CN105049388A - 一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统及其传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统及其传输方法，属于无线通信系统、通信信号处理及信道编译码等相关技术领域。本发明在短波数据传输系统中引入喷泉码，通过采用信源编码-信道编码-调制联合优化技术，有效缩短了短波单向无反馈信道中文件传输时延，增强了通信系统在恶劣信道环境下的可靠性，提高了文件传输的传输效率，对数据可靠性提供了有效的保障。同时本发明中采用了基于时间-频率混合信道估计的单载波频域均衡技术，能够大幅降低单载波系统接收机的复杂度，大幅提升系统对抗短波信道多径传输造成的频域选择性衰落的能力。

Description

一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统及其传输方法

技术领域

本发明涉及一种短波通信中的高速数据传输技术，特别是涉及针对短波单向通信信道下的一种基于单载波频域均衡判决反馈算法的高速数据传输方法，属于无线通信系统、通信信号处理及信道编译码等相关技术领域。

背景技术

短波通信是指在3MHz～30MHz频段范围内，通过电离层反射进行远距离通信的一种途径，是实现无中继全球通信的唯一手段，在无线通信领域具有不可替代的位置。短波通信被广泛运用于需要远距离覆盖的点对点，点对面传输应用领域。例如政策文件下放、应急文件传输、关键信息采集回传等。同时也是灾后应急通信，军事通信中的重要通信手段。

短波信道依靠电离层反射方式传输，信道环境恶劣，多径干扰严重，是一种时变信道。传统的短波数字通信系统，由于其可用带宽较窄，数据传输码率低下。随着短波通信业务多样化发展的需求，该数据速率己不满足应用需求。在现有短波通信系统中，均衡技术主要采用时域均衡。但是随着数据传输速率的提高，当传输带宽越接近信道的相干带宽，时间色散将越严重，此时接收信号随中包含了经历衰减和时延的多径波，引起频率选择性衰落，从而导致严重的码间串扰。如果单用时域均衡减少码间串扰，需要较多的滤波器抽头才能得到可接受的均衡效果，这样很难达到实时性的要求，而且随着多径时延扩展的增大，均衡复杂度甚至可以成指数增长。

同时在单向广播数据传输中，通常采用重复发送的方式进行传输可靠性保证，对每个数据文件发送至少2遍以上，传输效率低下，尤其在点对多点的广播模式中，由于各接收节点丢失数据包的情况不同，无法满足不同信道质量下的传输差异化需求。所以如何在短波恶劣的信道环境下，降低高速数据传输时所需的信噪比要求，达到提高数据传输可靠性的目的，解决单向信道下数据高速可靠的传输是一个重要的问题。

因此，找到一种基于单载波频域均衡技术的短波高速数据传输方法，并解决短波单向信道传输过程中，文件传输的传输效率底下，数据可靠性难以得到有效保障的问题是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波高速数据传输方法。是在短波10kHz带宽内，实现最低5.2kbps，最高23.43kbps的净荷数据率的数据可靠传输。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统及其传输方法，具体而言包括“一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统”和“一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波信道下高速数据传输方法”两方面。

一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统，该系统包括发射机、短波信道和接收机。

其中，发射机包括信号源分组模块、喷泉码编码模块、信道编码模块、单载波调制和成帧模块；

短波信道为单向的短波时变信道；

接收机包括同步模块、频偏估计补偿模块、频域均衡模块、迭代译码模块、判决统计模块及喷泉码解码模块；

具体而言，信号源分组模块、喷泉码编码模块、信道编码模块、单载波调制和成帧模块依次相连；发射机的单载波调制和成帧模块与短波信道相连；短波信道与接收机的同步模块相连，同步模块、频偏估计补偿模块、频域均衡模块、迭代译码模块、判决统计模块、喷泉码解码模块依次相连。

一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波信道下高速数据传输方法，其步骤如下：

步骤一、发射机中信号源将待发送信息比特组成N(N取自然数)干个长度为T字节的净荷数据包；

步骤二、喷泉码编码模块根据设定传输冗余度值d，对净荷数据包进行编码，产生相应的冗余数据包；

步骤三、对喷泉码生成的编码数据包添加K字节的CRC校验字段；

步骤四、将步骤三中生成的喷泉码编码校验数据包以N包为单位进行比特级块交织后，进行码率为p信道编码与MQAM调制，M表示QAM调制的阶数，产生N(T+K)/(pM)个符号，组成一个传输帧内的净荷数据符号；

第五步、对步骤四产生的净荷数据符号分为L段，每段数据长度为N(T+K)/(p*M*L)个数据符号。在每个数据段头插入长度为t个数据符号的UW字段。并在首个数据段头部前再添加[AA]结构的STS字段，其中A为N(T+K)/(p*M*L)+t个数据符号。在最后一个数据段尾部插入与先前一致的UW字段，组成一帧单载波传输帧；

步骤六、对步骤五中生成的单载波传输帧，进行插值上变频，经短波信道传输至接收端；

步骤七、接收信号下变频后，利用STS字段进行系统同步与整数频偏估计，基于最小二乘(LS)法则，估计得到信道的传输函数；

步骤八、对接收数据块进行FFT变换操作后，利用估计所得信道传输函数，依照MMSE准则进行线性均衡；

步骤九、对频域线性均衡后所得数据段进行IFFT变换至时域，利用数据块中UW字段估计多径时延参数与数据段样点偏移量得到判决反馈抽头系数，进行非线性均衡；

步骤十、对步骤九中完成均衡后的时域信号进行解调与迭代译码，得到传输帧内的净荷数据；

步骤十一、对净荷数据包进行CRC校验，通过校验后送入喷泉码译码器；

步骤十二、喷泉码解码模块在接收到每个分块的全部数据(包括原始数据包和冗余数据包)后，进行Raptor码解码处理，完成传输数据的重构。

经过上述十二个步骤即完成了一次数据在短波单向时变信道中的传输过程。

本方法采用信源信道联合编码结构，将喷泉码作为可删除卷积码的外码，信道编码模块继续保留原结构作为内码，内外码之间加入CRC检验字段用于等效删除信道。

接收机利用帧头STS字段中第二个A段数据符号段进行同步与整数频偏估计，并估计信道的传输函数；利用数据块中UW字段估计多径时延参数与数据段样点偏移量，并估计得到判决反馈抽头系数。

本发明产生的有益效果是：

本发明通过采用信源编码-信道编码-调制联合优化技术，有效提升了系统的抗误码性能。

1、本发明通过在短波数据传输系统中引入喷泉码，有效缩短了短波单向无反馈信道中文件传输时延，增强了通信系统在恶劣信道环境下的可靠性，提高了文件传输的传输效率，对数据可靠性提供了有效的保障。

2、本发明在调制技术上采用基于数据块的单载波调制，所传输的MPSK或QAM信号在时域调制，包络恒定不存在多载波系统中峰均比大对发射机线性程度要求较高的问题，减小发送功耗，提高了短波发射机功放效率。同时降低了系统对载波频偏的敏感性，降低了系统对载波同步的要求。

3、本发明中采用了时间-频率混合信道估计-均衡技术以及频域迭代信道估计-均衡技术，能够大幅降低单载波系统接收机的复杂度，大幅提升系统对抗短波信道多径传输造成的频域选择性衰落的能力，在短波信道下能够在提升传输效率的前提下准确的传输数据。

附图说明

图1为本发明中各传输节点的连接示意图；

图2为本发明中发送过程的处理流程图；

图3为本发明中单载波传输数据帧结构示意图；

图4为本发明中接收过程的处理流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不以任何形式限制本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下进行若干变形和改进所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1本发明中各传输节点的连接示意图所示，一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波高速数据传输方法，它包括在发送端对发送信息比特分组后，进行喷泉码编码处理并添加CRC校验字段，对编码数据包进行交织及编码并调制后插入UW字段与STS字段，形成单载波数据传输帧后发送；在接收端进行同步频偏估计补偿后，将数据在频域进行线性均衡后，变换至时域进行非线性均衡判决反馈，再进行解交织及迭代译码，通过CRC校验后的数据包，进行喷泉码译码得到传输数据。

具体实施时：

如表1所示，给出了本发明数据传输方法中不同数据速率所对应的参数选择：

表1不同模式下的净荷数据率

传输率速率	4QAM	16QAM	64QAM
				1/2	5.2kbps	10.40kbps	15.61kbps
2/3	6.94kbps	13.88kbps	20.82kbps
				3/4	7.80kbps	15.61kbps	23.43kbps

下面以23.43kbps数据率为例，给出具体的数据传输过程。

在本实施例中，数据在信道带宽为8kHz，传输最大速率为23.43kbps，数据的帧结构中UW序列长度为64符号，DATA为传输数据长度为256符号。STS头序列采用[AA]结构，A为320点的CAZAC序列，数据块总长度为320点，一帧内包含数据块个数为15。实例中喷泉码采用系统Raptor码，编码分组个数限制在8～8192之间。

本实施例中，发射机如图2所示的发送过程的处理流程图完成发端处理。首先对传输参数进行初始化配置，包括数据包净荷长度T和传输冗余度参数。传输冗余度参数为d，编码产生的冗余包数量为其中符号表示向上取整。在传输过程开始前，在发端对需要发送的数据根据参数T进行分组，实例中每个的净荷数据包大小为147字节，根据短波时变信道先验知识，参数d设定为0.3。经过喷泉编码后为发送数据加入校验数据分组，对净荷数据包和生成的冗余数据包添加16比特的CRC校验字段，形成149字节的喷泉码编码数据包。3个喷泉码编码数据包为一个传输帧。以传输帧为单位进行帧内交织，信道编码与调制，实例中约束长度为7的、编码率为1/4的、母码为[133,171,145,133]的删余卷积码，调制方式为64QAM。

在本实施例中，单载波传输数据帧结构如图3所示，一帧内的调制符号分为15块，每一个数据块头部均插入独立的UW字段，并在该数据段头部插入STS头序列，在数据段尾部插入与先前一致的UW字段，组成一帧传输帧，以该结构在短波信道中进行传输。

在本实施例中，接收机如图4所示的处理流程完成收端处理。接收信号下变频后，利用帧头STS字段中第二个320数据符号段进行同步与整数频偏估计，基于最小二乘(LS)法则，估计得到信道的传输函数；对接收数据块进行FFT变换操作后，利用估计所得信道传输函数，依照MMSE准则对数据在频域进行线性均衡。均衡后数据段通过IFFT变换至时域，利用数据块中UW字段估计多径时延参数与数据段样点偏移量得到判决反馈抽头系数，进行非线性均衡。对均衡后数据进行解调与迭代译码，得到传输帧内的净荷数据。经过解调译码后的分组数据包首先通过CRC进过数据校验，不能通过CRC校验的分组被删除，通过校验的分组进入缓存计数，当分组数量达到一定要求后，开始试Raptor译码，若译码不成功，则通过接收控制收取更多的分组，再次译码，反复进行直至译码成功，完成传输数据的重构。

Claims (4)

1.一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波通信系统，其特征在于：该系统包括发射机、短波信道和接收机；

其中，发射机包括信号源分组模块、喷泉码编码模块、信道编码模块、单载波调制和成帧模块；

短波信道为单向的短波时变信道；

接收机包括同步模块、频偏估计补偿模块、频域均衡模块、迭代译码模块、判决统计模块及喷泉码解码模块；

具体而言，信号源分组模块、喷泉码编码模块、信道编码模块、单载波调制和成帧模块依次相连；发射机的单载波调制和成帧模块与短波信道相连；短波信道与接收机的同步模块相连，同步模块、频偏估计补偿模块、频域均衡模块、迭代译码模块、判决统计模块、喷泉码解码模块依次相连。

2.一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波信道下高速数据传输方法，其特征在于：其步骤如下，

步骤一、发射机中信号源将待发送信息比特组成N(N取自然数)个长度为T字节的净荷数据包；

步骤二、喷泉码编码模块根据设定传输冗余度值d，对净荷数据包进行编码，产生相应的冗余数据包；

步骤三、对喷泉码生成的编码数据包添加K字节的CRC校验字段；

步骤四、将步骤三中生成的喷泉码编码校验数据包以N包为单位进行比特级块交织后，进行码率为p信道编码与MQAM调制，M表示QAM调制的阶数，产生N(T+K)/(pM)个符号，组成一个传输帧内的净荷数据符号；

第五步、对步骤四产生的净荷数据符号分为L段，每段数据长度为N(T+K)/(p*M*L)个数据符号；在每个数据段头插入长度为t个数据符号的UW字段；并在首个数据段头部前再添加[AA]结构的STS字段，其中A为N(T+K)/(p*M*L)+t个数据符号；在最后一个数据段尾部插入与先前一致的UW字段，组成一帧单载波传输帧；

步骤六、对步骤五中生成的单载波传输帧，进行插值上变频，经短波信道传输至接收端；

步骤七、接收信号下变频后，利用STS字段进行系统同步与整数频偏估计，基于最小二乘法则，估计得到信道的传输函数；

步骤八、对接收数据块进行FFT变换操作后，利用估计所得信道传输函数，依照MMSE准则进行线性均衡；

步骤九、对频域线性均衡后所得数据段进行IFFT变换至时域，利用数据块中UW字段估计多径时延参数与数据段样点偏移量得到判决反馈抽头系数，进行非线性均衡；

步骤十、对步骤九中完成均衡后的时域信号进行解调与迭代译码，得到传输帧内的净荷数据；

步骤十一、对净荷数据包进行CRC校验，通过校验后送入喷泉码译码器；

步骤十二、喷泉码解码模块在接收到每个分块的全部数据(包括原始数据包和冗余数据包)后，进行Raptor码解码处理，完成传输数据的重构；

经过上述十二个步骤即完成了一次数据在短波单向时变信道中的传输过程。

3.根据权利要求2所述的一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波信道下高速数据传输方法，其特征在于：采用信源信道联合编码结构，将喷泉码作为可删除卷积码的外码，信道编码模块继续保留原结构作为内码，内外码之间加入CRC检验字段用于等效删除信道。

4.根据权利要求2所述的一种基于喷泉码与单载波频域均衡的短波信道下高速数据传输方法，其特征在于：接收机利用帧头STS字段中第二个A段数据符号段进行同步与整数频偏估计，并估计信道的传输函数；利用数据块中UW字段估计多径时延参数与数据段样点偏移量，并估计得到判决反馈抽头系数。