CN109412703A - 利用短脉冲短时能量谱定时的时延差编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用短脉冲短时能量谱定时的时延差编码方法，包括：选择一个短脉冲作为时延差码元信号；通信双方制定编码表；在通信过程中，首先加入起始码和校准码，每次依次读取n bit数据需要发送的信息，提前制定的编码表确定T值，在上一个码元信号结束后的时间后加入下一个码元信号，使这两个相邻码元信号的短时能量谱的相邻尖峰的间隔时间恰好为T，再依次提取下一个n bit信息，执行相同的编码操作，如此反复，将所有需要发送的信息转换为一串包含有效信息的码元序列，最后加入结束码，最终编码完成的信号的组成为起始码+校准码+一串包含有效信息的码元序列+结束码。

Description

利用短脉冲短时能量谱定时的时延差编码方法

技术领域

本发明属于无线通信编码领域，是一种利用短时能量谱对短脉冲序列声波信号进行编码的方法及装置。

背景技术

目前常用的无线通信调制与编码方法有很多，例如：调幅、调频、调相、脉冲编码调制、脉冲幅度调制、曼彻斯特编码等等。上世纪90年代，哈尔滨工程大学提出了Pattern时延差编码。

Pattern时延差编码属于脉位编码，文献[1](殷敬伟.时反镜Pattern时延差编码水声通信技术研究[D].哈尔滨工程大学.2006)中采用了拷贝相关时延估计的方法进行译码。这种编码与译码方法需要选择自相关性极好，互相关性弱的Pattern码作为码元，将数字信息调制在码元窗的时延差信息中，不同的时延差值代表不同的信息。

这种编码方法虽然有较好的抗干扰性，但是必须选用自相关峰尖锐，互相关性弱的Pattern码作为码元信号，符合这一条件的码元较少，难以选择。且自相关与互相关运算的计算量较大，对硬件平台的运算速度要求较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够利用任何短脉冲作为码元进行时延差编码，且计算量较小的编码方法。技术方案如下：

一种利用短脉冲短时能量谱定时的时延差编码方法，设T为码元序列的短时能量谱上的相邻尖峰之间的时间间隔，T_S为码元信号的短时能量谱上的尖峰与码元信号开始位置的时间间隔，T_E为码元信号的短时能量谱上的尖峰与码元信号开始位置的时间间隔，此时延差编码方法包括以下步骤：

1)选择一个短脉冲作为时延差码元信号；

2)通信双方制定编码表，方法如下：通信双方规定相邻尖峰之间的最大时间间隔t以及每个时间间隔上编码的数据量为nbit，将t划分为2ⁿ个跨度相等的时间区域，T的值在不同的时间区域内代表不同的数字量信息，当T满足下式时，其代表的数字量信息在数值上等于m的n bit的数字量信息，将所有需要传输的信息编码完成后形成一串包含有效信息的码元序列，相邻码元之间的时间间隔的大小代表不同的数字量信息：

3)在通信过程中，首先加入起始码和校准码，每次依次读取nbit数据需要发送的信息，提前制定的编码表确定T值，在上一个码元信号结束后的T-T_S-T_E时间后加入下一个码元信号，使这两个相邻码元信号的短时能量谱的相邻尖峰的间隔时间恰好为T，再依次提取下一个nbit信息，执行相同的编码操作，如此反复，将所有需要发送的信息转换为一串包含有效信息的码元序列，最后加入结束码，最终编码完成的信号的组成为起始码+校准码+一串包含有效信息的码元序列+结束码；

4)编码完成后根据需求在不同介质中通信进行通信。

优选地，起始码由两个码元信号组成，其短时能量谱有两个尖峰，两个尖峰之间的时间间隔小于，在做译码处理时，通过不断计算短时能量谱上的相邻尖峰之间的时间间隔来进行译码，使数据传输开始信号的检测和提取有效信息的过程具有共通性；校准码为一个码元信号，其携带的信息为一个标准值，通过这一标准值判断信号衰减后的平均幅值；结束码与起始码形式相同，一个作为帧头一个作为帧尾。

通信过程中，检测短时能量谱上相邻尖峰之间的时间间隔，时间间隔小于T_min时判断为起始码，作为通信开始的标志，再记录下一个尖峰的最大值，即校准码携带的标准值，再对后续的信号的短时能量谱做归一化处理，不断检测归一化处理后短时能量谱上相邻尖峰的时间间隔，将其对照编码表译码为相应的n bit数字量信息，如此循环，直到再次检测到短时能量谱上相邻尖峰之间的时间间隔小于T_min判断为结束码，得到一串数字量信息，即为传输的信息。

译码时，对收到的信号进行滤波处理，再求短时能量谱，求短时能量谱的方法：设帧长为N，帧移为M，一般N取L的1/4，M取N的1/2，对信号求短时能量谱计算得到E(i)：

其中i＝0,1,2,3……；x(n)为滤波后信号的幅值，E(i)为x(n)的短时能量谱，为一系列离散的数据。

本发明针对时Pattern时延差编码的编码与译码方式，克服了原有技术对每个脉冲载体都有特殊要求，即必须选用自相关峰尖锐，互相关性弱的Pattern码作为码元信号，可用脉冲少且编码与译码过程计算量庞大的缺点，提出了一种基于短时能量谱的编码与译码方式。这种方式具有以下优点：

1)任何短脉冲都可以作为通信载波，可用声音丰富，扩大了时延差编码的使用范围。

2)编码与解码的计算量小，降低了对硬件系统的要求，降低了硬件制作成本。

附图说明

图1示出本发明提出的编码方式流程图。

图2示出本发明中通信信号示意图。

图3示出本发明中码元信号之间的时间间隔示意图。

图1中：1为用户输入的需要传输的有效信息；2为用户选择的用作码元信号的短脉冲，在这里作为码元信号的短脉冲可以是单频脉冲、LFM脉冲、HFM脉冲等等，无特殊要求。；3为起始码；4为校准码；5为包含有效信息的短脉冲序列；6为结束码；7为按起始码+校准码+有效信息+结束码的顺序组合成的通信信号；8为发送装置，根据通信介质的不同进行选择；9为通信介质，可以为声、光、电或其他传输介质；10为接收装置；11为滤波器；12为经过译码后提取出来的有效信息。

图2中：(a)为通信过程中发送方与接收方之间通信的原始信号。(b)为原始信号的短时能量谱。图中3为起始码；4为校准码；5为包含有效信息的码元信号序列；6为结束码。

图3中：2为码元信号；13为短时能量谱中两个相邻尖峰的时间间隔T；14为码元信号的短时能量谱的尖峰与码元信号开始位置的时间间隔，用T_S表示；15为码元信号的短时能量谱的尖峰与码元信号结束位置的时间间隔，用T_E表示

具体实施方式

为克服现有编码方法的前述不足，本发明主要解决的技术是：(1)克服必须选用自相关峰尖锐，互相关性弱的Pattern码作为码元信号的缺点，使这种编码方式的使用范围更广。(2)克服自相关与互相关运算的运算量较大的缺点，降低了硬件平台运算速度的要求，使硬件平台的设计更加简单。

本发明是这样实现的：

通信流程分为信号的发送与接收两部分。

第一部分为信号发送单元，对信号进行编码后，通过光、声、电或其他介质向外发送。

首先，不同的短脉冲适合不同的通信环境，因此需要先根据通信环境选择合适的短脉冲作为码元信号2，这里对短脉冲的相关性无任何要求。

进一步，利用通信信号的短时能量谱上相邻尖峰之间的时间间隔13，用T表示，来编码数字信息。通信双方在通信前需要规定相邻尖峰之间的最大时间间隔t，每次传输的数据量为nbit，将t划分为2ⁿ个跨度相等的时间区域，T的值在不同的区域内就可以代表不同的数字量信息。当T满足下式时，代表的数字量信息为在数值上等于m的n bit的数字量信息。

通信双方在通信之前需要根据以上规则制定编码表。例如，若n＝3,当m＝1时，代表的数字量信息位“001”，当m＝7时，代表的数字量信息为“111”；若n＝4,当m＝1时，代表的数字量信息位“0001”，当m＝15时，代表的数字量信息为“1111”。

进一步，在编码过程中，需要提前计算码元信号的短时能量谱上的尖峰与码元信号开始位置的时间间隔14，用T_S表示，和与结束位置的时间间隔15，用T_E表示，用于计算上一个码元信号结束后多长时间插入下一个码元信号。

进一步，使用一个起始码3作为数据传输的帧头，起始码由两个码元信号组成，其短时能量谱有两个尖峰，两个尖峰之间的时间间隔小于T_min。在做译码处理时，也是通过计算短时能量谱的相邻尖峰之间的时间间隔来获取有效信息，因此用这种形式作为数据的帧头，使数据传输开始信号的检测和提取有效信息的过程在算法上具有共通性，降低了算法的复杂程度。

进一步，加入校准码4，校准码为一个码元信号，其短时能量谱的尖峰与上一个尖峰之间的时间间隔为最大时间间隔t。将其短时能量谱的最大值作为一个标准值，对后续求得的短时能量谱做归一化处理，降低信号在传输过程中产生的损耗对通信结果的影响。

进一步，从需要发送的信息1中每次提取nbit的信息，根据提前制定的编码表确定T值，在上一个码元信号结束后的(T-T_S-T_E)时间后加入下一个码元信号，使这两个相邻码元信号的短时能量谱的相邻尖峰的间隔时间恰好为T。再依次提取下一个n bit信息，执行相同的编码操作，如此反复，将所有需要发送的信息转换为一串包含有效信息的短脉冲序列5。

进一步，在最后加入结束码6作为帧尾，结束码的形式和起始码相同与，作为信号传输结束的标志，这样就完成了一帧通信信号的编码。

进一步，完成一帧通信信息的编码后，将编码后的短脉冲序列利用发送装置8通过声、光、电或其他介质9向外发送。

第二部分为信号接收单元，接收到通信信号后通过滤波、译码等处理，提取其中的有效信息，完成通信。

首先，接收装置10接收发送单元发送的信号，对接收到的信号进行滤波处理，使用带通滤波器11滤掉有效频带以外的噪声，降低环境噪声对通信结果的影响。

进一步，根据码元信号的脉冲宽度L确定做短时能量谱运算时的帧长和帧移。

进一步，求出滤波后信号的短时能量谱。设帧长为N，帧移为M，一般N取L的1/4，M取N的1/2，对信号求短时能量谱计算得到E(i)，具体公式如下：

其中i＝0,1,2,3……；x(n)为滤波后信号的幅值。E(i)为x(n)的短时能量谱，为一系列离散的数据。

进一步，对信号的短时能量谱进行分析，实时检测短时能量谱中相邻两个尖峰之间的时间间隔，记作T_h，当T_h小于阈值T_min时，判断为接收到起始码，此时作为通信的开始标志。

进一步，求下一个短时能量谱上的尖峰的最大值，即校准码所携带的标准值，记为E_max。

进一步，对后续接收到的信号做归一化处理，公式如下。

进一步，实时检测归一化处理后的短时能量谱的两个相邻尖峰之间的时间差T_h，将T_h与编码表进行对比，得出不同T_h对应的数字量信息。重复这项操作，将每次译码得到的nbit信息按序排列成一串二进制编码，即传输的数字量信息12。当再次检测到T_h小于阈值T_min时，判断为接收到结束码，作为一帧信号结束的标志，完成一次通信。

Claims (4)

1.一种利用短脉冲短时能量谱定时的时延差编码方法，设T为码元序列的短时能量谱上的相邻尖峰之间的时间间隔，T_S为码元信号的短时能量谱上的尖峰与码元信号开始位置的时间间隔，T_E为码元信号的短时能量谱上的尖峰与码元信号开始位置的时间间隔，此时延差编码方法包括以下步骤：

1)选择一个短脉冲作为时延差码元信号；

2)通信双方制定编码表，方法如下：通信双方规定相邻尖峰之间的最大时间间隔t以及每个时间间隔上编码的数据量为nbit，将t划分为2ⁿ个跨度相等的时间区域，T的值在不同的时间区域内代表不同的数字量信息，当T满足下式时，其代表的数字量信息在数值上等于m的nbit的数字量信息，将所有需要传输的信息编码完成后形成一串包含有效信息的码元序列，相邻码元之间的时间间隔的大小代表不同的数字量信息：

3)在通信过程中，首先加入起始码和校准码，每次依次读取n bit数据需要发送的信息，提前制定的编码表确定T值，在上一个码元信号结束后的T-T_S-T_E时间后加入下一个码元信号，使这两个相邻码元信号的短时能量谱的相邻尖峰的间隔时间恰好为T，再依次提取下一个n bit信息，执行相同的编码操作，如此反复，将所有需要发送的信息转换为一串包含有效信息的码元序列，最后加入结束码，最终编码完成的信号的组成为起始码+校准码+一串包含有效信息的码元序列+结束码；

4)编码完成后根据需求在不同介质中通信进行通信。

2.根据权利要求1所述的时延差编码方法，其特征在于，起始码由两个码元信号组成，其短时能量谱有两个尖峰，两个尖峰之间的时间间隔小于，在做译码处理时，通过不断计算短时能量谱上的相邻尖峰之间的时间间隔来进行译码，使数据传输开始信号的检测和提取有效信息的过程具有共通性；校准码为一个码元信号，其携带的信息为一个标准值，通过这一标准值判断信号衰减后的平均幅值；结束码与起始码形式相同，一个作为帧头一个作为帧尾。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的时延差编码方法，其特征在于，通信过程中，检测短时能量谱上相邻尖峰之间的时间间隔，时间间隔小于T_mtn时判断为起始码，作为通信开始的标志，再记录下一个尖峰的最大值，即校准码携带的标准值，再对后续的信号的短时能量谱做归一化处理，不断检测归一化处理后短时能量谱上相邻尖峰的时间间隔，将其对照编码表译码为相应的n bit数字量信息，如此循环，直到再次检测到短时能量谱上相邻尖峰之间的时间间隔小于T_mtn判断为结束码，得到一串数字量信息，即为传输的信息。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的时延差编码方法，其特征在于，译码时，对收到的信号进行滤波处理，再求短时能量谱，求短时能量谱的方法：设帧长为N，帧移为M，一般N取L的1/4，M取N的1/2，对信号求短时能量谱计算得到E(i)：

其中i＝0,1,2,3……；x(n)为滤波后信号的幅值，E(i)为x(n)的短时能量谱，为一系列离散的数据。