复解调搬移至基带，针对每个子带进行基于迭代最小二乘的判决反馈均衡，并计算每个子带均衡的平均平方误差；4)、根据每个子带均衡的平均平方误差，选取用于LT解码的子带，至少需要选出个子带用于解码；5)、收集选取出的子带中的LT编码比特，进行基于LT编码的数字喷泉解码，完成通信过程。本专利技术的有益效果为：本专利技术将数字喷泉编码方法使用与水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过将均衡后具有较高平均平方误差的子带进行擦除，这些子带往往经历了严重频域衰落，会影响解码性能。收集选取出的子带均衡比特进行解码数字喷泉解码，恢复出信源发送比特，可实现无误码可靠传输。附图说明图1：数字喷泉编码示意图；图2：过采样滤波多音调制频域图；图3：滤波多音调制框图；图4：递归最小二乘判决反馈均衡框图；图5：数字喷泉解码示意图；图6：各子带平均平方误差；具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：本专利技术公开了一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，将数字喷泉编码方法使用于水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过发送端数字喷泉编码，编码信息的滤波多音调制、接收信号处理、数字喷泉解码，将经过严重频域衰落的子带擦除，选取剩余的子带信号进行解码，恢复出信源信号。1.发送端数字喷泉编码如图1所示，发送端数字喷泉编码的主要流程如下所述：(1)假设有信源有K个比特的信息需要进行传输，并记所需传输的比特为c＝c1,c2,…,ck。信源编码的冗余度为ξ，即编码后的信源比特个数为L＝K(1+ξ)，编码后的信源比特记为d＝d1,d2,…dL，并记编码调制矩阵为G，其包含K行L列，共K×L个元素；(2)生成编码器固定权重序列σ，即需参与模二加求和的源码的个数指的是大于或等于窗长度的最小奇数；(3)生成一个窗口序列，序列的长度为(4)针对编码调制矩阵，采用逐列的方式进行编码，记当前的编码列索引为iN，主要执行如下六个步骤：a)随机寻找在该列寻找一个元素，将该元素的位置记为loc，作为滑动窗的起点；b)从loc元素的位置到此列的结束位置，随机选出w个元素；c)随机打乱这w个选出的元素的位置，并将打乱后的元素位置记为pos；d)在打乱后的w个元素中，取出前σ个元素，作为第iN列参与编码的源码；e)将编码矩阵G中的G(pos,iN)的位置赋值为1，并将对应的源码做模二求和；f)对所有的编码列执行同样的操作，即可得到编码后的信源比特d1,d2,…dL；2.编码信息的滤波多音调制得到数字喷泉编码的序列d1,d2,…dL后，将其进行过采样的滤波多音调制。在本成果中使用了过采样的滤波多音调制系统，通信系统的带宽是B。如图2所示，在过采样的滤波夺银调制系统中，系统上采样因子N大于系统的子带数M。过采样滤波多音系统的子带宽度并且相邻子带的间隔如图3所示，发送端信号调制的主要过程如下所述：(1)将编码完成的序列d1,d2,…dL进行星座映射以及串并转换，得到并行的M路发送复信号，记为s0(kT),s1(kT),…sM-1(kT),对各路信号N倍内插上采样，其中K是采样间隔，T是符号长度；(2)将每一路的复信号都经一个长度为L的根升余弦滤波器H(l)进行滤波，并搬移至对应的带宽的子带；(3)将每个子带中的信号相加以形成合成信号如下所示：其中，n为发送通带信号的采样间隔，fm＝mN/MT是第m个子带的载波频率。(4)通带发送信号经过水声双扩展信道后到达接收端，进行接收端信号处理；3.接收信号处理：在经过水声双扩展信道之后，可以得到通带接收信号并将接收信号再经过成型滤波器，这样就可以得到等效的子带接收信号rm(k′T)，如下所示：在得到通带接收信号之后，就可在基带进行自适应均衡。在接收端，根据由数据块前部和后部的线性频率调制信号，计算得到估计的多普勒因子，对通带接收信号进行重采样，后通过低通滤波将通带信号搬移到基带。如图4所示，本成果采用了整符号间隔的基于迭代最小二乘的判决反馈二乘作为接收端的均衡算法对每个子带进行均衡处理。前馈滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，其特征在于：将数字喷泉编码方法使用于水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过发送端数字喷泉编码，编码信息的滤波多音调制、接收信号处理、数字喷泉解码，将经过严重频域衰落的子带擦除，选取剩余的子带信号进行解码，恢复出信源信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，其特征在于：将数字喷泉编码方法使用于水声通信滤波多音调制的物理层信号的编码中，通过发送端数字喷泉编码，编码信息的滤波多音调制、接收信号处理、数字喷泉解码，将经过严重频域衰落的子带擦除，选取剩余的子带信号进行解码，恢复出信源信号。


2.根据权利要求1所述的基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，其特征在于：实施步骤主要如下所述：
1)、在发送端，对信源比特进行基于LT编码的数字喷泉编码，编码的冗余度为ξ；
2)、将LT编码后的信源编码进行基于滤波多音调制，调制到通信带宽内的M个子带中，相邻子带存在保护间隔；
3)、在接收端，将通带接收信号通过复解调搬移至基带，针对每个子带进行基于迭代最小二乘的判决反馈均衡，并计算每个子带均衡的平均平方误差；
4)、根据每个子带均衡的平均平方误差，选取用于LT解码的子带，至少需要选出个子带用于解码；
5)、收集选取出的子带中的LT编码比特，进行基于LT编码的数字喷泉解码，完成通信过程。


3.根据权利要求2所述的基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，其特征在于：所述的发送端数字喷泉编码的主要流程如下所述：
(1)、假设有信源有K个比特的信息需要进行传输，并记所需传输的比特为c＝c1,c2,…,ck；信源编码的冗余度为ξ，即编码后的信源比特个数为L＝K(1+ξ)，编码后的信源比特记为d＝d1,d2,…dL，并记编码调制矩阵为G，其包含K行L列，共K×L个元素；
(2)、生成编码器固定权重序列σ，即需参与模二加求和的源码的个数指的是大于或等于窗长度的最小奇数；
(3)、生成一个窗口序列，序列的长度为
(4)、针对编码调制矩阵，采用逐列的方式进行编码，记当前的编码列索引为iN，主要执行如下六个步骤：
a)随机寻找在该列寻找一个元素，将该元素的位置记为loc，作为滑动窗的起点；
b)从loc元素的位置到此列的结束位置，随机选出w个元素；
c)随机打乱这w个选出的元素的位置，并将打乱后的元素位置记为pos；
d)在打乱后的w个元素中，取出前σ个元素，作为第iN列参与编码的源码；
e)将编码矩阵G中的G(pos,iN)的位置赋值为1，并将对应的源码做模二求和；
f)对所有的编码列执行同样的操作，即可得到编码后的信源比特d1,d2,…dL。


4.根据权利要求2所述的基于数字喷泉编码的跨子载波水声通信滤波多音制调制方法，其特征在于：所述的发送端编码信息的滤波多音调制的主要流程如下所述：
(1)、将编码完成的序列d1,d2,…dL进行星座映射以及串并转换，得到并行的M路发送复信号，记为s0(kT),s1(kT),…sM-1(kT),对各路信号N倍内插上采样，其中K是采样间隔，T是符号长度；
(2)、将每一路的复信号都经一个长度为L的根升余弦滤波器H(l)进行滤波，并搬移至对应的带宽的子带；
(3)、将每个子带中的信号相加以形成合成信号如下所示：



其中，n为发送通带信号的采样间隔，fm＝mN/MT是第m个子带的载波频率；
(4)、通带发送信号经过水声双扩展信道后到达接收端，进行接收端信号处理。


5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桢铎，周武，王超，朱小辉，张宏滔，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33