CN108494529B - 一种海事对讲机信号传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了对讲机领域内的一种海事对讲机信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：1）信道编码，采用LDPC+重复码编码方案对信源信号进行编码；2）调制，采用GMSK调制对编码后的信源信号进行调制；3）发送接收，发送机通过天线将调制后的信源信号发送出去，接收机通过天线对发送出来的信源信号进行接收；4）同步，同步序列采用长序列，为时域对称结构，接收机采用自同步方式；5）解调，采用viterbi算法进行译码，软解调后输出；6）信道解码，采用归一化最小和译码算法，使得系统在2dB的信噪比下，系统误帧率小于

Description

一种海事对讲机信号传输方法
技术领域
本发明涉及一种对讲机，特别涉及一种对讲机信号传输方法。
背景技术
随着信息技术的迅速发展，人类社会已经迈进了一个蓬勃发展的信息时代，而无线通信在现代社会中应用得非常广泛，尤其是无线对讲机的通信技术，它可在移动中使用的一点对多点进行通信的终端设备，使多人能彼此交流，同时听到同一个人的说话，因此，在交通、运输、建筑、物业、保安以及政府机关等各个领域中，都得到了广泛的应用。如今海事对讲机市场有如下几个主要需求：语音传输清晰；话音具备加密功能，加密方式用户可控；在同等功率条件下，具有更远的传输距离。
市场现有产品主要有两种：
模拟调频对讲机，当距离较远时，模拟对讲机将具有较多的背景噪声，同时，通话过程无法加密；
数字DPMR对讲机，这种对讲机标准实际上来自于陆地集群对讲机技术，点对点的通信距离由于本身技术限制(4FSK调制)，在同等功率条件下，实际的距离甚至不如优秀的模拟调频对讲机。
发明内容
本发明的目的是提供一种海事对讲机信号传输方法，使得信号传输更加温度，传输距离更长。
本发明的目的是这样实现的：一种海事对讲机信号传输方法，包括以下步骤：
1)信道编码，采用LDPC+重复码编码方案对信源信号进行编码；
2)调制，采用GMSK调制对编码后的信源信号进行调制；
3)发送接收，发送机通过天线将调制后的信源信号发送出去，接收机通过天线对发送出来的信源信号进行接收；
4)同步，同步序列采用长序列，为时域对称结构，接收机采用自同步方式；
5)解调，采用viterbi算法进行译码，软解调后输出；
6)信道解码，采用归一化最小和译码算法，使得系统在2dB的信噪比下，系统误帧率小于3×10-3，最终输出信号。
作为本发明的进一步限定，步骤1)信道编码具体包括编码矩阵结构、话音数据编码方案以及信令编码方案；其中：
编码矩阵结构使用的信道编码为QC-LDPC方案，矩阵结构可以表示为：
Figure GDA0001645380870000021
其中Hb为矩阵H的基矩阵，Hb为一个J×L的矩阵，矩阵中的元素代表了H阵中每个分块矩阵的移位大小；
将基矩阵表示为分块矩阵：
Figure GDA0001645380870000022
其中
Figure GDA0001645380870000023
假设信息比特为
Figure GDA0001645380870000024
编码后的校验位为P＝{p0,p1,…,pJ-1}，系统码字为
Figure GDA0001645380870000025
其中sk和pk都是1Z的向量，Z为分块矩阵的维数；由校验式sy＝H·C＝0，可以有：
Figure GDA0001645380870000031
上式中，l代表第l(0≤l≤L-1)行，并且需要注意的是，上式中等号右边的0代表是的0矩阵，大小为Z×Z；
数据编码方案采用全串行的编码形式，为了方便，令
Figure GDA0001645380870000032
Figure GDA0001645380870000033
(0≤l≤L-1)，编码过程可以分为三步：
a)计算每行的Hb_Sys，并保存在Ram中；
b)将各行的Hb_Sys相加，得到p0；
c)通过递推，将p0和对应行的Hb_Sys相加，得到其余校验位；
信令编码方案采用QC-LDPC+重复码混合编码方案，分为如下两步：
a)将信令数据进行3次重复；
b)将重复后的数据，进行必要的补零后，再做QC-LDPC编码。
作为本发明的进一步限定，步骤2)中调制过程中BT乘积为0.4，调制指数为0.5。
作为本发明的进一步限定，步骤4)同步序列采用长度为280的时域对称序列，在接收端，使用自相关的方式，来进行定时同步和频偏估计，自相关同步基本公式为：
Figure GDA0001645380870000034
其中，N＝280，k为当前的接收样点序号,k为正整数，r(k)为接收信号；
输出序列在时域上位对称结构，即：
p(k)＝p(k-N+1)
其中，N＝280，0≤k≤N-1。
作为本发明的进一步限定，步骤5)中解调时回溯深度为5。
作为本发明的进一步限定，步骤6)中解码具体为：采用归一化最小和NMS译码算法，校验节点的软量更新公式如下：
Figure GDA0001645380870000041
其中，LBP为使用置信度传播(Belief Propagation，BP)算法计算出来的对数似然比信息；其中，本系统使用α＝0.8，迭代次数设计为40，系统在2的信噪比条件下，FER＜3×10-3，其中FER为系统的误帧率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明使得海事对讲机工作性能大大提升，在2dB的信噪比下，系统误帧率小于3×10-3，达到正常通信的需要，实际的通信距离不小于50n mile；使用了GMSK调制方式，有效利用了信道带宽，在8kHz左右的信道占用条件下，系统获得了5.4kbps的空口净速率，使得传输较高音质的话音成为可能(DPMR系统只有2.4kbps的话音)；组群方式简单，通过群号和密码的方式，用户可以非常方便地对通话语音进行加密。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明做进一步说明。
一种海事对讲机信号传输方法，包括以下步骤：
1)信道编码，采用LDPC+重复码编码方案对信源信号进行编码；
2)调制，采用GMSK调制对编码后的信源信号进行调制；
3)发送接收，发送机通过天线将调制后的信源信号发送出去，接收机通过天线对发送出来的信源信号进行接收；
4)同步，同步序列采用长序列，为时域对称结构，接收机采用自同步方式；
5)解调，采用viterbi算法进行译码，软解调后输出；
6)信道解码，采用归一化最小和译码算法，使得系统在2dB的信噪比下，系统误帧率小于3×10-3，最终输出信号。
信道编码方案包括编码矩阵结构、话音数据编码方案以及信令编码方案。
编码矩阵结构
系统使用的信道编码为QC-LDPC方案，该编码矩阵目前为保密，矩阵结构可以表示为：
Figure GDA0001645380870000051
其中Hb为矩阵H的基矩阵，Hb为一个J×L的矩阵，矩阵中的元素代表了H阵中每个分块矩阵的移位大小；下式给出了一个例子，P0，P1分别代表了对单位阵移位0和移位1的结果。
Figure GDA0001645380870000052
语音数据编码方案
为了降低编码器资源消耗，本系统采用全串行的编码形式。
将基矩阵表示为分块矩阵：
Figure GDA0001645380870000053
其中
Figure GDA0001645380870000054
假设信息比特为
Figure GDA0001645380870000055
编码后的校验位为P＝{p0,p1,…,pJ-1}，系统码字为
Figure GDA0001645380870000056
其中sk和pk都是1×Z的向量。由校验式sy＝H·C＝0，可以有：
Figure GDA0001645380870000061
上式中，l代表第l(0≤l≤M-1)行，并且需要注意的是，上式中等号右边的0代表是的0矩阵，大小为Z×Z。举例，将基矩阵元素代入上式(假设K＝3)，就能得到如下的一组方程：
Figure GDA0001645380870000062
将上式中四行相加，即能得到p0，从而可以依次算出其他校验位。
式(4)中每行括号中的部分，不光在计算p0时需要用到，而且在计算其他校验位时也需要用到，所以系统中需要保存这些中间结果，为了方便表示，这里令Hb_Sysj表示第j行的括号部分。所以编码过程可以分为三步：
1.计算每行的Hb_Sys，并保存在Ram中；
2.将各行的Hb_Sys相加，得到p0；
3.通过递推，将p0和对应行的Hb_Sys相加，得到其余校验位。
信令编码方案
本系统的信令编码采用QC-LDPC+重复码混合编码方案，分为如下两步：
1.将信令数据进行3次重复；
2.将重复后的数据，进行必要的补零后，再做QC-LDPC编码；
信令上使用该方案后，可以使得系统在进行单呼时，有更高的拨通率(相比话音传输，约有1-2dB的性能提升)。
系统同步序列方案
系统采用长度为280的时域对称序列，在接收端，使用自相关的方式，来进行定时同步和频偏估计；自相关同步基本公式为：
Figure GDA0001645380870000071
其中，N＝280，k为当前的接收样点序号,k∈Z；
针对GMSK调制方案，我们设计了一种特殊的同步序列构造方式，该输出序列在时域上位对称结构，即：
p(k)＝p(k-N+1)
其中，N＝280，0≤k≤N-1；
使用该同步方案，系统可以工作的最低信噪比为2。
解码器设计方案
系统解码采用归一化最小和(NMS)译码算法，校验节点的软量更新公式如下：
Figure GDA0001645380870000072
其中，LBP为使用置信度传播(Belief Propagation，BP)算法计算出来的对数似然比信息。其中，本系统使用α＝0.8，迭代次数设计为40，系统在2的信噪比条件下，FER＜3×10-3，其中FER为系统的误帧率。
系统调制解调方案
调制方案设计
本系统使用GMSK调制方式，BT乘积为0.4，调制指数为0.5，信号能量非常集中；本方案使用的4.8kbps的信号，调制信号占用带宽小于8kHz。解调方案设计
本系统使用相干的Viterbi迭代解调方案，回溯深度设计为5。
在具体的海上通信测试过程中，我们实际的通信距离能达到50n mile及以上，通信话音音质清晰，说话人信息显示全面(在通话过程中，设备界面上能实时显示哪台设备在讲话)。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种海事对讲机信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)信道编码，采用LDPC+重复码编码方案对信源信号进行编码，信道编码具体包括编码矩阵结构、话音数据编码方案以及信令编码方案；其中：
编码矩阵结构使用的信道编码为QC-LDPC方案，矩阵结构可以表示为：
Figure FDA0002771736890000011
其中Hb为矩阵H的基矩阵，Hb为一个J×L的矩阵，矩阵中的元素代表了H阵中每个分块矩阵的移位大小；
将基矩阵表示为分块矩阵：
Figure FDA0002771736890000012
其中，Hb1是一个J×kb大小的分块矩阵，
Figure FDA0002771736890000013
hb是一个J×1大小的列向量，Hb2是一个J×mb大小的分块矩阵，mb＝J-1；
假设信息比特为
Figure FDA0002771736890000014
编码后的校验位为P＝{p0，p1，…，pJ-1}，系统码字为
Figure FDA0002771736890000015
其中sk和pk都是1×Z的向量，Z为分块矩阵的维数；由校验式sy＝H·C＝0，可以有：
Figure FDA0002771736890000016
上式中，l代表第l(0≤l≤L-1)行，并且需要注意的是，上式中等号右边的0代表是的0矩阵，大小为Z×Z；
数据编码方案采用全串行的编码形式，为了方便，令
Figure FDA0002771736890000017
Figure FDA0002771736890000018
编码过程可以分为三步：
a)计算每行的Hb_Sys，并保存在Ram中；
b)将各行的Hb_Sys相加，得到p0；
c)通过递推，将p0和对应行的Hb_Sys相加，得到其余校验位；
信令编码方案采用QC-LDPC+重复码混合编码方案，分为如下两步：
a)将信令数据进行3次重复；
b)将重复后的数据，进行必要的补零后，再做QC-LDPC编码；
2)调制，采用GMSK调制对编码后的信源信号进行调制；
3)发送接收，发送机通过天线将调制后的信源信号发送出去，接收机通过天线对发送出来的信源信号进行接收；
4)同步，同步序列采用长序列，为时域对称结构，接收机采用自同步方式；
5)解调，采用viterbi算法进行译码，软解调后输出；
6)信道解码，采用归一化最小和译码算法，使得系统在2dB的信噪比下，误帧率小于3×10-3，最终输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种海事对讲机信号传输方法，其特征在于，步骤2)中调制过程中BT乘积为0.4，调制指数为0.5。
3.根据权利要求1所述的一种海事对讲机信号传输方法，其特征在于，步骤4)同步序列采用长度为280的时域对称序列，在接收端，使用自相关的方式，来进行定时同步和频偏估计，自相关同步基本公式为：
Figure FDA0002771736890000021
其中，N＝280，k为当前的接收样点序号，为正整数，r(k)为接收信号；
输出序列在时域上位对称结构，即：
p(k)＝p(k-N+1)
其中，N＝280，0≤k≤N-1。
4.根据权利要求1所述的一种海事对讲机信号传输方法，其特征在于，步骤5)中解调时回溯深度为10。
5.根据权利要求1所述的一种海事对讲机信号传输方法，其特征在于，步骤6)中解码具体为：采用归一化最小和NMS译码算法，校验节点的软量更新公式如下：
Figure FDA0002771736890000031
其中，LBP为使用置信度传播(Belief Propagation，BP)算法计算出来的对数似然比信息，LNMS为NMS算法下的对数似然比信息；其中，本系统使用α＝0.8，迭代次数设计为40，系统在1.5dB的信噪比条件下，FER＜3×10-3，其中FER为系统的误帧率，其中Zi为与当前节点相连的所有变量节点传入的对数似然比信息。
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