CN103220046B - 一种远程水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种远程水声通信方法，基于差分编码的解调译码联合迭代检测，属于水声通信技术领域。发信机采用扩频通信来抗多径干扰，采用频谱利用率高的差分调制四相相对移相键控来解决相位突变和环路跳周问题，收信机采用解调译码联合迭代技术来消除码间干扰。本发明的有益效果在于：1）解调译码联合迭代技术提高了远程水声通信系统的误比特率性能；2）差分调制降低了对非线性放大器的工艺要求，具有工程可行性；3）扩频通信克服了远程水声信道的多径干扰。

Description

一种远程水声通信方法

技术领域：

本发明涉及一种远程水声通信方法，基于差分编码的解调译码联合迭代检测，属于水声通讯领域。

背景技术：

在远程水声通信系统中，码间干扰直接影响通信结果的可靠性。远程水声信道的多径干扰严重，为了提高通信可靠性必须提高抗干扰的能力，对信号进行解调译码联合迭代处理是一种有效手段。

目前国内外的远程水声通信系统广泛采用解调译码联合迭代处理，其方法是相位键控（PSK）解调和奇偶校验码（LDPC）译码联合迭代技术，将其用于远距离水声通信中的不足之处是：由于收发两端的载频存在频差，并且收发两端相对运动而产生多普勒频移，从而导致接收信号相位模糊，而PSK调制对相位模糊和相位突变很敏感。

2002年《Bit-interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding and8PSK Signaling》一文中提出了采用8PSK调制和卷积码译码联合迭代技术，其方法是采用理想交织降低接收符号中比特的相关性，用卷积码译码器反馈的概率信息降低8PSK解调的模糊，用8PSK解调器输出的概率信息降低误码率，将其用于远距离水声通信中的不足之处是：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。

2010年薛睿在《基于Turbo迭代算法LDPCC-CPM系统接收机设计》一文提出了采用连续相位调制(CPM)解调和LDPC译码联合迭代技术，其方法是：引入Turbo迭代检测机制，使CPM解调器和LDPC译码器构成一个软输入软输出模块,将其用于远距离水声通信中的不足之处是：水声信道是一个频率选择性衰落信道,码间干扰严重,超网格均衡是消除LDPCC-CPM系统中码间干扰的一种有效手段,但其复杂性随着超网格的状态数指数倍增长,难以实时实现并应用于工程实际。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种远程水声通信方法，在四进制相移键控（QPSK）解调和LDPC译码联合迭代闭环回路中，通过引入差分编码器和差分译码器，来实现四相相对移相键控（DQPSK）解调和LDPC译码的联合迭代，从而提高纠错能力。它既能够弥补PSK解调和卷积码译码联合迭代技术在水声通信中应用的不足，又具有工程可行性，进一步降低远程水声通信的误码率。

本发明提供了一种远程水声通信方法，其目的的实现包括如下步骤：

（1）在通信发信机端，对信源信号进行LDPC编码和差分编码，对编码后的码元进行QPSK调制步骤；

（2）将（1）中得到的已调信号用Walsh序列直接扩频调制以适应远程水声信道特点；

（3）在通信收信机端，用本地Walsh序列对接收信号进行相干解扩步骤；

（4）在通信收信机端，将（3）中得到的解扩信号输入到解调译码软输入软输出模块（由QPSK解调器,差分编码器,LDPC译码器和差分译码器构成），首先用QPSK解调器进行解调步骤；

（5）将（4）中得到的解调信号进行差分译码步骤；

（6）将（5）中得到的信号输入到LDPC译码器，进行软译码步骤；

（7）将（6）中得到的译码信号减去（5）中得到的信号后，进行差分编码步骤；

（8）将（7）中得到的信号作为先验信息输入到QPSK解调器，在闭环回路完成一次联合迭代；

（9）将（8）中得到的信号减去（7）中得到的信号后，进行差分译码步骤；

（10）将（9）中得到的信号输入到LDPC译码器，实现软译码步骤，若误码率性能达到要求，则输出信号到信宿，否则仿照步骤（7）继续下一轮迭代。

在步骤（4）中，解调过程如下：设q表示第q次外迭代（即解调器和译码器之间的迭代），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第i个比特的外信息，计算如下：

$\begin{array}{cc}{L}_{D\←L}^{q-1}\left(b_i\right)=\log \frac{p(b_i=+1)}{p(b_i=-1)}& (i=\mathrm{1,2},...,n)\end{array}$

式中，为第q次迭代中解调器反馈给译码器的第i个比特的外信息，计算如下：

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

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

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，表示x^-符号中第j个比特的集合。

在步骤（5）中，差分译码过程如下：

对差分译码器的输入串并转换为两路设为ee和ff，按如下判决准则求出cc和dd：

${\mathrm{ee}}_{n-1}\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}=0\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cc}}_n={\mathrm{ee}}_n\⊕e_{n-1}\\ {\mathrm{dd}}_n={\mathrm{ff}}_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

${\mathrm{ee}}_{n-1}\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}=1\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cc}}_n={\mathrm{ff}}_n\⊕f_{n-1}\\ {\mathrm{dd}}_n={\mathrm{ee}}_n\⊕e_{n-1}\end{array}\right.$

计算出cc和dd的对数似然比信息，并串转换后输出；

在步骤（7）中，差分编码过程如下：

对差分编码器的输入串并转换为两路设为c和d，按如下判决准则求出e和f：

$e_{n-1}\⊕f_{n-1}=0\⇒\left\{\begin{array}{c}{e}_n=c_n\⊕e_{n-1}\\ f_n=d_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

$e_{n-1}\⊕f_{n-1}=1\⇒\left\{\begin{array}{c}{e}_n=d_n\⊕e_{n-1}\\ f_n=c_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

计算出e和f的对数似然比信息，并串转换后输出。

本发明的有益效果在于：1）本发明克服了远程水声信道的多径干扰；2）降低了远程水声通信系统的误比特率；3）接收机解调时不需要提取相干载波，简化了接收机结构；4）提高了频谱利用率；5）解决了相位模糊、相位突变和环路跳周的大问题，降低了对非线性放大器的工艺要求,利于工程实现；6）提高了远程水声通信的保密性。

附图说明：

图1一种远程水声通信方法原理框图

图2针对没有采用联合迭代的传统水声通信系统，做的误比特率仿真曲线

图3针对采用1次联合迭代后的远程水声通信系统，做的误比特率仿真曲线

图4针对采用2次联合迭代后的远程水声通信系统，做的误比特率仿真曲线

图5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：

下面给出本发明的具体实施方式并结合附图加以说明。

实例：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，LDPC码的码长为1536比特，信息长为768比特，LDPC码译码内迭代10次，水声信道模型为负声速梯度水声信道。

如图1所示，为实现本发明目的，采用以下步骤：

1）在通信发信机端，对信源信号进行LDPC编码和差分编码，对编码后的码元进行QPSK调制步骤。

2）将1）中得到的已调信号用Walsh序列直接扩频调制以适应远程水声信道特点。

3）在通信收信机端，用本地Walsh序列对接收信号进行相干解扩步骤。

4）在通信收信机端，将3）中得到的解扩信号输入到解调译码软输入软输出模块（由QPSK解调器,差分编码器,LDPC译码器和差分译码器构成），QPSK解调器解调过程如下：

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

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

其中，q表示第q次外迭代（即解调器和译码器之间的迭代），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第i个比特的外信息，为第q次迭代中解调器反馈给译码器的第i个比特的外信息，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，表示x^-符号中第j个比特的集合。

5）将4）中得到的解调信号进行差分译码步骤，过程如下：

对差分译码器的输入串并转换为两路设为ee和ff，按如下判决准则求出cc和dd；

${\mathrm{ee}}_{n-1}\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}=0\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cc}}_n={\mathrm{ee}}_n\⊕e_{n-1}\\ {\mathrm{dd}}_n={\mathrm{ff}}_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

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。

${\mathrm{ee}}_{n-1}\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}=1\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cc}}_n={\mathrm{ff}}_n\⊕f_{n-1}\\ {\mathrm{dd}}_n={\mathrm{ee}}_n\⊕e_{n-1}\end{array}\right.$

计算出cc和dd的对数似然比信息，并串转换后输出，记作

6）将输入到LDPC译码器，进行软译码步骤，此时没有联合迭代，画出误比特率曲线如图2所示。

7）将6）中得到的译码信号减去5）中得到的信号后，进行差分编码步骤，过程如下：

对差分编码器的输入串并转换为两路设为c和d，按如下判决准则求出e和f：

$e_{n-1}\⊕f_{n-1}=0\⇒\left\{\begin{array}{c}{e}_n=c_n\⊕e_{n-1}\\ f_n=d_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

$e_{n-1}\⊕f_{n-1}=1\⇒\left\{\begin{array}{c}{e}_n=d_n\⊕e_{n-1}\\ f_n=c_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

计算出e和f的对数似然比信息，并串转换后输出，记作

8）将作为先验信息输入到QPSK解调器。

9）将8）中得到的解调信号经差分译码后输入到LDPC译码器，在闭环回路完成

一次联合迭代，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0.1dB的信噪比增益。

10）将第一次联合迭代中LDPC译码器的输出经差分编码后的结果记作反馈给QPSK解调器。

11）将10中得到的解调信号经差分译码后的结果记作 作为先验

信息输入到LDPC译码器，在闭环回路完成两次联合迭代，画出误比特率曲线如图4所示。

12）将第二次联合迭代中LDPC译码器的输出经差分编码后的结果记作反馈给QPSK解调器。

13）将12）中得到的解调信号经差分译码后的结果记作 作为先验信息输入到LDPC译码器，在闭环回路完成三次联合迭代，画出误比特率曲线如图5所示，从图中可以看出，第三次联合迭代比无迭代提高了0.25dB的信噪比增益。

达到设定的联合迭代次数，停止迭代。LDPC译码器不再向QPSK反馈软信息，直接作硬判决，输出给信宿。

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 (2)

1.一种远程水声通信方法，其特征在于：

(1)在通信发信机端，对信源信号进行奇偶校验码编码和差分编码，对编码后的码元进行四进制相位键控调制；

(2)将(1)中得到的已调信号用Walsh序列直接扩频调制；

(3)在通信收信机端，用本地Walsh序列对接收信号进行相干解扩；

(4)在通信收信机端，将(3)中得到的解扩信号输入到由四进制相位键控解调器、差分编码器、奇偶校验码译码器和差分译码器构成的解调译码软输入软输出模块；首先用四进制相位键控解调器进行解调；

(5)将(4)中得到的解调信号进行差分译码；

(6)将(5)中得到的信号输入到奇偶校验码译码器，进行软译码；

(7)将(6)中得到的译码信号减去(5)中得到的信号后，进行差分编码；

(8)将(7)中得到的信号作为先验信息输入到四进制相位键控解调器，在闭环回路完成一次联合迭代；

(9)将(8)中得到的信号减去(7)中得到的信号后，进行差分译码；

(10)将(9)中得到的信号输入到奇偶校验码译码器，实现软译码，设定迭代次数，返回步骤(7)继续下一轮迭代，达到迭代次数后，输出信号到信宿；

所述的用四进制相位键控解调器进行解调的过程为：设q表示第q次外迭代，即解调器和译码器之间的迭代，D→L表示反馈信息从解调器到奇偶校验码译码器，D←L表示反馈信息从奇偶校验码译码器到解调器，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第i个比特的外信息，计算如下：

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

为第q次迭代中解调器反馈给译码器的第i个比特的外信息，计算如下：

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

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；

所述的差分译码步骤的过程为：对差分译码器的输入串并转换为两路，设为ee和ff，按如下判决准则求出cc和dd：

${\mathrm{ee}}_{n-1}\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}=0\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cc}}_n={\mathrm{ee}}_n\⊕{\mathrm{ee}}_{n-1}\\ {\mathrm{dd}}_n={\mathrm{ff}}_n\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}\end{array}\right.$

${\mathrm{ee}}_{n-1}\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}=1\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cc}}_n={\mathrm{ff}}_n\⊕{\mathrm{ff}}_{n-1}\\ {\mathrm{dd}}_n={\mathrm{ee}}_n\⊕{\mathrm{ee}}_{n-1}\end{array}\right.$

计算出cc和dd的对数似然比信息，并串转换后输出。

2.根据权利要求1所述的一种远程水声通信方法，其特征在于：所述的差分编码的过程为：

对差分编码器的输入串并转换为两路，设为c和d，按如下判决准则求出e和f：

$e_{n-1}\⊕f_{n-1}=0\⇒\left\{\begin{array}{c}{e}_n=c_n\⊕e_{n-1}\\ f_n=d_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

$e_{n-1}\⊕f_{n-1}=1\⇒\left\{\begin{array}{c}{e}_n=d_n\⊕e_{n-1}\\ f_n=c_n\⊕f_{n-1}\end{array}\right.$

计算出e和f的对数似然比信息，并串转换后输出。