CN109347777A - 一种高频带利用率mt-mfsk水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高频带利用率MT‑MFSK水声通信方法，包括：步骤1)在发射端，对信源比特流进行分组，生成多个2^M进制符号，对多个2^M进制符号进行非二进制不规则重复累加编码，进行MT‑MFSK调制和变换形成若干个多载波符号，将所述多载波符号组装成一个数据包，通过DA芯片转换成模拟信号由换能器发出；步骤2)在接收端，换能器接收到的模拟信号，经过放大和AD转换后提取出若干多载波符号，对每个多载波符号进行软解调获得多进制符号的软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码的迭代译码，输出比特流，结束后对输出的比特流进行校验；如果校验正确，译码结束；如果校验错误，且未达到最大迭代次数，开始新一轮迭代译码。

Description

一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法。

背景技术

随着人类海洋开发、海洋利用和海洋探索活动的日益增加，人类对水下数据获取和数据传输技术的需求也越来越大。声波可以在海洋中(水下)传播很远的距离，是海洋中主要的信息载体。利用声波进行水下探测和通信是目前最可行的技术手段。

由于海面和海底对信号的密集反射和折射，水声信道多径扩展非常严重。由于载体运动以及信道界面和介质的运动，信号产生了多普勒频移和多普勒扩散。水中声速在1500m/s附近，相对运动速度与声速的比值常常在千分之几左右，这个量级比无线电环境下的多普勒效应大好几个数量级，这表明在水声通信中多普勒效应对系统有更大的影响，远比无线电通信严重。因此，水下声信道是一个典型的多径(多途)、时变和频散的信道，声波在其中的传输行为十分复杂。

多元频移键控(M-ary Frequency Shift Keying，MFSK)技术每次从N个频率的载波中选取一个传号载波，有N种不同的选择，因而可以传输N个信息符号。在水声通信中，MFSK可靠性高，但其频带利用率较低。在不增加带宽的条件下，为提高水声通信速率，考虑采用多音频多元频移键控(Multiple Tone-M-ary Frequency Shift Keying，MT-MFSK)技术。MT-MFSK每次从N个频率的载波中选取K个传号载波，有C_N ^K种不同的选择，因而可以传输更多个信息符号。MT-MFSK作为多进制调制方式，当其载波总数N和每次传号载波数K确定后，就可以根据C_N ^K的取值，确定MT-MFSK的阶数M，需要满足的关系式为2^M≤C_N ^K<2^M+1。

与MFSK一样，MT-MFSK的N个载波间互为正交，但是MT-MFSK传号载波组间不正交。相比于MFSK，由于MT-MFSK传号载波组不正交，MT-MFSK可靠性降低。若要发挥MT-MFSK高频带利用率的优势，就需要寻找合适的信道编码方案，弥补MT-MFSK传号载波组不正交带来的可靠性损失。

发明内容

本发明的目的在于解决MT-MFSK载波组不正交造成可靠性损失的问题，为实现上述目的，本发明提供一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，包括：

步骤1)在发射端，对信源比特流进行分组，生成多个2^M进制符号，对所述多个2^M进制符号进行非二进制不规则重复累加编码，然后进行MT-MFSK调制，再经频域映射、离散傅里叶逆变换IFFT、加循环前缀、峰均比抑制和加滚降形成若干个多载波符号，将所述若干个多载波符号组装成一个数据包，通过DA芯片转换成模拟信号，经发射机放大后，由换能器发出；

步骤2)在接收端，换能器接收到的模拟信号，经接收机滤波放大后，通过AD芯片转换成数字信号，然后提取出若干多载波符号，对每个多载波符号进行MT-MFSK软解调获得多进制符号的软信道信息，利用多进制符号的先验信息和软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码的迭代译码，输出比特流，每轮迭代结束后对输出的比特流进行校验；如果校验正确，则译码结束；如果校验错误，且未达到最大迭代次数，则开始新一轮迭代译码。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)包括：

步骤1-1)对信源比特流进行分组，每组有L个比特，将任一比特分组的L个比特表示为[a⁽¹⁾,…,a^(L)]，每个比特取值为0或1；每组的L个比特依次经过循环冗余编码CRC，比特符号映射，组合形成H*I*J*R个2^M进制符号。

其中，M为MT-MFSK的阶数，H为每个多载波符号包含的MT-MFSK载波状态组数，I为每数据帧多载波符号数，J为每数据包包含的数据帧数，R为非二进制不规则重复累加编码码率；

步骤1-2)对H*I*J*R个2^M进制符号进行编码阶数为M、码率为R的2^M进制的不规则重复累加编码，即依次进行非规则重复、白化、交织和累加，最后输出H*I*J个2^M进制符号；

步骤1-3)对H*I*J个2^M进制符号进行N选K的MT-MFSK调制后得到的H*I*J组N位载波状态，其中，N为MT-MFSK调制载波数，K为MT-MFSK传号载波数，2^M≤C_N ^K<2^M+1；

步骤1-4)将H*I*J组N位载波状态中每H组N位载波状态交叉映射到频域，每一位对应一个频点，该位值为1则该频点的幅度为1，相位随机；值为0则该频点的幅度为0，形成一个频域符号；共得到I*J个频域符号；

步骤1-5)对每个频域符号，依次进行离散傅里叶逆变换IFFT、加循环前缀、峰均比抑制、加滚降，得到I*J个多载波符号；

步骤1-6)每I个多载波符号为一组，前面插入帧同步和前保护间隔，后面插入后保护间隔，组成1个数据帧；共得到J个数据帧；

步骤1-7)对J个数据帧，前面插入包同步，后面插入尾同步，组成一个数据包，将数据包经DA芯片转换成模拟信号，被发射机放大后，由换能器发出。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-1)包括：

步骤1-1-1)对信源比特流进行分组，每组有L个比特，L＝M*H*I*J*R-F；

步骤1-1-2)对每个比特分组进行循环冗余编码CRC，即插入F位循环冗余校验序列；

步骤1-1-3)对进行CRC校验后的比特分组，每M比特组合成一个2^M进制符号，形成H*I*J*R若干个2^M进制符号。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-2)包括：

步骤1-2-1)将序列长度为L_i的2^M进制符号流{a_p}输入非规则重复器，进行不规则重复累加编码，按顺序排列得到长度为L_o的序列{b_q}，0≤q≤H*I*J-1；

步骤1-2-2)将序列{b_q}输入白化器，对序列{b_q}进行有限域上的非0乘法，输出序列{c_q}，c_q＝w_qb_q；

步骤1-2-3)将序列{c_q}输入交织器，对序列{c_q}进行重排，交织器重排序号为sq∈{0,1,...,L_o}，输出序列{d_q}，d_q＝c_sq；

步骤1-2-4)将序列{d_q}输入累加器，累加过程为e_q＝d_q+e_q-1，设初始状态e_-1＝0，输出累加序列{e_q}；

其中，非规则重复器输入序列长度L_i为H*I*J*R，序列{b_q}长度L_o为H*I*J；a_p∈GF(2^M)，0≤p≤H*I*J*R-1；b_q∈GF(2^M)，c_q∈GF(2^M)，d_q∈GF(2^M)，e_q∈GF(2^M)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-3)包括：

步骤1-3-1)对H*I*J个2^M进制符号，每个2^M进制符号映射成一组N位载波状态，其中K位为1，N-K位为0；

每个2^M进制符号有2^M种可能的取值，相应的，每组N位载波状态也有2^M种可能的组合；

步骤1-3-2)当2^M进制符号取值为z，0≤z<2^M时，将对应的N位载波状态用矢量(x_z,0,x_z,1,...x_z,N-1)表示；x_z,n，0≤n<N，取值为0或1；

H*I*J个2^M进制符号映射成H*I*J组N位载波状态。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-5)包括：

步骤1-5-1)对每个频域符号，通过IFFT转换到时域，每个频域符号对应一个时域波形；I*J个频域符号，转换成I*J个时域波形；

步骤1-5-2)对每个时域波形，将波形尾部的一部分复制到头部作为循环前缀，共同构成一个波形符号；I*J个时域波形构成I*J个波形符号；

步骤1-5-3)对每个波形符号进行峰均比抑制，加滚降，得到I*J个多载波符号。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)包括：

步骤2-1)在接收端，将换能器接收到的信号，经接收机滤波放大后，通过AD芯片转换成数字信号；

步骤2-2)对接收到的数字信号，进行包同步和数据帧同步，提取出I*J个多载波符号；

步骤2-3)对每个多载波符号进行平方率软解调获得对数似然比，得到H*I*J个2^M进制符号的软信道信息；

步骤2-4)利用H*I*J个2^M进制符号的先验信息和软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码的迭代译码，每轮迭代结束，对重复译码器输出比特流进行循环冗余校验，如果校验正确，则译码结束；如果校验错误，则开始新一轮迭代译码，直到达到最大迭代次数。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-3)包括：

步骤2-3-1)，对每个多载波符号进行线性调频Z变换，获得该多载波符号H组N位载波状态各自对应频点幅值的平方其中0≤i<H，0≤n<N；

步骤2-3-2)利用第i组N位载波状态以及2^M进制符号取值为z，0≤z<2^M时，对应的N位载波状态(x_z,0,x_z,1,...x_z,N-1)，当z＝0时，对应的N位载波状态为(x_0,0,x_0,1,...x_0,N-1)，得到第i个2^M进制符号的符号级软信道信息，用矢量表示

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-4)包括：

步骤2-4-1)将符号级软信道信息L_ch和符号级先验信息L_A1输入累加译码器，输出符号级软信息L_D1和符号级外部信息L_E1＝L_D1-L_A1-L_ch；第一轮译码时，由于信源比特0或1随机等概率出现，累加译码器符号级先验信息矢量L_A1为全零；

步骤2-4-2)累加译码器的符号级外部信息L_E1通过解交织、解白化后，转化为重复译码器的符号级先验信息L_A2；

步骤2-4-3)将符号级先验信息L_A2输入重复译码器，输出符号级软信息L_D2和符号级外部信息L_E2＝L_D2-L_A2；

步骤2-4-4)重复译码器的符号级外部信息L_E2通过白化、交织后，成为累加译码器符号级先验信息L_A1；

L_ch、L_A1、L_D1、L_E1、L_A2、L_D2、L_E2均是对数似然比矢量；

步骤2-4-5)每轮译码结束，对重复译码器输出符号级软信息L_D2进行最大似然译码，得到输出比特分组

步骤2-4-6)对输出比特分组进行循环冗余校验；

如果校验正确，则译码结束，得到信源比特分组

如果校验错误，且未达到最大迭代次数，则开始新一轮迭代译码；

如果达到最大迭代次数，则宣告本数据包译码失败，返回监听状态。

本发明的优势在于：

1、本发明的一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法通过将阶数相同的非二进制不规则重复累加编码与MT-MFSK结合，可以弥补MT-MFSK载波组不正交造成的可靠性损失，进而充分发挥MT-MFSK高频带利用率的优势；

2、本发明的一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法解调仅需要计算频点能量值即可完成，译码仅需要最值操作、求和操作，计算复杂度低；

3、本发明的非二进制不规则重复累加码与多进制低密度奇偶校验码(LowDensity Parity Check Code，LDPC)相比，设计更加简单，具有较低的编码复杂度，并且译码性能相当；

4、本发明通过迭代可以使非二进制不规则重复累加编码译码性能接近香农限。

附图说明

图1为高频带利用率MT-MFSK水声通信数据包结构示意图；

图2为高频带利用率MT-MFSK水声通信数据帧结构示意图；

图3为高频带利用率MT-MFSK水声通信发射流程图；

图4为非二进制不规则重复累加编码框图；

图5为高频带利用率MT-MFSK水声通信接收流程图；

图6为高频带利用率MT-MFSK水声通信非二进制不规则重复累加编码迭代译码框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

针对MT-MFSK传号载波组不正交的问题，为避免解调映射时产生信息量损失，本发明采用与MT-MFSK阶数相同的多进制编码技术。

所述多进制编码技术为非二进制不规则重复累加编码(Nonbinary IrregularRepeat-Accumulate Code，NIRA)可以看作是重复码与累加码的串行级联。

通过将阶数相同的非二进制不规则重复累加编码与MT-MFSK结合，能够弥补MT-MFSK载波组不正交造成的可靠性损失，进而充分发挥MT-MFSK高频带利用率的优势。

本发明提出一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，包括以下步骤：

a.发射流程

步骤1)对信源比特流进行分组，每组有L个比特，L＝M*H*I*J*R-F；M为MT-MFSK的阶数，H为每多载波符号MT-MFSK载波状态组数，I为每数据帧多载波符号数，J为每包数据帧数，R为NIRA码率，F为CRC校验位数。

步骤2)对每个比特分组进行循环冗余编码(Cyclic Redundancy Check，CRC)即插入F位循环冗余校验序列。F的大小为编码所采用的生成多项式的长度减1。

步骤3)对进行CRC校验后的比特分组，每M比特组合成一个2^M进制符号，形成H*I*J*R个2^M进制符号。

步骤4)对H*I*J*R个2^M进制符号，进行编码阶数为M、码率为R的2^M进制非二进制不规则重复累加编码，生成H*I*J个2^M进制符号。

步骤5)对非二进制不规则重复累加编码输出的H*I*J个2^M进制符号，进行调制阶数为M的N选K MT-MFSK调制。这里，N为MT-MFSK调制载波数，K为MT-MFSK传号载波数，2^M≤C_N ^K<2^M+1。每个2^M进制符号映射成一组N位载波状态，其中K位为1，(N-K)位为0。每个2^M进制符号有2^M种可能的取值，相应的，每组N位载波状态也有2^M种可能的组合。当2^M进制符号取值为z(0≤z<2^M)时，对应的N位载波状态可以用矢量(x_z,0,x_z,1,…x_z,N-1)表示,x_z,n(0≤n<N)取值为0或1。H*I*J个2^M进制符号映射成H*I*J组N位载波状态。

步骤6)对H*I*J组N位载波状态，每H组N位载波状态交叉映射到频域，每一位对应一个频点，该位值为1则该频点的幅度为1，相位随机；值为0则该频点的幅度为0，形成一个频域符号，H*I*J组N位载波状态形成I*J个频域符号。

步骤7)对每个频域符号，通过IFFT转换到时域，每个频域符号对应一个时域波形。I*J个频域符号，转换成I*J个时域波形。

步骤8)对每个时域波形，将波形尾部的一部分复制到头部作为循环前缀，共同构成一个波形符号。I*J个时域波形构成I*J个波形符号。

步骤9)对每个波形符号进行峰均比抑制，加滚降，得到I*J个多载波符号。

步骤10)每I个多载波符号为一组，前面插入帧同步和前保护间隔，后面插入后保护间隔，组成1个数据帧，I*J个多载波符号组成J个数据帧。

步骤11)对J个数据帧，前面插入包同步，后面插入尾同步，组成一个数据包。

步骤12)将数据包通过DA芯片转换成模拟信号，经发射机放大后，由换能器发出。

b.接收处理

步骤1)在接收端，将换能器接收到的信号，经接收机滤波放大后，通过AD芯片转换成数字信号。

步骤2)对接收到的数字信号，进行包同步和数据帧同步，提取出I*J个多载波符号。

步骤3)对每个多载波符号进行平方率软解调获得对数似然比，得到H*I*J个2^M进制符号的软信道信息。

步骤4)利用H*I*J个2^M进制符号的先验信息和软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码迭代译码，每轮迭代结束，对重复译码器输出比特流进行循环冗余校验，如果校验正确，则译码结束；如果校验错误，且未达到最大迭代次数P，则开始新一轮迭代译码。

实施例1：

如图1所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信数据包结构示意图，每个数据包由包同步、J个数据帧和尾同步组成。

如图2所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信数据帧结构示意图，每个数据帧由帧同步、前保护间隔、I个多载波符号和后保护间隔组成。

如图3所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信发射流程图，高频带利用率MT-MFSK水声通信发射流程包括如下步骤：

首先，对信源比特流进行分组，每组有L个比特，将任一比特分组的L个比特表示为[a⁽¹⁾,…,a^(L)]，取值为0或1。每组的L个比特依次经过循环冗余编码即插入F位循环冗余校验序列、比特符号映射形成H*I*J*R个2^M进制符号。

接着，进行编码阶数为M、码率为R的2^M进制不规则重复累加编码，生成H*I*J个2^M进制符号。

如图4所示，给出了非二进制不规则重复累加编码框图，用到有限域GF(2^M)上的代数计算。依次进行非规则重复、白化、交织和累加后输出。

其次，对进行N选K MT-MFSK调制后得到的H*I*J组N位载波状态，每H组N位载波状态交叉映射到频域，每一位对应一个频点，该位值为1则该频点的幅度为1，相位随机；值为0则该频点的幅度为0，形成一个频域符号。

再次，对每个频域符号，依次进行IFFT、加循环前缀、峰均比抑制、加滚降，得到I*J个多载波符号。

然后，如图2所示，每I个多载波符号为一组，前面插入帧同步和前保护间隔，后面插入后保护间隔，组成1个数据帧。

最后，如图1所示，对J个数据帧，前面插入包同步，后面插入尾同步，组成一个数据包。经DA芯片转换成模拟信号，被发射机放大后，由换能器发出。

如图5所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信接收流程图，高频带利用率MT-MFSK水声通信接收处理包括如下步骤：

首先，在接收端，将换能器接收到的信号，经接收机滤波放大后，通过AD芯片转换成数字信号。

然后，对接收到的数字信号，进行包同步和数据帧同步。数据帧同步包括时域同步和频域同步即多普勒补偿，每个数据帧提取出I个多载波符号。对每个多载波符号进行平方率软解调获得对数似然比，得到H个2^M进制符号的软信道信息。一个数据包有J个数据帧，每个数据帧包含I个多载波符号，每个多载波符号经解调后可以获得H个2^M进制符号的软信道信息。因而一个数据包可以获得H*I*J个2^M进制符号的软信道信息。

最后，进行非二进制不规则重复累加码译码。

如图6所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信NIRA迭代译码框图，在每轮迭代中，累加译码器以符号级软信道信息(信道观测)L_ch和符号级先验信息L_A1作为输入，输出符号级软信息L_D1。

第一轮译码时，由于信源比特0或1随机等概率出现，累加译码器符号级先验信息矢量L_A1为全零。

累加译码器输出符号级外部信息L_E1＝L_D1-L_A1-L_ch通过解交织、解白化后作为符号级先验信息L_A2输入重复译码器，重复译码器输出符号级软信息L_D2。

重复译码器输出符号级外部信息L_E2＝L_D2-L_A2通过交织、白化后成为累加译码器符号级先验信息L_A1。

这里，L_ch、L_A1、L_D1、L_E1、L_A2、L_D2、L_E2均是对数似然比矢量。

每轮译码结束，对重复译码器输出符号级软信息L_D2进行最大似然译码，得到输出比特分组对输出比特分组进行循环冗余校验；

如果校验正确，则译码结束，得到信源比特分组

如果校验错误，且未达到最大迭代次数，则开始新一轮迭代译码。

实施例2：

表1给出了一个具体应用实施例，各参数的取值：

表1

如图3所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信发射流程包括如下步骤：

步骤S1，对信源比特流进行分组，每组15104个比特。

步骤S2，对每个比特分组，计算CRC16校验和，并将16比特的校验和添加到比特分组尾部。

步骤S3，把添加CRC16校验后的比特分组拆分成2520个6比特组合，每6比特组合成一个64进制符号。

步骤S4，对2520个64进制符号，进行64进制(7560，2520)不规则重复累加编码，输出7560个64进制符号。

如图4所示，对于2^M进制(L_o，L_i)不规则重复累加编码，有a_p∈GF(2^M)(0≤p≤L_i-1)及b_q、c_q、d_q、e_q∈GF(2^M)(0≤q≤L_o-1)。编码器输入序列长度为L_i，经过不规则重复器之后直到最后编码器输出，序列长度为L_o。

所述64进制(7560，2520)不规则重复累加编码，用到有限域GF(2⁶)上的代数计算，有限域GF(2⁶)本源多项式为D⁶+D¹+1。

所述64进制(7560，2520)不规则重复累加编码，具体步骤包括：

步骤S401，非规则重复：将输入64进制符号流{a_p}分成3段，每段的长度分别为1086、1072和362，每段的各元素分别重复2、3和6次，按顺序排列得到输出序列{b_q}。

其中[B₁：B₂]代表整数集合{B₁，B₁+1，...，B₂}，B₀+[B₁：B₂]代表整数集合{B₀+B₁，B₀+B₁+1，...，B₀+B₂}。

步骤S402，白化：白化图案序列为w_q∈GF(2⁶)且w_q≠0(0≤q≤7559)，白化过程为对白化器输入序列进行有限域上的非0乘法过程，c_q＝w_qb_q。

表2给出了白化图案序列的头尾部分。

步骤S403，交织：交织器重排序列为sq∈{0,1,...,7559}(0≤q≤7559)。交织过程为对交织器输入序列进行重排的过程，d_q＝c_sq(0≤q≤7559)。

步骤S404，累加：累加过程为e_q＝d_q+e_q-1(0≤q≤7559)，这里，假设初始状态e_-1＝0。

步骤S5，对64进制(7560，2520)不规则重复累加编码输出的7560个64进制符号，进行8选4MT-MFSK调制，映射成7560组8位载波状态。

步骤S6，选择相邻频点的频率间隔等于符号速率，选择采样率等于符号速率的4096倍，选择中心频率等于符号速率的256倍。对7560组8位载波状态，每15组8位载波状态交叉映射到频域，每一位对应一个频点。该位值为1则该频点的幅度为1，相位随机；该位值为0则该频点的幅度为0，形成一个频域符号。7560组8位载波状态，形成504个频域符号。

以中心频率3.75kHz为例，15组8位载波状态组序号g、编码中的位序号m与对应频点的频率F(g,m)的关系为：

其中[B₁：B₂]代表整数集合{B₁，B₁+1，...，B₂}。

频谱以3.75kHz为中心对称分布，

F(0,0)＝2.87109375kHz，

F(14,3)＝3.7353515625kHz，

F(0,4)＝3.7646484375kHz，

F(14,7)＝4.62890625kHz。

这样，就得到了一组4096个点的频域数组即一个频域符号。

步骤S7，对每个频域符号，通过IFFT转换到时域，每个频域符号对应一个时域波形。504个频域符号，转换成504个时域波形。

步骤S8，对每个时域波形，将波形尾部的一部分复制到头部作为循环前缀，共同构成一个波形符号。504个时域波形构成504个波形符号。

步骤S9，对每个波形符号进行峰均比抑制，加滚降，得到504个多载波符号。

步骤S10，每8个多载波符号为一组，前面插入帧同步和前保护间隔，后面插入后保护间隔，组成1个数据帧。504个多载波符号组成63个数据帧。

步骤S11，对63个数据帧，前面插入包同步，后面插入尾同步，组成一个数据包。

步骤S12，将数据包通过DA芯片转换成模拟信号，经发射机放大后，由换能器发出。

如图5所示，高频带利用率MT-MFSK水声通信接收处理包括如下步骤：

步骤R1，在接收端，将换能器接收到的信号，经接收机滤波放大后，通过AD芯片转换成数字信号。

步骤R2，对接收到的数字信号，进行包同步和数据帧同步，提取出504个多载波符号。

步骤R3，对每个多载波符号进行平方率软解调获得对数似然比，得到7560个64进制符号的软信道信息。

所述平方率软解调，具体包括以下步骤：

步骤R301，对每个多载波符号进行线性调频Z变换(chirp z-transform,CZT)获得该多载波符号15组8位载波状态各自对应频点幅值的平方A_i,n ²(0≤i<15，0≤n<8)。

步骤R302，利用第i(0≤i<15)组8位载波状态以及64进制符号取值为z(0≤z<64)时，对应的8位载波状态(x_z,0,x_z,1,…x_z,7)，当z＝0时，对应的8位载波状态为(x_0,0,x_0,1,…x_0,7)，可以得到第i(0≤i<15)个64进制符号的符号级软信道信息，用矢量(v_i,0,v_i,1,…v_i,63)表示，这里：

步骤R4，利用7560个64进制符号的先验信息和软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码迭代译码。每轮迭代结束，对重复译码器输出比特流进行循环冗余校验，如果校验正确，则译码结束；如果校验错误，且未达到最大迭代次数10，则开始新一轮迭代译码。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，包括以下步骤：

步骤1)在发射端，对信源比特流进行分组，生成多个2^M进制符号，对所述多个2^M进制符号进行非二进制不规则重复累加编码，然后进行MT-MFSK调制，再经频域映射、离散傅里叶逆变换IFFT、加循环前缀、峰均比抑制和加滚降形成若干个多载波符号，将所述若干个多载波符号组装成一个数据包，通过DA芯片转换成模拟信号，经发射机放大后，由换能器发出；

步骤2)在接收端，换能器接收到的模拟信号，经过放大和AD转换后提取出若干多载波符号，对每个多载波符号进行MT-MFSK软解调获得多进制符号的软信道信息，利用多进制符号的先验信息和软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码的迭代译码，输出比特流，每轮迭代结束后对输出的比特流进行校验；如果校验正确，则译码结束；如果校验错误，且未达到最大迭代次数，则开始新一轮迭代译码。

2.根据权利要求1所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤1)包括：

步骤1-1)对信源比特流进行分组，每组有L个比特，将任一比特分组的L个比特表示为[a⁽¹⁾,…,a^(L)]，每个比特取值为0或1；每组的L个比特依次经过循环冗余编码CRC，比特符号映射，组合形成H*I*J*R个2^M进制符号；

其中，M为MT-MFSK的阶数，H为每个多载波符号包含的MT-MFSK载波状态组数，I为每数据帧多载波符号数，J为每数据包包含的数据帧数，R为非二进制不规则重复累加编码码率；

步骤1-2)对H*I*J*R个2^M进制符号进行编码阶数为M、码率为R的2^M进制的不规则重复累加编码，即依次进行非规则重复、白化、交织和累加，最后输出H*I*J个2^M进制符号；

步骤1-3)对H*I*J个2^M进制符号进行N选K的MT-MFSK调制后得到的H*I*J组N位载波状态，其中，N为MT-MFSK调制载波数，K为MT-MFSK传号载波数，

步骤1-4)将H*I*J组N位载波状态中每H组N位载波状态交叉映射到频域，每一位对应一个频点，该位值为1则该频点的幅度为1，相位随机；值为0则该频点的幅度为0，形成一个频域符号；共得到I*J个频域符号；

步骤1-5)对每个频域符号，依次进行离散傅里叶逆变换IFFT、加循环前缀、峰均比抑制、加滚降，得到I*J个多载波符号；

步骤1-6)每I个多载波符号为一组，前面插入帧同步和前保护间隔，后面插入后保护间隔，组成1个数据帧；共得到J个数据帧；

步骤1-7)对J个数据帧，前面插入包同步，后面插入尾同步，组成一个数据包，将数据包经DA芯片转换成模拟信号，被发射机放大后，由换能器发出。

3.根据权利要求2所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤1-1)包括：

步骤1-1-1)对信源比特流进行分组，每组有L个比特，L＝M*H*I*J*R-F；

步骤1-1-2)对每个比特分组进行循环冗余编码CRC，即插入F位循环冗余校验序列；

步骤1-1-3)对进行CRC校验后的比特分组，每M比特组合成一个2^M进制符号，形成H*I*J*R若干个2^M进制符号。

4.根据权利要求3所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤1-2)包括：

步骤1-2-1)将序列长度为L_i的2^M进制符号流{a_p}输入非规则重复器，进行不规则重复累加编码，按顺序排列得到长度为L_o的序列{b_q}，0≤q≤H*I*J-1；

步骤1-2-2)将序列{b_q}输入白化器，对序列{b_q}进行有限域上的非0乘法，输出序列{c_q}，c_q＝w_qb_q；

步骤1-2-3)将序列{c_q}输入交织器，对序列{c_q}进行重排，交织器重排序号为sq∈{0,1,...,L_o}，输出序列{d_q}，d_q＝c_sq；

步骤1-2-4)将序列{d_q}输入累加器，累加过程为e_q＝d_q+e_q-1，设初始状态e_-1＝0，输出累加序列{e_q}；

其中，非规则重复器输入序列长度L_i为H*I*J*R，序列{b_q}长度L_o为H*I*J；a_p∈GF(2^M)，0≤p≤H*I*J*R-1；b_q∈GF(2^M)，c_q∈GF(2^M)，d_q∈GF(2^M)，e_q∈GF(2^M)。

5.根据权利要求4所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤1-3)包括：

步骤1-3-1)对H*I*J个2^M进制符号，每个2^M进制符号映射成一组N位载波状态，其中K位为1，N-K位为0；

每个2^M进制符号有2^M种可能的取值，相应的，每组N位载波状态也有2^M种可能的组合；

步骤1-3-2)当2^M进制符号取值为z，0≤z<2^M时，将对应的N位载波状态用矢量(x_z,0,x_z,1,...x_z,N-1)表示；x_z,n，0≤n<N，取值为0或1；

H*I*J个2^M进制符号映射成H*I*J组N位载波状态。

6.根据权利要求5所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤1-5)包括：

步骤1-5-1)对每个频域符号，通过IFFT转换到时域，每个频域符号对应一个时域波形；I*J个频域符号，转换成I*J个时域波形；

步骤1-5-2)对每个时域波形，将波形尾部的一部分复制到头部作为循环前缀，共同构成一个波形符号；I*J个时域波形构成I*J个波形符号；

步骤1-5-3)对每个波形符号进行峰均比抑制，加滚降，得到I*J个多载波符号。

7.根据权利要求6所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

步骤2-1)在接收端，将换能器接收到的信号，经接收机滤波放大后，通过AD芯片转换成数字信号；

步骤2-2)对接收到的数字信号，进行包同步和数据帧同步，提取出I*J个多载波符号；

步骤2-3)对每个多载波符号进行MT-MFSK平方率软解调获得对数似然比，得到H*I*J个2^M进制符号的软信道信息；

步骤2-4)利用H*I*J个2^M进制符号的先验信息和软信道信息，进行非二进制不规则重复累加编码的迭代译码，每轮迭代结束，对重复译码器输出比特流进行循环冗余校验，如果校验正确，则译码结束；如果校验错误，则开始新一轮迭代译码，直到达到最大迭代次数。

8.根据权利要求7所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-3)包括：

步骤2-3-1)对每个多载波符号进行线性调频Z变换，获得该多载波符号H组N位载波状态各自对应频点幅值的平方其中0≤i<H，0≤n<N；

步骤2-3-2)利用第i组N位载波状态以及2^M进制符号取值为z，0≤z<2^M时，对应的N位载波状态(x_z,0,x_z,1,...x_z,N-1)，当z＝0时，对应的N位载波状态为(x_0,0,x_0,1,...x_0,N-1)，得到第i个2^M进制符号的符号级软信道信息，用矢量表示：

9.根据权利要求8所述的高频带利用率MT-MFSK水声通信方法，其特征在于，所述步骤2-4)包括：

步骤2-4-1)将符号级软信道信息L_ch和符号级先验信息L_A1输入累加译码器，输出符号级软信息L_D1和符号级外部信息L_E1＝L_D1-L_A1-L_ch；第一轮译码时，由于信源比特0或1随机等概率出现，累加译码器符号级先验信息矢量L_A1为全零；

步骤2-4-2)累加译码器的符号级外部信息L_E1通过解交织、解白化后，转化为重复译码器的符号级先验信息L_A2；

步骤2-4-3)将符号级先验信息L_A2输入重复译码器，输出符号级软信息L_D2和符号级外部信息L_E2＝L_D2-L_A2；

步骤2-4-4)重复译码器的符号级外部信息L_E2通过白化、交织后，成为累加译码器符号级先验信息L_A1；

L_ch、L_A1、L_D1、L_E1、L_A2、L_D2、L_E2均是对数似然比矢量；

步骤2-4-5)每轮译码结束，对重复译码器输出符号级软信息L_D2进行最大似然译码，得到输出比特分组

步骤2-4-6)对输出比特分组进行循环冗余校验；

如果校验正确，则译码结束，得到信源比特分组

如果校验错误，且未达到最大迭代次数，则开始新一轮迭代译码；

如果达到最大迭代次数，则宣告本数据包译码失败，返回监听状态。