CN102739322A - 基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法。发射端对信源发出的二进制信息序列进行LDPC编码，进行QPSK调制和Gray映射，将码元每两个为一组映射到星座图中的4个位置之一，再经过Walsh-m复合序列扩频后得到待发射信号，将待发射的数字信号变换为水声信号；接收端的水声换能器将接收到的水声信号转换为数字信号，利用和发射端相同的复合序列完成解扩得到接收信号，然后经自适应判决反馈均衡后得到幅度衰减的复信号，对信号进行软解调软译码联合迭代，在达到设定的迭代次数后停止联合迭代，由LDPC译码器进行BP译码后最后输出比特值给信宿。本发明进一步提高远程水声通信的可靠性，适用于远程水声通信。

Description

基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声通信方法。特别是一种远程水声通信方法。

背景技术

在远程水声通信系统中，接收信号的信噪比直接影响通信结果的可靠性。多途扩展时延和幅度衰减都随着通信距离的增大而增大，为了提高通信可靠性必须提高接收信号的信噪比，对信号进行抗多途干扰处理是一种有效有段。

目前国内外的远程水声通信系统广泛采用抗多途处理，其方法是OFDM（正交频分复用）技术，其不足之处是：由于OFDM的信号PAPR（峰均比）大，要增大通信距离就要增大发射功率，因此会对水声换能器的线性放大范围要求非常苛刻。

1998年M.Stojanovic在《Spread Spectrum Underwater Acoustic Telemetry》一文提出了采用基于Rake接收机的多径分集接收技术，其方法是：Rake接收机对信道多途效应进行补偿后突出信号中主要路径成分，提高直达声的信噪比，使得信道的冲击响应函数逼近σ函数形式，从而抑制接收信号中多途效应的干扰，其不足之处是：难以实时实现并应用于工程实际。

2006年《Channel Coding for Underwater Acoustic Communication System》一文中提出了采用卷积码和RS（里德-所罗门）码的水声信道编码技术，其方法是采用卷积码和RS码来纠正残留的错误成分，降低误码率，其不足之处是：由于水声信道中波浪起伏产生噪声是常见的突发噪声，而卷积码和RS码纠正随机错误的能力很好，但纠正水声信道中突发错误的能力不好，所以译码后仍有高误码率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能够弥补OFDM技术在水声通信应用的不足，又具有工程可行性，能进一步提高远程水声通信的可靠性的基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

发射端首先对信源发出的二进制信息序列进行LDPC（奇偶校验码）编码，在原信息序列基础上增加校验信息而构成一串新的码元，进行QPSK（四进制相移键控）调制和Gray(格雷)映射，将码元每两个为一组映射到星座图中的4个位置之一，再经过Walshm复合序列扩频后得到待发射信号，利用水声换能器将待发射的数字信号变换为水声信号；接收端的水声换能器将接收到的水声信号转换为数字信号，利用和发射端相同的复合序列完成解扩得到接收信号，然后经自适应判决反馈均衡后得到幅度衰减的复信号，对信号进行软解调软译码联合迭代，在达到设定的迭代次数后停止联合迭代，由LDPC译码器进行BP译码（基于置信度传播的迭代译码）后最后输出比特值给信宿。

本发明还可以包括：

1、所述软解调软译码联合迭代的具体过程是：QPSK解调器和LDPC译码器构成一个SISO（软输入软输出）模块，均衡器输出的信息，直接给了QPSK解调器；首先，设置LDPC译码器反馈给QPSK解调器的初始值为0，QPSK解调器利用软解调算法来输出软信息，该软信息直接给LDPC译码器，经过软判决译码之后输出软信息；接下来开始第一次联合迭代过程：LDPC译码器输出的软信息反馈给QPSK解调器，QPSK解调器根据这个软信息和均衡器给出的信息，运用软解调算法来计算各比特的外信息，该外信息减去LDPC译码器反馈的软信息，减法运算之后得到的软信息一方面作为输入信号直接传递给LDPC译码器，另一方面作为减数和LDPC译码器输出的软信息作相减操作；相减后得到的软信息一方面作为输入信号直接送到QPSK解调器，另一方面作为减数和QPSK解调器输出的软信息作相减操作；至此，完成第一次联合迭代，依次继续完成第二次、第三次、……第N次迭代，直到设定的联合迭代次数。

2、所述Walsh-m复合序列扩频的具体过程是：首先生成长度为15的m序列，m序列整周期重复16次后构成一个新序列，用字母A来标记，然后生成长度为16的Walsh序列，将Walsh序列中的每个元素重复15次后构成一个新序列，用字母B标记，最后将A和B相乘，得到Walsh-m复合序列，将此作为扩频序列。

3、所述均衡器是采用基于LMS（最小线性均方）算法的自适应判决反馈均衡，在编码后的码元中加入长度为100的训练序列，该训练序列在均衡的步骤完成之后就被去掉，还原为LDPC编码后的序列长度。

4、QPSK解调器所采用的软解调算法为：q表示第q次外迭代，D→L表示反馈信息从解调器到LDPC译码器，D←L表示反馈信息从LDPC译码器到解调器，变量L表示所有的反馈信息，

为第q-1次迭代中译码器反馈给解调器的外信息：

$L_{D\←L}^{q-1}\left(b_i\right)=\log \frac{p(b_i=+1)}{p(b_i=-1)},$ 其中i=1,2,…,n，

为第q次迭代中解调器反馈给译码器的外信息：

其中，

表示第i个编码比特为+1的x的集合，

表示第i个编码比特为-1的x的集合，{x⁺}_j表示x⁺符号中第j个比特的集合，{x^-}_j表示x^-符号中第j个比特的集合；

用贝叶斯准则 $\underset{x_t\text{\∈}{\mathrm{\χ}}_b^i}{\mathrm{\Σ}}p\left(x_t\right|y_t)=\underset{x_t\∈{\mathrm{\χ}}_b^i}{\mathrm{\Σ}}p\left(y_t\right|x_t)\·p\left(x_t\right)$ 和信道接收符号的概率 $p\left(y\right|x)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}\exp (-\frac{{(y-x)}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})$ 得到软解调器输出的软信息：

$L_{D\→L}^q\left(b_{i,j}\right)=\log \frac{\underset{x\∈C_i^{+}}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x=x^{+})\·p(x=x^{+})}{\underset{x\∈C_i^{-}}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x=x^{-})\·p(x=x^{-})}-L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)$

$=\log \frac{\underset{x\∈C_i^{+}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-{\left|\right|y-\sqrt{\mathrm{SNR}}\·x^{+}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{\log M}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{x^{+}\right\}}_j\·\frac{L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)}{2})}{\underset{x\∈C_i^{-}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-{\left|\right|y-\sqrt{\mathrm{SNR}}\·x^{-}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{\log M}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{x^{-}\right\}}_j\·\frac{L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)}{2})}-L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right).$

本发明的水声通信方法适合应用的信道环境是水平信道，远距离（100km到115km），尤其适用于负声速梯度水声信道。

所述的QPSK解调器和LDPC译码器构成一个SISO（软输入软输出）模块里没有交织器和解交织器。LDPC码相邻比特之间一般不会出现相互校验的关系，这使LDPC码在不需要深度交织的情况下，就可以获得优异的纠突发错误的能力，同时还使反馈时同一符号之间的比特的外信息有很好的独立性。交织器对LDPC码来说几乎不起作用。

所述的利用Walsh-m复合序列扩频具有尖锐的自相关特性，和旁瓣较小的互相关特性，能够保持收发两端在同步时的正交性，并减少异步时的互相关性。

所述的接收端采用基于LMS算法的自适应判决反馈均衡器，用来抵消信道多径传输和相位起伏对相关检测的影响，减小(ISI)码间干扰，它比MMSE（均方误差）算法更适用于水平远距离水声信道。

本发明的优势在于：

1、考虑到远距离水声通信的接收信号来自多条不同的路径，声波到达的时间有先后顺序，即幅度衰减的大小不同，时延不同，多径干扰破坏了解调器和译码器的输入信号，导致译码出现错误，因此本发明将软解调和软译码联合迭代。在对译码输出结果进行硬判决之前，先将译码输出结果计算附加值后作为先验信息传递给解调器，解调器根据译码器给出的先验信息和均衡器给出的信息进行软解调，再将软解调输出结果计算附加值后作为先验信息传递给译码器，此过程为一次外迭代，……，以此类推，随着外迭代次数的增加，译码输出的错误比特概率逐次收敛、减小，当联合迭代次数达到设定值时，译码器输出硬判决结果。

2、考虑到水声通信的实时性要求，并且考虑到LDPC码的校验矩阵中没有任何两行具有超过一个相同位置的1，也就是说相邻比特之间一般不会出现相互校验的关系，这使LDPC码在不需要深度交织的情况下，就可以获得优异的纠突发错误的能力，同时还使反馈时同一符号之间的比特的外信息有很好的独立性。交织器对LDPC码来说几乎不起作用，这一结论在AWGN(高斯白噪声)信道、Rayleigh（瑞利）信道、水声信道下都成立。因此本发明在LDPC译码器向QPSK解调器反馈信息的支路上，没有用到交织器，在QPSK解调器向LDPC译码器反馈信息的支路上，也没有用到解交织器。如此既能够达到正确译码，又可以减小计算量和复杂度，提高了通信的实时性。

3、考虑到远距离水声通信的传输损耗大，以及通信的隐蔽性和抗截获性，这两方面限制了接收机在低信噪比下工作。传统的水声通信采用正交幅度调制（QAM）和脉冲相位调制（PPM），二者的抗干扰能力差，并且对接收端的输入信噪比要求高，要采用大的发射和接收基阵，通过空间分集和组合提高信噪比。而本发明采用QPSK调制，它对接收端的输入信噪比要求低，抗干扰能力强，这样既能够保证接收机在低信噪比下工作，又利于工程实现。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为没有进行联合迭代时，译码器输出误比特率曲线；

图3为1次联合迭代后，译码器输出误比特率曲线；

图4为2次联合迭代后，译码器输出误比特率曲线；

图5为采用联合迭代方法和没有迭代的误比特率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图1，现发明所述目的通过以下技术方案实现：

发射端首先对信源发出的二进制信息序列进行LDPC（奇偶校验码）编码，作用是在原信息序列基础上增加了校验信息而构成一串新的码元序列，进行QPSK（四进制相移键控）调制和Gray(格雷)映射，将码元序列每两个为一组映射到星座图中的4个位置之一，在经过Walsh-m复合序列扩频后得到很长的发射信号，此时利用水声换能器将待发射的数字信号变换为水声信号，从而便于在远距离水声信道中传输，接收端的水声换能器将接收到的水声信号转换为数字信号，利用和发射端相同的复合序列完成解扩得到短的接收信号，然后经自适应判决反馈均衡后得到幅度衰减的复信号，对信号进行软解调软译码联合迭代，在达到设定的迭代次数后停止联合迭代，由LDPC译码器进行BP译码（基于置信度传播的迭代译码）后最后输出比特值给信宿。

软解调软译码联合迭代的具体过程是：QPSK解调器和LDPC译码器构成一个SISO（软输入软输出）模块。均衡器输出的信息，直接给了QPSK解调器。首先，设置LDPC译码器反馈给QPSK解调器的初始值为0，QPSK解调器利用一种软解调算法来输出软信息，该软信息直接给LDPC译码器，经过软判决译码之后输出软信息。接下来开始第一次联合迭代过程：LDPC译码器输出的软信息反馈给QPSK解调器，QPSK解调器根据这个软信息和均衡器给出的信息，运用一种软解调算法来计算各比特的外信息；该外信息减去LDPC译码器反馈的软信息，减法运算之后得到的软信息一方面直接传递给LDPC译码器，同样的信息另一方面作为减数和LDPC译码器输出的软信息作相减操作。相减后得到的软信息一方面直接送到QPSK解调器，同样的信息另一方面作为减数和QPSK解调器输出的软信息作相减操作。至此，完成第一次联合迭代，依照此方法继续完成第二次、第三次、……第N次迭代，直到设定的联合迭代次数。

Walsh-m复合序列扩频的具体过程是：首先生成长度为15的m序列，m序列整周期重复16次后构成一个新序列，这里用字母A来标记，然后生成长度为16的Walsh序列，对Walsh序列中的每个元素重复15次后构成一个新序列，这里用字母B标记。最后将A和B相乘，就得到Walsh-m复合序列，将此作为扩频序列。

均衡器采用的算法是基于LMS（最小线性均方）算法的自适应判决反馈均衡，在编码后的码元中加入长度为100的训练序列，该训练序列在均衡的步骤完成之后就被去掉，还原为LDPC编码后的序列长度。

本发明还可以包括：

（1）所述的水声通信方法适合应用的信道环境，是水平信道，远距离（100km到115km），尤其适用于声速为常数的均匀介质信道。

（2）所述的QPSK解调器采用的软解调算法为：QPSK解调器根据两个参量来计算输出的软信息，其中一个是均衡器给它的信息，另一个是上一次迭代中LDPC译码器给它反馈的软信息。具体计算方法为：设q表示第q次外迭代，变量L表示所有的反馈信息，b_i表示调制符号的第i个比特，y表示接收信号，L_a(b_i)为信道符号转移概率的对数似然比：

具体计算方法为：设q表示第q次外迭代，D→L表示反馈信息从解调器到LDPC译码器，D←L表示反馈信息从LDPC译码器到解调器，变量L表示所有的反馈信息，

为第q-1次迭代中译码器反馈给解调器的外信息，计算如下：

$L_{D\←L}^{q-1}\left(b_i\right)=\log \frac{p(b_i=+1)}{p(b_i=-1)}$ （i=1,2,…,n）

[035]

为第q次迭代中解调器反馈给译码器的外信息：

其中，表示第i个编码比特为+1的x的集合，

表示第i个编码比特为-1的x的集合。{x⁺}_j表示x⁺符号中第j个比特的集合，{x^-}_j表示x^-符号中第j个比特的集合。

用贝叶斯准则 $\underset{x_t\text{\∈}{\mathrm{\χ}}_b^i}{\mathrm{\Σ}}p\left(x_t\right|y_t)=\underset{x_t\∈{\mathrm{\χ}}_b^i}{\mathrm{\Σ}}p\left(y_t\right|x_t)\·p\left(x_t\right)$ 和信道接收符号的概率

得到软解调器输出的软信息，计算如下：

$L_{D\→L}^q\left(b_{i,j}\right)=\log \frac{\underset{x\∈C_i^{+}}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x=x^{+})\·p(x=x^{+})}{\underset{x\∈C_i^{-}}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x=x^{-})\·p(x=x^{-})}-L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)$

$=\log \frac{\underset{x\∈C_i^{+}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-{\left|\right|y-\sqrt{\mathrm{SNR}}\·x^{+}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{\log M}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{x^{+}\right\}}_j\·\frac{L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)}{2})}{\underset{x\∈C_i^{-}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-{\left|\right|y-\sqrt{\mathrm{SNR}}\·x^{-}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{\log M}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{x^{-}\right\}}_j\·\frac{L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)}{2})}-L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)$

达到设定的联合迭代次数时，这里设为N=2次，QPSK解调器利用上述软解调算法，，计算输出的软信息，并作为输入信号传给LDPC译码器，LDPC译码器用BP算法输出信息比特值给信宿，而不再反馈给QPSK解调器。最后比较信源和信宿的比特错误率。

远距离水声通信系统中，收发装置位于水深300米处，发射机功率40瓦，载波频率4千赫兹。对负声速梯度水声信道数据进行计算机仿真。

软解调和软译码联合迭代的流程图如图1所示。

以码长为1536比特，信息长为768比特的LDPC码为例，LDPC码自身译码迭代10次，在没有联合迭代时，误比特率曲线如图2所示；

在第一次联合迭代时，解调器利用LDPC译码器反馈给QPSK解调器的值

（第一次设为0），运用软解调算法得到反馈给LDPC译码器的值

接着LDPC译码器运用BP算法计算得到软信息

将

反馈给QPSK解调器，同时对

作硬判决，求出信息比特值，画出误比特率曲线，如图3所示，从图中可以看出，联合迭代一次可以带来2dB的信噪比增益；

在第二次联合迭代时，解调器利用LDPC译码器反馈给QPSK解调器的值

运用软解调算法得到反馈给LDPC译码器的值得到

接着LDPC译码器运用BP算法计算得到软信息

达到设定的联合迭代次数2，所以停止迭代，LDPC译码器不再向QPSK反馈软信息，二是直接对

作硬判决，输出比特值给信宿，画出误比特率曲线，如图4所示，从图中可以看出，第二次联合迭代又比第一次联合迭代提高了0.5dB的信噪比增益；

远距离水声通信系统采用本发明的有无联合迭代时，得到误比特率曲线对比，如图5所示，从图中可以看出，错误数逐渐减少，误比特率曲线逐渐收敛；与没有联合迭代的情况相比，联合迭代两次能够提高2.5dB的信噪比增益。

对比以上结果，采用联合迭代方法，误比特率曲线更加收敛，带来更多的信噪比增益。

Claims (6)

1.一种基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法，其特征是：发射端首先对信源发出的二进制信息序列进行LDPC编码，在原信息序列基础上增加校验信息而构成一串新的码元，进行QPSK调制和Gray映射，将码元每两个为一组映射到星座图中的4个位置之一，再经过Walsh-m复合序列扩频后得到待发射信号，利用水声换能器将待发射的数字信号变换为水声信号；接收端的水声换能器将接收到的水声信号转换为数字信号，利用和发射端相同的复合序列完成解扩得到接收信号，然后经自适应判决反馈均衡后得到幅度衰减的复信号，对信号进行软解调软译码联合迭代，在达到设定的迭代次数后停止联合迭代，由LDPC译码器进行BP译码后最后输出比特值给信宿。

2.根据权利要求1所述的基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法，其特征是所述软解调软译码联合迭代的具体过程是：QPSK解调器和LDPC译码器构成一个软输入软输出模块，均衡器输出的信息，直接给了QPSK解调器；首先，设置LDPC译码器反馈给QPSK解调器的初始值为0，QPSK解调器利用软解调算法来输出软信息，该软信息直接给LDPC译码器，经过软判决译码之后输出软信息；接下来开始第一次联合迭代过程：LDPC译码器输出的软信息反馈给QPSK解调器，QPSK解调器根据这个软信息和均衡器给出的信息，运用软解调算法来计算各比特的外信息，该外信息减去LDPC译码器反馈的软信息，减法运算之后得到的软信息一方面作为输入信号直接传递给LDPC译码器，另一方面作为减数和LDPC译码器输出的软信息作相减操作；相减后得到的软信息一方面作为输入信号直接送到QPSK解调器，另一方面作为减数和QPSK解调器输出的软信息作相减操作；至此，完成第一次联合迭代，依次继续完成第二次、第三次、……第N次迭代，直到设定的联合迭代次数。

3.根据权利要求2所述的基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法，其特征是QPSK解调器所采用的软解调算法为：q表示第q次外迭代，D→L表示反馈信息从解调器到LDPC译码器，D←L表示反馈信息从LDPC译码器到解调器，变量L表示所有的反馈信息，为第q-1次迭代中译码器反馈给解调器的外信息：

$L_{D\←L}^{q-1}\left(b_i\right)=\log \frac{p(b_i=+1)}{p(b_i=-1)},$ 其中i=1,2,…,n，

为第q次迭代中解调器反馈给译码器的外信息：

其中，

表示第i个编码比特为+1的x的集合，

表示第i个编码比特为-1的x的集合，{x⁺}_j表示x⁺符号中第j个比特的集合，{x^-}_j表示x^-符号中第j个比特的集合；用贝叶斯准则 $\underset{x_t\text{\∈}{\mathrm{\χ}}_b^i}{\mathrm{\Σ}}p\left(x_t\right|y_t)=\underset{x_t\∈{\mathrm{\χ}}_b^i}{\mathrm{\Σ}}p\left(y_t\right|x_t)\·p\left(x_t\right)$ 和信道接收符号的概率 $p\left(y\right|x)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}\exp (-\frac{{(y-x)}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})$ 得到软解调器输出的软信息：

$L_{D\→L}^q\left(b_{i,j}\right)=\log \frac{\underset{x\∈C_i^{+}}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x=x^{+})\·p(x=x^{+})}{\underset{x\∈C_i^{-}}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|x=x^{-})\·p(x=x^{-})}-L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)$

$=\log \frac{\underset{x\∈C_i^{+}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-{\left|\right|y-\sqrt{\mathrm{SNR}}\·x^{+}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{\log M}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{x^{+}\right\}}_j\·\frac{L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)}{2})}{\underset{x\∈C_i^{-}}{\mathrm{\Σ}}\exp (-{\left|\right|y-\sqrt{\mathrm{SNR}}\·x^{-}\left|\right|}^2+\underset{j=1}{\overset{\log M}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{x^{-}\right\}}_j\·\frac{L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right)}{2})}-L_{D\←L}^{q-1}\left(b_{i,j}\right).$

4.根据权利要求1、2或3所述的基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法，其特征是所述Walsh-m复合序列扩频的具体过程是：首先生成长度为15的m序列，m序列整周期重复16次后构成一个新序列，用字母A来标记，然后生成长度为16的Walsh序列，将Walsh序列中的每个元素重复15次后构成一个新序列，用字母B标记，最后将A和B相乘，得到Walsh-m复合序列，将此作为扩频序列。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法，其特征是所述均衡器是采用基最小线性均方算法的自适应判决反馈均衡，在编码后的码元中加入长度为100的训练序列，该训练序列在均衡的步骤完成之后就被去掉，还原为LDPC编码后的序列长度。

6.根据权利要求4所述的基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法，其特征是所述均衡器是采用基最小线性均方算法的自适应判决反馈均衡，在编码后的码元中加入长度为100的训练序列，该训练序列在均衡的步骤完成之后就被去掉，还原为LDPC编码后的序列长度。

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