CN113395117A - 一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，考虑解决水声通信环境中存在非连续频带干扰导致系统接收端误码率较高等问题，在传统水声FBMC通信系统中引入一维子载波状态索引调制技术的基础上，根据非连续干扰频率范围，对FBMC‑IM系统的通信频带进行划分，使得与非连续频带干扰信号混叠部分的子载波静默，未受干扰的子载波保持活跃状态并承载通信信号，实现了不连续的通信频带划分，规避了干扰的影响，提高抗干扰能力，相较于在现有水声多载波通信干扰规避方面具有创新性。

Description

一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，具体为一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法。
背景技术
近几十年里，国内外关于水声高速通信的研究主要以多载波调制技术为主，其中正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing,OFDM)技术是典型，它的优势在于数据传输速率高且频谱利用率较高，但是为了提高系统的性能，OFDM需要加入循环前缀来克服其载波间干扰和符号间干扰。为解决OFDM带外辐射和带外衰减方面的劣势，提出一种滤波器组多载波(FilterBank Multi-Carrier，FBMC)水声通信技术，最大的优势特点在于无需循环前缀的情况下系统也仍然具有较强的载波间干扰和符号间干扰的抵抗性。尽管相比较于OFDM，FBMC系统性能有所提升，但FBMC系统仍存在子载波和符号间的干扰。为解决有用符号均受到周围符号对其叠加的干扰问题，受空间域发射信息思想(只用激活的部分天线来发射信息，未激活的天线当作辅助发射索引信息)引入一维索引信息，加入空载波，让部分子载波处于激活状态承载信息，提出基于一维索引调制的水声多载波通信。此外，水声通信环境中窄带干扰(Narrow Band Interference,NBI)是一种常见干扰类型，它能量高且占用系统的部分带宽，破坏子载波之间的正交性，会导致多载波系统通信性能下降等等问题，对于这些干扰规避的方法目前在水声通信邻域的研究仍相对较少。
发明内容
本发明提供了一种水声多载波抗干扰通信方法，以解决现水声通信环境中存在非连续频带干扰，导致通信系统的接收端误码率较高等问题。
一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，包括如下步骤：
步骤1：对传统水声FBMC通信系统加入一维索引信息得到基于索引调制的FBMC水声通信系统；
步骤2：对不同激活子载波数的情况下水声FBMC-IM通信系统误码率计算并仿真，确定合适的激活子载波数作为无干扰的水声FBMC-IM通信系统；
步骤3：考虑水声通信环境中存在非连续频带干扰，在所述步骤2的无干扰的水声FBMC-IM系统通信环境中加入非连续频带干扰；
步骤4：根据水声通信环境中非连续干扰频率范围，对无干扰的FBMC-IM系统的通信频带进行划分，使得与非连续频带干扰信号混叠部分的子载波静默，未受干扰的子载波保持活跃状态并承载通信信号，实现不连续的通信频带划分，得到水声FBMC-IM抗干扰通信系统，以实现多载波水声的抗干扰通信。
进一步地，步骤1的FBMC水声通信系统中，系统发射端需要对传输的信息进行比特分流处理，分为星座调制比特和索引调制比特；定义输入到发送端的数据信息比特为A比特，一个FBMC块中的全部子载波数为M，发送端的信息经过分流处理后被分成了G组，每组所包含的比特数为P比特；同样的将全部子载波M分为g个子载波块，M个子载波被分成了G个子载波块，每个子载波块的载波数为Q，使每组的P比特信息对应映射到一个长度为Q的子载波块上；每组中P比特信息＝分成了P1比特和P2比特两部分，P1比特为索引调制比特，用来控制被激活的子载波的位置；P2比特为星座调制比特，被映射到激活的k个子载波中。
进一步地，把FBMC-IM系统所有子载波分成了128子载波组，从每组4个子载波中分别选出4，3，2，1个子载波来激活，使得激活的子载波处于活跃状态，未激活的子载波处于静默状态，根据激活子载波不同位置，利用索引信号进行对应映射，完成索引调制。
进一步地，步骤2中，对不同激活子载波数的情况下水声FBMC-IM通信系统误码率计算并仿真，仿真参数设置如下：
设置基带带宽为6400Hz，子载波个数为512个，基带采样频率为12800Hz，FBMC符号个数为20，通信频带范围为12.8k Hz～19.2k Hz，信噪比取值范围为0dB～30dB。
进一步地，步骤3中，在水声通信环境中加入非连续频带干扰具体如下：预设定通信干扰频带范围，在通信频带范围内随机产生随机变量为X，且X服从数学期望为μ、方差为σ2的正态分布随机数，记为N(μ,σ2)；使用filter函数设计一个带通滤波器，计算并设置参数，让正态分布随机数N(μ,σ2)通过带通滤波器，使得落在预设定的通信干扰频带范围内的这一段随机数通过滤波器；将这一段通过带通滤波后的随机数与滤波器组调制后的传输信号进行卷积，得到一段连续的频带干扰；非连续频带干扰至少有两个及两个以上的干扰频带段才是非连续的，因此，在通信频带范围内的另一个频带范围再设置一段连续的频带干扰，以此类推，然后将这些频带干扰都相叠加，得到人为设定的非连续频带干扰。
进一步地，步骤3中，设定水声通信环境中存在由两个窄带干扰段构成的一种非连续频带干扰，该干扰频率范围设置为14.3kHz～14.8kHz和16.8kHz～17.8kHz。
进一步地，步骤4中，通信的具体过程如下：首先通信信号通过索引调制加入空载波后得到索引调制的通信信号，然后根据环境感知测得的非连续频带干扰对索引调制通信信号进行等间距的频带划分，使得混叠的干扰信号频带部分的子载波全部静默，不传通信信号，没有混叠部分的的子载波处于活跃状态，再进行滤波器多载波调制后，经过水声信道到达接收端，经过滤波器多载波解调，根据环境感知进行频带划分，得到索引调制待解调的通信信号，然后进行FBMC-IM通信信号索引解调译码恢复原始通信信号。
本发明的有益效果：
本发明基于索引调制的FBMC水声抗干扰通信技术研究，解决了水声通信环境中存在非连续频带干扰导致系统的接收端误码率较高的问题，根据非连续干扰频率范围，对FBMC-IM系统的通信频带进行划分，使得与非连续频带干扰信号混叠部分的子载波静默，未受干扰的子载波保持活跃状态并承载通信信号，实现了不连续的通信频带划分，规避了干扰的影响。本发明相较于现有的水声抗干扰通信技术具有一定的优越性。
附图说明
图1为本发明一种水声多载波抗干扰通信方法的流程图。
图2为本发明一种基于索引调制的水声FBMC通信系统发送端框图。
图3为本发明实施例中索引调制子载波映射表。
图4为本发明实施例中水声FBMC-IM误码率仿真对比图。
图5为本发明实施例中非连续频带干扰下系统通信频带示意图。
图6为本发明实施例水声FBMC-IM抗干扰处理过程图。
图7为本发明实施例中水声FBMC-IM抗干扰通信系统误码率对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图2所示，本发明中的索引调制是受空间域发射信息的思想演变而来，只用激活的部分天线来发射信息，未激活的天线当作辅助发射索引信息。根据这一思想，将一维子载波状态信息索引调制引入到水声FBMC通信系统模型中，就可以得到基于索引调制的水声FBMC通信系统。具体步骤如图1所示。
步骤1：在水声FBMC-IM通信系统模型中，发射端首先对需要传输的信息进行比特分流处理，分为星座调制比特和索引调制比特。假设输入到发送端的数据信息比特为A比特，一个FBMC块中的全部子载波数为M，发送端的信息经过分流处理后被分成了G组，每组所包含的比特数为P比特；同样的将全部子载波M分为g个子载波块，M个子载波被分成了G个子载波块，每个子载波块的载波数为Q，这样每组的P比特信息就可以对应映射到一个长度为Q的子载波块上。每组中P比特信息又可分成了P1比特和P2比特两部分，P1比特为索引调制比特，用来控制被激活的子载波的位置；P2比特为星座调制比特，被映射到激活的k个子载波中。
如果子载波块长度Q＝4，子载波块内激活子载波数K＝2,每次传输只有2个子载波处于活跃状态，其余子载波处于静默状态。则激活的子载波和对应携带的激活子载波位置查询表可以由图3索引调制子载波映射表所示，表中E表示子载波块中激活的实载波，0表示子载波块中静默的空载波。
在接收端得到FBMC-IM接收数据符号后，将这些FBMC-IM数据符号进行分组。根据索引信息选择相应的映射方法如查表法或组合数法，也就是根据激活的子载波和对应携带的激活子载波位置索引信息，就可以把它们检测出来，实现索引位置译码和星座符号译码。
步骤2：对不同激活子载波数的情况下水声FBMC-IM通信系统误码率计算并仿真，其中仿真参数设置如下：
设置基带带宽为6400Hz，子载波个数为512个，基带采样频率为12800Hz，FBMC符号个数为20，通信频带范围为12.8k Hz～19.2k Hz，信噪比取值范围为0dB～30dB。
如图4所示，为本发明水声FBMC-IM误码率仿真对比图，把FBMC-IM系统所有子载波分成了128子载波组(块)。从每组4个子载波中分别选出4，3，2，1个子载波来激活，使得激活的子载波处于活跃状态，未激活的子载波处于静默状态，根据激活子载波不同位置，利用索引信号进行对应映射，完成索引调制。从仿真结果图可以明显的看出，引入索引调制后的FBMC-IM系统中，因为系统中补充了大量空子载波，所以得到了较好的误码率性能。同时每个子载波组(块)，随着信噪比增大，激活子载波数的减少，未激活子载波数增多，误码率越低，性能越好。
步骤3：在水声通信环境中加入非连续频带干扰，其设置如下：
假设预定一通信干扰频带范围，通过在通信频带范围内随机产生随机变量为X，且X服从数学期望为μ、方差为σ2的正态分布随机数，记为N(μ,σ2)。然后使用filter函数设计一个带通滤波器，计算并设置参数，确定滤波器阶数，根据实际水声环境中非连续频带干扰的频带范围，设置带通滤波器频率范围
Figure BDA0003116000050000071
其中，Wn为不连续干扰频带段频率范围，n为不连续干扰频带段的个数，(比如，如图5所示情况下，设置滤波器阶数为1000，两个带通滤波器参数进行设置为W1＝[0.2725 0.2850]和W2＝[0.6600 0.7225])。然后让上方正态分布随机数通过该带通滤波器，使得落在预设定的通信干扰频带范围内的这一段随机数通过滤波器。再将这一段通过带通滤波后的随机数与滤波器组调制后的传输信号进行卷积，这样就简单的得到了一段连续的频带干扰。非连续频带干扰至少有两个及两个以上的干扰频带段才可以说是非连续的。同样的道理，再通信频带范围内的另一个频带范围再设置一段连续的频带干扰。以此类推，然后将这些频带干扰都相叠加，就可以得到人为假设的非连续频带干扰。
如图5所示，为本发明非连续频带干扰下系统通信频带示意图，这里是在无干扰的水声FBMC-IM系统通信环境中加入非连续频带干扰，它由两个窄带干扰段构成，干扰频率范围设置为14.3kHz～14.8kHz和16.8kHz～17.8kHz。
步骤4：由步骤3根据水声通信环境中非连续干扰频率范围，对系统的通信频带进行划分：
如图6所示，为本发明水声FBMC-IM抗干扰处理示意图，首先通信信号通过索引调制加入空载波后得到索引调制的通信信号，然后根据环境感知测得的非连续频带干扰对索引调制通信信号进行等间距的频带划分，使得混叠的干扰信号频带部分的子载波全部静默，不传通信信号，没有混叠部分的的子载波处于活跃状态得到③，③再进行滤波器多载波调制后，经过水声信道到达接收端，经过滤波器多载波解调得到④，根据环境感知进行频带划分，得到索引调制待解调的通信信号⑤，然后进行FBMC-IM通信信号索引解调译码恢复原始通信信号得到⑥。
最后，对本发明实施例中的水声FBMC-IM抗干扰通信系统进行仿真，计算并分析误码率：
如图7所示，为本发明水声FBMC-IM抗干扰通信系统误码率对比图，在已知水声FBMC-IM通信系统通信频带范围为12.8k Hz～19.2k Hz，非连续干扰频率干扰频率范围为14.3kHz～14.8kHz和16.8kHz～17.8kHz，对非连续频带干扰下的水声FBMC-IM通信系统进行抗干扰处理，实现不连续的通信频带划分，仿真结果图可以看出。随着信噪比的增加，水声FBMC-IM抗干扰系统在非连续频带干扰条件下，通过将非连续受干扰频段的子载波静默处理后，误码率明显低于未处理的FBMC-IM系统，且处理后的抗干扰系统与系统在无干扰的情况下误码率差距较小。表明该干扰处理方案有效的解决了通信信号与干扰信号的混叠问题，明显降低了接收端的误码率，大大提高了系统的抗干扰能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对传统水声FBMC通信系统加入一维索引信息得到基于索引调制的FBMC水声通信系统；
步骤2：对不同激活子载波数的情况下水声FBMC-IM通信系统误码率计算并仿真，确定合适的激活子载波数作为无干扰的水声FBMC-IM通信系统；
步骤3：考虑水声通信环境中存在非连续频带干扰，在所述步骤2的无干扰的水声FBMC-IM系统通信环境中加入非连续频带干扰；
步骤4：根据水声通信环境中非连续干扰频率范围，对无干扰的FBMC-IM系统的通信频带进行划分，使得与非连续频带干扰信号混叠部分的子载波静默，未受干扰的子载波保持活跃状态并承载通信信号，实现不连续的通信频带划分，得到水声FBMC-IM抗干扰通信系统，以实现多载波水声的抗干扰通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：步骤1的FBMC水声通信系统中，系统发射端需要对传输的信息进行比特分流处理，分为星座调制比特和索引调制比特；定义输入到发送端的数据信息比特为A比特，一个FBMC块中的全部子载波数为M，发送端的信息经过分流处理后被分成了G组，每组所包含的比特数为P比特；同样的将全部子载波M分为g个子载波块，M个子载波被分成了G个子载波块，每个子载波块的载波数为Q，使每组的P比特信息对应映射到一个长度为Q的子载波块上；每组中P比特信息＝分成了P1比特和P2比特两部分，P1比特为索引调制比特，用来控制被激活的子载波的位置；P2比特为星座调制比特，被映射到激活的k个子载波中。
3.根据权利要求2所述的一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：把FBMC-IM系统所有子载波分成了128子载波组，从每组4个子载波中分别选出4，3，2，1个子载波来激活，使得激活的子载波处于活跃状态，未激活的子载波处于静默状态，根据激活子载波不同位置，利用索引信号进行对应映射，完成索引调制。
4.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：步骤2中，对不同激活子载波数的情况下水声FBMC-IM通信系统误码率计算并仿真，仿真参数设置如下：
设置基带带宽为6400Hz，子载波个数为512个，基带采样频率为12800Hz，FBMC符号个数为20，通信频带范围为12.8k Hz～19.2k Hz，信噪比取值范围为0dB～30dB。
5.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：步骤3中，在水声通信环境中加入非连续频带干扰具体如下：预设定通信干扰频带范围，在通信频带范围内随机产生随机变量为X，且X服从数学期望为μ、方差为σ2的正态分布随机数，记为N(μ,σ2)；使用filter函数设计一个带通滤波器，计算并设置参数，让正态分布随机数N(μ,σ2)通过带通滤波器，使得落在预设定的通信干扰频带范围内的这一段随机数通过滤波器；将这一段通过带通滤波后的随机数与滤波器组调制后的传输信号进行卷积，得到一段连续的频带干扰；非连续频带干扰至少有两个及两个以上的干扰频带段才是非连续的，因此，在通信频带范围内的另一个频带范围再设置一段连续的频带干扰，以此类推，然后将这些频带干扰都相叠加，得到人为设定的非连续频带干扰。
6.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：步骤3中，设定水声通信环境中存在由两个窄带干扰段构成的一种非连续频带干扰，该干扰频率范围设置为14.3kHz～14.8kHz和16.8kHz～17.8kHz。
7.根据权利要求1所述的一种基于索引调制的多载波水声抗干扰通信方法，其特征在于：步骤4中，通信的具体过程如下：首先通信信号通过索引调制加入空载波后得到索引调制的通信信号，然后根据环境感知测得的非连续频带干扰对索引调制通信信号进行等间距的频带划分，使得混叠的干扰信号频带部分的子载波全部静默，不传通信信号，没有混叠部分的的子载波处于活跃状态，再进行滤波器多载波调制后，经过水声信道到达接收端，经过滤波器多载波解调，根据环境感知进行频带划分，得到索引调制待解调的通信信号，然后进行FBMC-IM通信信号索引解调译码恢复原始通信信号。
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