CN101697505A - 一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,属于数字信号通信领域,用于实现在噪声干扰严重和参数随机变化的信道中进行可靠通信。本发明包括对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码,并形成多级能带信号结构;对基带信号进行链式编码,形成同步时基链加结构数据链的码片序列,并调制到载波上发送;接收载波信号并解调,进行比特能带滤波及比特能量提取,形成正、负两路比特能量输出;以负比特能量输出为比特同步基准,根据链节能带模板得到帧结构序列,还原数字基带信号,并根据链节能量值得到信道干扰系数;通过对所述信道干扰系数进行双工传送,引导发射端和接收端的链节能带模板的自适应调整,并自动调整速率以适应信道参数变化。
Description
技术领域
本发明属于数字信号通信领域,特别涉及数字信号传输过程中一种信源--信道联合编解码方法和设备,用于实现在噪声干扰严重和参数随机变化的信道中进行可靠通信。
背景技术
在通信系统中,把存在噪声干扰和传输特性随机变化的信道称为随参信道。目前,在移动通信、宇航通信、海洋水声通信以及近几年发展起来的电力线载波通信等方面,都把如何在随参信道中进行可靠通信作为主要的研究对象。信号通过随参信道传输的数学模型如图1所示,信号Si(t)通过随参信道的输出为:
S0(t)=C(t)*Si(t)+n(t)
式中C(t)是表示信道特性的函数,它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、时变衰落等;n(t)表示白噪声和脉冲噪声的叠加。因此,信号通过随参信道传输后发生了各种畸变,包括:振幅畸变、频率弥散、相位漂移,深度衰落等。这些畸变对通信可靠性带来了非常不利的影响。
在信道容限定理(W为信道带宽,Pav为信号平均功率,N0为噪声的单边功率谱密度;信道容量C的单位为b/s)中,定义了比特能量:Eb=Pav/C,和信噪比:这两个重要概念,为现代通信理论提供了重要理论依据。
比特能量Eb=Pav/C是表述传输每比特信号所需平均功率,在实际应用中一般用接收机解调输出的比特判决电平来表示,以二进制2fsk或2PSK信号的解调输出为例,其比特能带图如图2所示,令比特“0”输出Eb0=0、比特“1”输出Eb1=1,如图2a所示;当存在小噪声n0干扰时能带图如图2b所示,图中d为判决门限,由于噪声干扰带ΔEb0和ΔEb1没有超越门限d,因此判决正确性不受影响;而在随参信道中由于噪声n0干扰很大,经常出现如图2c所示能带图,当判决时刻处于t1、t2、t3时,就会发生比特判决错误。
信噪比Eb/No反映的是接收解调输出的有用信号与无用杂波幅度之比,信噪比越小发生比特判决错误的机率越大,在数字信号传输系统中,比特判决错误的轻重程度通常以误码率来衡量,根据误码率公式:
式中ρ为二元信号的相关系数,因此提高比特能量Eb和降低噪声n0是提高通信可靠性的重要方法,由于降低噪声n0难以做到,因此提高比特能量Eb成了可行的选择。
现有的改善随参信道通信能力的方法都建立在两大技术基础之上:
第一、采用信源信道编码,通过编码增加数学相关性强的冗余码元序列及进行数学相关译码算法来提高编码增益。编码技术在理论上得到香农第二定理的支持,香农第二定理指出,任何一个通信信道都有确定的信道容量C,如果通信系统所要求的传输速率R小于C,则存在一种编码方法,当码长n充分大并应用最大似然译码时,信息的错误概率可以达到任意小。因此,寻找构造优良的编码方案及采用有效的译码算法一直是通信技术研究的追求目标。
对一种编码技术的好坏一般采用编码增益来评价,其含是:在给定误码率情况下,编码与非编码传输相比,使信噪比Eb/n0获得额外提高的分量:
编码增益必须通过良好的调制解调方式来体现,为了比较各种调制系统的好坏,可用输出信噪比So/no和输入信噪比Si/ni的比值来衡量,这个比值用Gv表示,称为调制制度增益,Gv越大,说明系统调制制度的抗干扰性能越好;
以扩频技术为例,信息比特通过高度相关序列扩展编码调制,当数据比特速率为Rb,码片速率为Rc,一个数据比特包含的码片数则为Rc/Rb,那么相关解调后,得到的有用信号的数据比特能量是由码片能量Ec累加还原得到,由于每一个数据比特的数学相关性,使信息比特能量叠加为Eb=Ec×Rc/Rb,而噪声n0由于沒有数学相关性而不能得到叠加,因此,理论上可获Gm=kRc/Rb的编码增益。
第二、采用自适应调制与编码(AMC)技术,通过对信道参量的估测和环路的反馈以“自适应方式”改变调制和编码的参数,使它在有限范围内自动适应信道特性参量的变化。
以CDMA通信为例,它采用了一系列现代通信新技术,包括扩频技术、加扰交织技术、功率控制技术以及分集技术等。
但是,现有的各种编码理论及方法在恒参信道中具有优良表现,而在噪声干扰严重和参数随机变化的随参信道中却难以实现可靠通信,其主要原因有以下三点:
一、现有的各种编解码理论都建立在对比特群的数学统计分析基础之上,利用冗余比特流对信息比特流的数学相关算法来达到检错和纠错目的,其共同前提是,比特群的结构信息必须得到正确传输,这在实际随参信道中是很难做到的。事实上,目前各类建立在数学算法复杂性的基础之上的编码方法,其数学序列的脆弱性是显而易见的,群发性的比特错误都可能导致算法的崩溃。如扩频技术和卷积交织技术对分散的突发性的比特错误有很好的解决能力,但对持续性的群发比特错误却无能为力。这一点己为近几年的电力线载波通信实践所证明。
二、在现有的数字通信系统中,码元判决都与解调输出信号波形紧密相关,因此误码率与信号失真也就密切相关,在随参信道中,由于信道非线性因素及脉冲噪声干扰的存在,使解调输出信号波形畸变不可避免,因此,比特判决错误就不可避免。特别是码元判决所需的比特同步信息的提取也是高度依赖于解调输出信号波形,一旦比特同步发生错误,比特判决的正确性也就无从谈起。
三、目前实现自适应AMC技术面临多项困难。首先,现有的各种AMC测量算法由于其本身缺陷和运行错误,无法保证对信道参量进行真实测量,而对信道估测的错误可能会使系统选择错误的编码调制参数,反会使误码率升高;其次,由于信道的时变特性,信道测量报告的传送可靠性决定了信道质量反馈的可信度;最后,会因为比特传送的错误使测量反馈的真实性丧失,导致自适应调整失败。
发明内容
为解决现有的编码理论及方法在噪声干扰严重或参数随机变化的随参信道中难以实现可靠通信的问题,本发明提供了一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,它包括:
步骤1,对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码,并形成多级能带信号结构;
步骤2,通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码,形成同步时基链加结构数据链的码片序列,并通过2fsk+2psk或3fsk形式调制到载波上发送;
步骤3,接收载波信号并解调,进行比特能带滤波及比特能量提取,形成正、负两路比特能量输出;
步骤4,以负比特能量输出为比特同步基准,根据链节能带模板得到头链节、“1”链节、“0”链节、尾链节的帧结构序列,通过解链算法还原数字基带信号,并根据链节能量值得到信道干扰系数;
步骤5,通过对所述信道干扰系数进行双工传送,引导发射端和接收端的链节能带模板的自适应调整,并自动调整速率适应信道参数变化,使通信处于最佳状态。
本发明通过对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码,以负比特能量输出为比特同步基准还原数字基带信号,并根据链节能量值得到的信道干扰系数调整速率适应信道参数变化,保证了每一个比特本身的信息能够得到正确传输,从而实现了在噪声干扰严重或随机参数变化信道中的可靠通信。
附图说明
图1是信号通过随参信道传输的数学模型方框图;
图2是一般接收机解调输出的比特能带示意图;
图3是具体实施方式提出的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法的流程示意图;
图4是比特能量编码的五级能带结构图;
图5是两种比特能量链式编码数据链构造图;
图6是比特能量编码调制的载波调制方法示意图;
图7是比特能量编码调制的载波解调及比特能带滤波示意图;
图8是比特能量提取和负能带分离形成比特同步时基链的示意图;
图9a和图9b是链码解序及基带信号的还原过程流程图;
图10是信道参数自适应调整过程流程图;
图11是具体实施例系统方案方框图;
图12是本专利的特有的码片特征波形图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式提出了一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,如图3所示,具体可以包括:
步骤1,对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码,并形成多级能带信号结构;
步骤2,通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码,形成同步时基链加结构数据链的码片序列,并通过2fsk+2psk或3fsk形式调制到载波上发送;
步骤3,接收载波信号并解调,进行比特能带滤波及比特能量提取,形成正、负两路比特能量输出;
步骤4,以负比特能量输出为比特同步基准,根据链节能带模板得到头链节、“1”链节、“0”链节、尾链节的帧结构序列,通过解链算法还原数字基带信号,并根据链节能量值得到信道干扰系数;
步骤5,通过对所述信道干扰系数进行双工传送,引导发射端和接收端的链节能带模板的自适应调整,并自动调整速率适应信道参数变化,使通信处于最佳状态。
为了更清楚的说明本具体实施方式提供的技术方案,现结合图4至图12对该方法进行详细说明:
要准确无误地传送一个比特信息需要满足两个条件:第一、必须准确捕获到比特同步时基;第二、必须对解调信号做出正确的比特判决。要在随机参数信道通信中实现这两个条件,必须找到一种编码调制方法,这种方法能实现很高的编码增益Gm和调制制度增益Gv,本发明提出的是一种比特能量链式编码调制(Bit Energy Chain Encode Modulation,英文简称:BECEM)技术,能够很好地解决这个问题。
比特能量编码调制(BECEM)技术的主要方法可以包括以下步骤:
①、改变传统的把冗余信息散落到比特群中的方法,通过一种基于比特能量扩展编码的方法,把冗余信息集中到码片内,使比特能带结构发生根本性改变,比特能量编码的基带编码能带结构图如图4所示:
在图4中,每个码片被分割为二个半比特区间,半比特能带有“0”和“1”两种状态,码片正能带具有4种组合:“11”为最高能带以H表示,“10”、“01”为数据能带分别以L、R表示,“00”为零能带以Z表示;码片负能带包含半比特“-1”以P表示;这样形成五级能带结构。设比特能量编码扩展系数为α,则各码片的比特能量为:H=α+α;L=α+0;R=0+α;Z=0+0;P=-α。
②、从图4可以看出,H、Z、P码片在幅值上的特征,L、R码片在幅值和空间上的双重特征,这为确保比特流帧结构和同步信息的正确传输提供了条件,本发明提出数据流的两种链式编码方法,如图5所示:
图5a表示“曼彻斯特”链,其特征为,数据序列是以P为同步时基、以H为链头、以L为比特1、以R为比特0、以Z为链尾组成的数据链;
图5b表示“三联基因序列”链,其特征为,仿照生物DNA三联密码子方式组成数据链,其中一实例为:以P为同步时基、HZH为链头、LZL为比特1、RZR为比特0、ZZZ为链尾,并规定H-Z互为反码,L-R互为反码,反码序列作为正码序列的纠错列被一起传送。
③、比特能量编码调制(BECEM)的载波调制方法:
如图6所示,比特能量调制是在半比特“1”或“-1”期间用一种低频信号fb对载波进行附加调制来完成的,其中fb为载波频率f0的1/α,即fb=f0/α,α为“比特能量”编码扩展系数。可以用多种调制方式来实现比特能量调制,例如:a、使用3fsk载波调制的方式时,以f0表示载波中心频率,Δf表示频偏,对每个信号码片中的半比特“0”以f0单频发送,对每个信号码片中的半比特“1”是以fb的频率对载波进行从f0到f0+Δf的fsk调制后发送,对每个传输码片中的半比特“-1”是以fb频率对载波进行从f0到f0-Δf的fsk调制后发送;b、使用2fsk+2psk载波调制的方式时,以f0表示载波中心频率,Δf表示频偏,θ表示相位,ω0表示载频角频率,对于每个信号码片中的半比特“0”是以cos(ω0+θ)单频的θ=0相位发送;对于每个信号码片中的半比特“1”则是以fb的频率对载波进行从cos(ω0+θ)中的相位θ=0到θ=π的2psk调制后发送,而对每个传输码片中的半比特“-1”则是以fb频率对载波进行从f0到f0-Δf的2fsk调制后发送。
④、比特能量编码调制(BECEM)的载波解调方法:
以上述3fsk调制为例,说明比特能量调制的解调方法如图7,接收机载波解调鉴频器输出如图7a所示:当收到中心频率f0时输出0电平,当收到f0+Δf时输出正电平,当收到f0-Δf时输出负电平,因此,信号码片中的半比特“0”通过载波解调鉴频器输出的信号为0电平,信号码片中的半比特“1”通过载波解调鉴频器输出的信号为一簇正向的脉冲串,信号码片中的半比特“-1”通过载波解调鉴频器输出的信号为一簇负向的脉冲串,由上述调制方式可知脉冲串的频率为fb,脉冲数代表了比特能量Eb的大小。
⑤、比特能带滤波器:
在随参信道中,由于信道非线性因素及脉冲噪声干扰的存在,使解调实际输出信号如图7b所示,为了降低噪声能带ΔEn的影响,鉴频器输出信号Ai通过一个称之为比特能带滤波器的装置,这个装置是以fb为中心频率的窄带滤波器,该滤波器的幅频响应函数为:
式中:k为比特能带滤波器的电平增益,Q为选频电路Q值,fi为信号频率,当fi等于中心频率fb时,滤波器输出信号Av=kAi,因此,比特能量脉冲串通过滤波器获得k倍增益,而偏离中心频率fb的噪声能量则得到极大的衰减,如图7c所示,可见通过比特能带滤波器使解调输出波形得到极大净化。
⑥、比特能量提取及BECEM解码过程:
比特能带滤波器输出信号Av再通过一个比特能量提取器,如图8所示,比特能量提取器是一个脉冲串序列周期性预测叠加装置,表征半比特“1”或半比特“-1”脉冲串的能量被叠加到αAi的高度,而噪声脉冲能量因不符合序列周期性得不到叠加,因此,H码片的输出为αkAi+αkAi+Δn0比特能量,L码片的输出为αkAi+0+Δn0比特能量,R码片的输出为0+αkAi+Δn0比特能量,Z码片的输出为0+0+Δn0比特能量,P码片的输出为-αkAi+Δn0比特能量,其中α为编码扩展系数,Δn0为落入比特能带中心频率fb带宽内的残留噪声能量值。
可以算出,通过本发明的方法,编码增益Gm≥α,调制制度增益Gv≥ka,由于α可取足够大的整数,Gv可做到比现有通信系统高1至2个数量级的水平。通过上述比特能量提取过程完成BECEM解码后,输出的H、L、R、Z、P码片各自具有难以混淆的能带结构,噪声的干扰被压缩到最小。为实现高可靠通信提供了技术保障。
⑦、负能带分离及比特同步时基链的形成:
BECEM解码输出通过一个负能带分离装置如图8所示,其切割保护能带q=δΔn0是一个与噪声相关的动态阀值,由上述比特能量提取原理可知,噪声干扰峰值很难跨越这个保护带,因此保证了P码片的干净分离,分离后的信号再通过时程校正,形成准确的比特同步时基链。这里特别指出的是:在电力线载波通信实例中,还以交流电过零脉冲组成时基校准寄生链,使比特同步时基链具有不可摧毁性。
⑧、链码解序及基带信号的还原过程:
BECEM解码输出的正能量码片信号通过软件算法还原出数字基带信号,如图9所示,该算法的两大步骤为:
A、通过“链节能带模板判据”算法完成对半比特“1”和半比特“0”的判别,进而完成对H、L、R、Z四类码片的恢复,算法软件流程如图9a所示,可以看出本发明用的比特判决方式与传统的比特判決方式有本质上的区别,它是一个基于比特能带分析的智能过程,摆脫了对解码波形中的噪声干扰处理的困难。
B、通过“链码序列解序”算法完成对“曼彻斯特链”和“三联基因序列”链的判别,并通过排序及解序运算还原出数据基带序列,软件流程图如图9b所示。可以看出,由于“三联基因序列”链参照了生物DNA链的组织原则,具有很强的纠错复制能力,能在“恶劣”的随参信通中传输基本信息,从而保证了通信链路的建立和信道参数自适应调整过程的正确进行。
⑨、信道参数自适应调整过程:
由图7可以看出,Z码片中Δn0值的大小表现了噪声能带实时能量值,同样H码片中的偏移量Δα表现了比特能量受干扰程度,因此,以Z码片中Δn0值的大小及H码片中2α值的偏移量Δα,计算出信道干扰系数γ=Δn0+Δα。本发明能以简单的算法取得准确的信道干扰参数,这是传统方法无法比拟的。
信道参数自适应调整过程方框图如图10所示,发信方将计算出信道干扰系数γ的值插入到数据链的特定区域发送出去,接收方收到并解出γ值,如果γ>β,β为保护能带值,则自动调整比特能量编码扩展系数α和比特能带滤波器中心频率fb,改变“链节能带模板”上限Ebh、下限Ebl值,通过链路反馈,直到满足γ<β的条件为止。
本具体实施方式的技术方案可以根据如图11所示的装置实施,下面将参照附图对实施方式进行描述。在下面的描述中,对那些众所周知的通用结构和功能不加细述,只对本发明特别增加的结构和功能,结合上述发明内容中所述方法加以说明。
每个通信终端设备都由发信部分、收信部分、控制部分构成,各终端通过信道连接组成通信系统。
发信部分:基带信号通过基带分析器取得同步信息和帧结构信息,在控制部分CPU控制下进入链码合成器中形成P、H、L、R、Z五类码片并组成的数据链,如上所述本发明制定了“曼彻斯特链”和“三联基因序列”链两种数据链结构;然后数据链进入比特能量编码器进行BELCM编码,方法及过程可参见①和②所述的内容;编码后的数据链进入传统的载波调制器调制到载波上,最后通过功率放大发送到信道,其方法可参见③所述的内容。
收信部分:从对方发送过来的载波信号,通过传统的前端处理及载波解调,解调信号通过比特能带滤波器进入比特能量提取器,在控制部分CPU运行下进行软判决,恢复了P、H、L、R、Z码片后进入链码解析器,最后恢复基带信号,其方法及软件算法可参见⑤、⑥、⑦和⑧所述的内容。
链路控制及自适应调整过程:
本发明的核心功能及链路控制功能都是在CPU软件算法控制下通过相关硬件来实现的。在通信链路建立初期,收发双方先以最低速率的“基因三联序列”链建立起可靠通信,在链码解析器中可以通过对Z、H码片取得信道干扰系数γ=n0+Δα,如果γ的值小于阀值,则调到较高速率的“曼彻斯特链”进行通信,然后根据⑨所述的方法,使通信链路调整到与信道参数相适应的状态。
本发明的实施电路都可以在现有的通信集成电路或FPGA基础上实现,所涉及的软件都可以用DSP或MCU来实现,简单易行,能够在实际试验测试中取得用其他方法无法达到的性能。
最后,本发明可以在接收机的解调输出点用示波器检测到一种码片特征波形,它与现有其他方法的输出波形比较具有根本性区别,如图12所示。它映证了本发明所述的比特能量编解码原理,属于本发明的特有技术特征。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,它包括:
步骤1,对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码,并形成多级能带信号结构;
步骤2,通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码,形成同步时基链加结构数据链的码片序列,并通过2fsk+2psk或3fsk形式调制到载波上发送;
步骤3,接收载波信号并解调,进行比特能带滤波及比特能量提取,形成正、负两路比特能量输出;
步骤4,以负比特能量输出为比特同步基准,根据链节能带模板得到头链节、“1”链节、“0”链节、尾链节的帧结构序列,通过解链算法还原数字基带信号,并根据链节能量值得到信道干扰系数;
步骤5,通过对所述信道干扰系数进行双工传送,引导发射端和接收端的链节能带模板的自适应调整,并自动调整速率适应信道参数变化,使通信处于最佳状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤1中所述的基于比特能量的信源编码,是将每个码片被分割为二个半比特区间,半比特能带有“0”和“1”两种状态,码片正能带具有4种组合:“1 1”为最高能带以H表示,“1 0”“0 1”为数据能带分别以L、R表示,“0 0”为零能带以Z表示;码片负能带包含半比特“-1”以P表示。
3.根据权利要求1所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,所述3fsk载波调制的方式为以f0表示载波中心频率,Δf表示频偏,对每个信号码片中的半比特“0”以f0单频发送,对每个信号码片中的半比特“1”是通过fb信号对载波进行从f0到f0+Δf的2fsk调制后发送,对于每个传输码片中的半比特“-1”是通过fb信号对载波进行从f0到f0-Δf的2fsk调制后发送。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤2中所述的通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码,是在每个传输码片中的半比特“1”期间,用一种低频信号fb对载波频率f0进行附加调制形成的,其中fb为载波频率f0的1/α,即fb=f0/α,α为比特能量编码扩展系数。
5.根据权利要求4所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,所述链式编码是以H、Z、P、L、R五种码片对基带数据流进行链式序列编码。
6.根据权利要求5所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤3中所述的比特能量提取包括:使半比特“1”或半比特“-1”脉冲串的能量被叠加到αAi的高度,然后输出正能带H、L、R、Z码片和负能带P码片信号。
7.根据权利要求5所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤4中所述的通过解链算法还原数字基带信号包括:将所述H、L、R、Z正能量码片信号通过软件算法,还原出数字基带信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤3中所述的接收载波信号并解调包括:当收到中心频率f0时输出0电平,当收到f0+Δf时输出正电平,当收到f0-Δf时输出负电平,即信号码片中的半比特“0”通过载波解调鉴频器输出的信号为0电平,信号码片中的半比特“1”通过载波解调鉴频器输出的信号为一簇正向的脉冲串,信号码片中的半比特“-1”通过载波解调鉴频器输出的信号为一簇负向的脉冲串,脉冲串的频率为fb,脉冲数表示比特能量Eb的大小。
9.根据权利要求1所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤3中所述的比特能带滤波包括:将鉴频器解调输出的比特能量信号通过一个以fb为中心频率的窄带滤波器,使比特能量脉冲串通过滤波器获得k倍增益,而偏离中心频率fb的噪声能量则得到衰减。
10.根据权利要求1所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法,其特征在于,步骤4中所述的比特同步基准的信号输出过程为:通过一个负能带分离P码片,分离后的信号再通过时程校正形成比特同步时基链。
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