CN115296750B - 一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，所述系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列。本发明实施例采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有更稳定的信息传输性能及环境适应性。

Description

一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及的是一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统。

背景技术

Polar码的高斯近似构造法由密度进化法演化而来。密度进化法构造Polar码需要对信道错误概率进行退化迭代，因此，其计算复杂度较高，而高斯近似法通过引入高斯近似准则，直接用数学公式计算各子信道的可靠性指标，循环迭代次数得以大大减少，因此其计算复杂度与密度进化法相比下降了很多。现有的高斯近似法主要适用于高斯信道，无法直接应用于浅海水声信道。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，旨在解决现有技术中高斯近似法主要适用于高斯信道，无法直接应用于浅海水声信道的问题。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，所述系统包括：

发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；

接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列。

在一种实现方式中，所述发射端装置包括：

极化码编码器，用于采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号；

信道调制器，用于对所述编码信号进行QPSK调制；

OFDM调制器，用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制；

数模转换器，用于将数字信号转换成模拟信号；

发射换能器，用于在水声信道发射声波。

在一种实现方式中，所述接收端装置包括：

接收换能器，用于在水声信道接收声波；

模数转换器，用于将模拟信号转换成数字信号；

信道估计模块，用于对信道进行估计；

信道均衡器，用于对信道的特性进行补偿；

OFDM解调器，用于对QPSK解调后的信号进行OFDM解调；

信道解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行QPSK解调；

极化码解码器，用于对OFDM解调器输出的信号进行解码。

第二方面，本发明实施例还提供一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统的信号处理方法，其中，采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括：

对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则；其中，所述高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；

基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。

在一种实现方式中，所述对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：

对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；

根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；

将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；

根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。

在一种实现方式中，所述根据所述噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：

发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；

基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。

在一种实现方式中，所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：

计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；

递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；

将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；

将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；

根据所述信息位集合，对所述初始序列进行编码。

在一种实现方式中，所述根据所述信息位集合，对所述初始序列进行编码包括：

获取生成矩阵；

根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码。

在一种实现方式中，所述极化码解码和所述极化码编码均基于相同的极化构造结果。

在一种实现方式中，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括：

将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。

在一种实现方式中，将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列包括：

将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、信道估计与均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码解码，得到解码序列。

第三方面，本发明实施例还提供一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如上述任意一项所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统的信号处理方法。

第四方面，本发明实施例还提供一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如上述中任意一项所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统的信号处理方法。

本发明的有益效果：本发明实施例的系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列。可见，本发明实施例中采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有更稳定的信息传输性能及环境适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统示意图。

图2为本发明实施例提供的码长512时，改进构造方法的归一化判决因子分布图。

图3为本发明实施例提供的码长2048时，改进构造方法的归一化判决因子分布图。

图4为本发明实施例提供的智能终端的内部结构原理框图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。 应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

由于现有技术中，信道极化定理指出，对于一组已知的联合二进制输入离散无记忆信道

，定义传输码长

，当

较大时，经过信道合并和信道拆分过程可以将其转换为一组新的虚拟比特信道

，这组新的信道具有极化信道的性质，即一部分信道的信道容量趋近于1，可以实现无噪声传输；而另一部分信道的信道容量趋近于0，无法用于传输信息。

信道极化包括信道合并和信道拆分两个步骤，信道合并是Polar编码的基础，而信道拆分则是Polar译码的基础。

高斯近似法Polar码构造：Polar码的高斯近似构造法由密度进化法演化而来。密度进化法构造Polar码需要对信道错误概率进行退化迭代，因此其计算复杂度较高，而高斯近似法通过引入高斯近似准则，直接用数学公式计算各子信道的可靠性指标，循环迭代次数得以大大减少，因此其计算复杂度与密度进化法相比下降了很多。现有的高斯近似法主要适用于高斯信道，需要进行改进或扩展，才能将其应用于浅海水声信道。

为了解决现有技术的问题，本实施例提供了一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，系统采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有更稳定的信息传输性能及环境适应性。系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列。

示例性设备

如图1中所示，本发明实施例提供一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，该系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列。

具体地，本系统在发射端装置中采用高斯近似改进法构造极化码（Polar码），这样初始序列经过高斯近似改进法构造极化码编码后，可以更好的适应水声通信系统，使得信息能在信道容量趋近于1的极化信道中传输，从而提高水声通信系统中信号传输的稳定性。在本实施例中，初始序列进行极化码编码后进行信道调制和OFDM调制，得到的是OFDM信号，OFDM的原理是将二进制的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。此外，由于是在水下进行通信，故发射端装置发射的是经过处理的包含OFDM信号的声波。接收端装置就可以在水声信道接收到声波，由于复杂的水声信道环境中包含有船舶噪声、多径信号等噪声，这样，声波中包含有噪声，这些噪声会污染有用信号。故需要对包含有噪声的声波进行一系列处理，如模数转换、解调和极化码解码，以还原出有用信号，也即解码序列。

在一种实现方式中，所述发射端装置包括：极化码编码器，用于采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号；信道调制器，用于对所述编码信号进行QPSK调制；OFDM调制器，用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制；数模转换器，用于将数字信号转换成模拟信号；发射换能器，用于在水声信道发射声波。

具体地，发射端装置包括极化码编码器、信道调制器、OFDM调制器、数模转换器、发射换能器。极化码编码器的功能是采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号。值得注意的是，此处的极化码编码是一种信道编码，选择一个好的信道来传输信息是Polar码编码的关键，Polar码构造的是一个能够达到对称信道容量的编码方法。信道调制器采用的调制方式包括但不限于BPSK、QPSK、QAM、16PSK等调制方式。在本实施例中，信道调制器采用的调制方式为QPSK调制方式对所述编码信号进行调制。OFDM调制器，主要用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制，使得信号在N路相互正交的载波中进行传输。由于前面处理输出的信号都是数字信号，数字信号无法在水声信道环境中进行传输，故需要通过数模转换器转换成模拟信号，最后通过发射换能器发射声波。

在一种实现方式中，所述接收端装置包括：接收换能器，用于在水声信道接收声波；模数转换器，用于将模拟信号转换成数字信号；信道估计模块，用于对信道进行估计；信道均衡器，用于对信道的特性进行补偿；信道解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行QPSK解调；OFDM解调器，用于对信道均衡器输出信号进行OFDM解调；信道解调器，用于对OFDM解调器输出的信号进行QPSK解调；极化码解码器，用于对OFDM解调器输出的信号进行解码。

具体地，接收端装置包括接收换能器、模数转换器、信道估计模块、信道均衡器、信道解调器和极化码解码器。基于与发射端装置相同的原理，接收端装置需要通过接收换能器接收声波，只是此时接收的声波不仅仅包含发射端装置发射的声波，还包括噪声，噪声影响有用信号的恢复，故需要进行处理，处理过程采用的数字信号处理，故先要通过模数转换器转换成数字信号，然后通过信道均衡器对信道的特性进行补偿，以及与发送端装置对应的OFDM解调、QPSK解调和Polar码解码。

示例性方法

本实施例提供一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统的信号处理方法，该方法可以应用于水声通信的智能终端。

在一种实现方式中，采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括如下步骤：对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则；其中，所述高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。

具体地，对OFDM水声系统的信道进行仿真，由于OFDM水声系统中各个子载波是相互正交的，故对于每个子载波而言可以消除水声信道的多径干扰，对于每个子载波而言，其噪声可以近似为复高斯随机噪声，对所有子载波进行求和平均后，噪声方差也是复高斯随机噪声，基于此，可以确定所述信道具有信道高斯近似准则。接着根据高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。这样，系统可以实现在不同的信道条件下进行信息的稳定传输。

在一种实现方式中，所述对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括如下步骤：对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。

具体地，对OFDM水声系统的水声信道进行仿真的过程如下：经水声OFDM调制和解调后，水声信道由频率选择性衰落宽带信道转换为一组平坦衰落的窄带信道

。若各子载波的信道状态信息(Channel State Information, CSI)

已知，将其代入

式（其中，

是接收信号y(t)的傅里叶变换，

为一帧OFDM传输块中第k（k=0, 1, … K-1）个子载波对应的发送符号，

为第k个子载波信道上的传递函数，

为第k个子载波对应的噪声谱），得到发送序列的估计值

为：

（1）

考虑信号的统计分布特性，则上式中的第二项

可近似为复高斯随机噪声，也即每个子载波包含复高斯随机噪声。根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声均值为0，每个子载波的噪声方差为

。对所有的子载波进行求和平均，得到信道的噪声方差

可表示为:

（2）

最后根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。相应的，所述根据所述噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括如下步骤：发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。

具体地，导频信号的序列可以为LFM,HFM,CW等信号及其任何组合等形式。在实际水声通信过程中，信道状态信息

通常不可知，可以采用发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计的方式，得到每个子信道的预估信道传递函数

。信道估计的过程为现有技术，在此不再赘述。接着基于所述噪声方差

和每个子信道的预估信道传递函数

，公式（1）和公式（2）可以更新为：

（3）

（4）

由信道状态信息的估计值和信道噪声方差可推导出水声信道的高斯近似准则为：

（5）

上式

由信道状态信息估计值和传输编码序列

计算，可表示为：

（6）

其中

为编码序列的QPSK调制结果。

在一种实现方式中，所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；根据所述信息位集合，对初始序列进行编码。

具体地，高斯近似准则的信道包含多个子信道，根据公式

，得到高斯近似准则的一阶子信道的若干对数似然比，再根据迭代公式递推出N阶子信道的若干对数似然比LLR_N ^（i）的均值E_i，在本实施例中，根据水声信道的高斯近似准则可推导出改进的高斯近似Polar码构造方法的极化子信道LLR均值迭代计算公式，奇数项和偶数项的迭代公式分别为：

（7）

（8）

对高阶极化子信道的LLR均值迭代计算由一阶LLR开始，一阶LLR由信道冲激响应的估计均值

和信道噪声方差

得出：

（9）

然后将均值E_i按照从大到小的顺序进行排序，将排序靠前的K个均值E_i选出，并将K个均值E_i对应的子信道作为信息位集合，也即信息传输信道，将信息位集合输入至Polar编码模块。最后根据包含信息位集合的Polar编码模块对初始序列进行编码。相应的，所述根据所述信息位集合，对所述初始序列进行编码包括如下步骤：获取生成矩阵；根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码。

具体地，极化码的生成矩阵可以获取到，为

，通常在极化码的编码过程中，将所述初始序列

乘以所述生成矩阵

，得到

，以完成对所述初始序列的编码。但是在本实施例中，应用高斯近似准则后，将所述信息传输信道作为信息位集合，用A表示。其中，A是生成矩阵

中矩阵行数的个数的一个子集，得到

，实现对初始序列的编码。其中，

是生成矩阵

中A集合对应的行构成的矩阵，

是A的补集。极化码编码表示为

,其中，N为码长，K为A中元素的个数，A为信息位，

为冻结位。

在一种实现方式中，所述极化码解码和所述极化码编码均基于相同的极化构造结果，即信息位集合。

具体地，解码是编码的逆过程，在本实施例中也一样，极化码解码和极化码编码都是应用了高斯近似法构造的信息位集合，也即排序靠前的K个均值E_i对应的子信道，是信息传输信道，是信道容量趋近于1的信道。这样，u₁ ^N采用排序靠前的K个均值E_i对应的极化子信道（信息传输信道）得到编码序列x₁ ^N，编码序列x₁ ^N经过OFDM水声通信系统得到接收序列y₁ ^N，由Polar编译码与水声信道相结合形成虚拟子信道，即

。

在一种实现方式中，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括如下步骤：将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。

具体地，为避免或减小水声信道多径传输导致的符号间干扰（Inter SymbolInterference, ISI），在每一组OFDM符号前插入循环前缀CP作为保护间隔（GuardInterval, GI），CP的时间长度

应大于水声信道的最大多径时延

。上述其他处理过程为现有技术，在此不再赘述。

在一种实现方式中，所述将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列包括：

将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、信道估计与均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码解码，得到解码序列。上述处理过程为现有技术，在此不再赘述。

图2为码长512时，采用改进的高斯近似法构造极化码的归一化判决因子分布图；图3为码长2048时，采用改进的高斯近似法构造极化码的归一化判决因子分布图。

基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图4所示。该智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统的信号处理方法。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该智能终端的温度传感器是预先在智能终端内部设置，用于检测内部设备的运行温度。

本领域技术人员可以理解，图4中的原理图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于进行以下操作的指令：

采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码包括：

对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则；其中，所述高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；

基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。

其中，所述对OFDM水声系统的信道进行仿真，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：

对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；

根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；

将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；

根据信道的噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则。

其中，所述根据所述噪声方差，确定所述信道具有信道高斯近似准则包括：

发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；

基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则。

其中，所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：

计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；

递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；

将最大均值对应的子信道作为信息传输信道；

根据所述信息传输信道构造极化码，并对初始序列进行编码。

其中，所述根据所述信息传输信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：

将所述信息传输信道作为信息位；

根据所述信息位，得到极化码的生成矩阵；

将所述初始序列乘以所述生成矩阵，以完成对所述初始序列进行编码。

其中，所述极化码解码和所述极化码编码均基于相同的极化构造结果，即信息位集合。

其中，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括：

将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。

其中，将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列包括：

将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、信道估计与均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码解码，得到解码序列。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

综上所述，本发明公开了一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，所述系统包括：发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列。本发明实施例采用基于高斯近似改进法构造极化码的编码技术可根据水声信道特点，形成不同的传输编码方案，使得整个通信系统在不同信道条件下具有更稳定的信息传输性能及环境适应性。

基于上述实施例，本发明公开了一基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统的信号处理方法，应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，所述系统包括：

发射端装置，用于将初始序列进行极化码编码和调制处理，得到OFDM信号，并发射包含OFDM信号的声波；其中，所述极化码基于高斯近似改进法构造；

接收端装置，用于在水声信道接收包含噪声的声波，并将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列；

所述发射端装置包括：

极化码编码器，用于采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，得到编码信号，高斯近似准则用于表征信道具有高斯近似的特性；

信道调制器，用于对所述编码信号进行QPSK调制；

OFDM调制器，用于对QPSK调制后的信号进行OFDM调制；

数模转换器，用于将数字信号转换成模拟信号；

发射换能器，用于在水声信道发射声波;

所述接收端装置包括：

接收换能器，用于在水声信道接收声波；

模数转换器，用于将模拟信号转换成数字信号；

信道估计模块，用于对信道进行估计；

信道均衡器，用于对信道的特性进行补偿；

OFDM解调器，用于对QPSK解调后的信号进行OFDM解调；

信道解调器，用于对信道均衡器输出的信号进行QPSK解调；

极化码解码器，用于对OFDM解调器输出的信号进行解码；

所述水声通信系统的信号处理方法采用高斯近似改进法构造的极化码对初始序列进行编码，包括：

对OFDM水声系统的水声信道进行仿真，确定每个子载波包含复高斯随机噪声；

根据所述复高斯随机噪声，得到每个子载波的噪声方差；

将所有每个子载波的噪声方差进行求和平均，得到信道的噪声方差；

发送导频信号，并在接收端装置对所述导频信号进行信道估计，得到每个子信道的预估信道传递函数；

基于所述噪声方差和每个子信道的预估信道传递函数，确定所述信道具有信道高斯近似准则

：

式中，

为预估计信道传递函数，

为编码序列的QPSK调制结果，

为传输编码序列，

为OFDM信号的对数似然比均值，N为传输码长，

为OFDM信号第k个子载波的频率，

为OFDM信号中第k个子载波对应的发送符号，Im为实部；

基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码。

2.根据权利要求1所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，所述信道包括若干子信道；所述基于高斯近似准则的信道构造极化码，并对初始序列进行编码包括：

计算高斯近似准则的每个一阶子信道的若干对数似然比；

递推计算每个N阶子信道的若干对数似然比的均值；

将所有子信道的均值按照从大到小的顺序进行排序；

将排序靠前的若干子信道作为信息位集合；

根据所述信息位集合，对所述初始序列进行编码。

3.根据权利要求2所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，所述根据所述信息位集合，对所述初始序列进行编码包括：

获取生成矩阵；

根据所述信息位的集合和所述生成矩阵，对所述初始序列进行编码。

4.根据权利要求3所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，所述极化码解码和所述极化码编码均基于相同的极化构造结果。

5.根据权利要求1所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，将初始序列进行极化码编码和调制处理之后包括：

将进行极化码编码和调制处理后的初始序列进行符号映射、串并转换、子载波分配、导频插入、快速傅里叶逆变换、循环前缀的添加处理和并串转换。

6.根据权利要求1所述的基于高斯近似改进法构造极化码的水声通信系统，其特征在于，将包含噪声的声波进行模数转换、解调和极化码解码，得到解码序列包括：

将包含噪声的声波进行模数转换、串并转换、循环前缀的移除处理、快速傅里叶变换、信道估计与均衡、导频的去除处理、并串转换、解调和极化码解码，得到解码序列。

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