CN115499094B - 基于qc-ldpc编码的水到空气跨介质通信方法 - Google Patents

基于qc-ldpc编码的水到空气跨介质通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水声学技术领域，具体的说是一种能够有效提高水到空气跨介质通信质量的采用机载空气耦合电容微机械超声换能器的基于QC‑LDPC编码的水到空气跨介质通信方法，其特征在于，包括对输入信号进行A/D转换，通过准循环低密度奇偶校验QC‑LDPC编码提高信号传输误码率，将编码后信号传入水下声纳，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收，最后将接收信号进行软判决译码和D/A转换，完成从水到空气的跨介质通信。

Description

基于QC-LDPC编码的水到空气跨介质通信方法
技术领域：
本发明涉及水声学技术领域，具体的说是一种能够有效提高水到空气跨介质通信质量的采用机载空气耦合电容微机械超声换能器的基于QC-LDPC编码的水到空气跨介质通信方法。
背景技术：
海空一体化通信在未来战争中和国民经济生产中的地位日益突出，而空中平台与水下目标之间的无水面中继通信技术是构建海空一体化的重要组成部分，通过机载空气耦合电容微机械超声换能器进行从水到空气的跨介质通信，实现空中平台与水下目标之间的直接通信，为今后无人化、集群化发展提供解决方案。而在水声信道特别是浅海信道恶劣条件表现在信道的复杂性、随机多变性和有限带宽，海水边界、海洋动力因素、时空变化和噪声等都会对信号的传输产生一定的影响。因此，信道编码作为一种对通信系统中的信道传输信号进行纠错和检错以降低误码率从而提高通信质量的技术，在水声信道中得到了广泛应用。
发明内容：
本发明针对传统从水到空气得跨介质通信信号损耗大、信号易受干扰、实际海况复杂等问题，提供一种通过机载空气耦合电容微机械超声换能器进行的基于QC-LDPC编码的水到空气跨介质通信方法。
本发明通过以下措施达到：
一种基于QC-LDPC编码的水到空气跨介质通信方法，其特征在于，包括对输入信号进行A/D转换，通过准循环低密度奇偶校验QC-LDPC编码提高信号传输误码率，将编码后信号传入水下声纳，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收，最后将接收信号进行软判决译码和D/A转换，完成从水到空气的跨介质通信。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：将输入信号进行A/D转换，通过QC-LDPC编码提高信号在复杂传输信道时的可靠性，将编码后信号传入水下声纳；
步骤2：通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收；
步骤3：机载空气耦合电容微机械超声换能器接收信号，经过QC-LDPC译码，通过D/A转换，获取到原信号信息，完成从空气到水的跨介质通信。
所述步骤1，LDPC码属于线性分组码，可用(n，k)表示，其中，n表示码长，k表示信息比特数，m＝n-k表示校验比特数，LDPC码编码就是对输入的k bits信息进行映射得到nbits信息并输出，该映射关系用一个生成矩阵Gk×n来表示，取一段s1×k，通过s1×k·Gk×n＝C1×n可计算出码字C1×n，所有的码字序列都满足C·HT＝0，H为校验矩阵，QC-LDPC码的H矩阵具有准循环特性(故QC-LDPC编码器可由循环移位寄存器实现)，即H矩阵可以被分割成多个大小一样的子方阵，每个子方阵均是零矩阵或单位阵循环右移矩阵，子方阵大小称为扩展因子Z，因此H矩阵可用另一种简化的H基矩阵来等效表示，如下：
将H矩阵(矩阵大小为6×9)，按虚线所示将其分割为6个Z＝3的子矩阵后，该矩阵正好具有准循环特性，将矩阵中0子阵用-1表示，其他每个子矩阵用其相对于单位阵的循环右移移位值来表示，则可得到H基矩阵(矩阵大小为2×3)；
H矩阵和Hbase基矩阵关系为：mbase＝m/z，nbase＝n/z，mbase和nbase分别为Hbase的行数和列数，m和n分别为H行数和列数，Z为子方阵大小；Hbase的中元素0代表单位矩阵，-1代表零矩阵，非负值代表H矩阵相应位置处子矩阵的循环位移系数值；
对QC-LDPC码编码，设有限域为GF(2)的二元QC-LDPC码的Hqc矩阵为
其中，Hi，j为零矩阵或单位阵循环右移矩阵，大小为b*b，基矩阵Hbase大小为c*t；
假设Hqc矩阵的秩为c*b，即Hi，j每行都线性无关，以得到c*b个线性无关的监督关系式，将Hqc分为校验矩阵U大小为c*c和信息矩阵M大小为c*(t-c)，即H＝[M|U]，
假设信息矩阵M传送(t-c)*b个bits，可获得QC-LDPC编码的生成矩阵Gqc
其中，I是b*b的单位矩阵，O是b*b的零矩阵，Gi，j是b*b的循环矩阵。生成矩阵Gqc由两部分构成，I(t-c)b以I为主对角线组成，大小为(t-c)*(t-c)，P以循环矩阵组成，Gi，j大小为(t-c)*c，且PT＝M对应信息位，用移位寄存器来编码QC-LDPC代码；
生成QC-LDPC码的充要条件是O这里为c*(t-c)的零矩阵，Gqc取的其中一行表示为gi＝[0，...，0，m，0，...，0，gi，1，gi，2，...，gi，c]，这里m＝(1，0，...，0)，也需满足/>令zi＝(gi，1，gi，2，...，gi，c)，/>代入可得
由于校验矩阵U为满秩方阵，故可逆得
由z1，z2，...，zt-c可求得gi，j，进而获得生成矩阵Gqc；
设A＝(a1，a2，...，a(t-c)b)为要编码的(t-c)b比特的信息序列，将其分解为长为(t-c)的等长序列即A＝(a1，a2，...，at-c)，其中ai包含b比特信息；
已知生成矩阵Gqc和信息序列A，可代入编码公式
X＝A·Gqc
其中X由信息矩阵A和校验矩阵P组成，即X＝[A|P]，可将P同样分解为长度为b的序列，则编码公式可表示为
pj＝a1G1，j+a2G2，j+…+at-cGt-c，j
假设表示首行右移l位，则编码公式可表示为
由上述可知，当信息序列进入编码器时，可以逐步计算出第j位的奇偶校验部分pj，可通过移位寄存器、加法器和累加器完成奇偶校验段。
本发明所述步骤2，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器阵列接收，换能器设置数量与接收声信号功率有关，一台空气耦合电容微机械超声换能器就可以实现对声信号的接收，多台换能器可以增加接收信号的功率；所述空气耦合电容微机械超声换能器是一种简单的电容器，它具有一个薄板，通过冲击超声波而产生振动，薄板的位移导致电容的变化，进而通过将电容微机械超声换能器与适当的电子电路连接来进行检测，电容微机械超声换能器的高效率是由于跨电极(板和基板)的大直流电场，允许良好的信号传导，以及薄振动板具有与空气很好地匹配的机械阻抗，电容微机械超声换能器在低声学频率下，可限制声信号在空气中衰减，例如，在1MHz下衰减约为165dB/m，而在100kHz下衰减只有3dB/m。显然，在MHz量级下的声学频率工作将把接收器间隔限制在cm量级；然而，在较低的声学频率下，可以达到在m量级下有合理的衰减，同时仍然拥有cm尺度的分辨率。在中心频率为71kHz的条件下，电容微机械超声换能器的检测灵敏度为在声信号通过水气交界处产生损耗时，仍能保证对声信号有良好的接收效果；
然而，维持高灵敏度水平需在灵敏度与带宽之间权衡，以限制噪声的干扰，该设备的分束带宽为3.5％，或相当于一个高质量因子(Q)为28.5，这种有限的带宽需要在电容微机械超声换能器的共振频率上进行多次冲击声循环，才能完全达到要求，对于信噪比约束系统，通过多个循环获得的额外灵敏度是至关重要的；
声信号经过水声信道到达水气交界面，在交界处产生损耗，由于两种介质之间的声阻抗不匹配，声波不能很好地通过水气交界面传输，声波通过水气交界面的传输损耗(TL)计算为：
其中，Za为空气的声阻抗约为420Rayl，Zw为水的声阻抗约为1.5×106Rayl；
最后，声信号通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收；其中为维持高灵敏度水平需在灵敏度与带宽之间权衡，以限制噪声的干扰，这种有限的带宽需要在电容微机械超声换能器的共振频率上进行多次冲击声循环，才能完全达到要求，对于信噪比约束系统，通过多个循环获得的额外灵敏度是至关重要的；
设计信噪比约束系统，使用声学频率作为调整标准，以声信号在水中和空中衰减的传播距离作为指标：
PCMUT(ω)∝ωAw(d)Aa(h)
其中，在这些表达式中，PCMUT是电容微机械超声换能器接收机的压力，ω是声学频率，Aw(d)是水中声频率衰减，Aa(h)是空气中声频率衰减，d是在水中的往返距离，h是接收机在空气中的高度，αw和αa是水和空气的衰减单位；
最优系统参数受在水中往返距离的影响较小，受空气中声衰减的影响较大，从而受到接收器高度的影响较大，设计系统时，应优先考虑接收器高度的影响，在20～100kHz的范围内确定声信号中心频率，限制空气中声信号衰减的影响，进而选择合适的高度范围。
所述步骤3中对机载空气耦合电容微机械超声换能器接收信号进行QC-LDPC软判决译码，设校验矩阵为H，接收到的码字为R＝[r1，r2，...，rn]，实际译码为C＝[c1，c2，...，cn]，由于信道噪声干扰，收到的数据会产生偏差，例如r1＝0.81，实际码字可能为0或1，据此可计算出后验概率
P＝(ci＝x|ri)
其中x为0或1，i表示其中任意一个码元；
由S＝RHT，将接受到的码字代入校验矩阵，在考虑校验矩阵的条件下后验概率为
其中，分母部分与ci＝x无关，可看做一常数项，{zm＝0}为所有含有ci项的校验方程，可将其展开为
由上式可知校验方程成立的概率决定ci＝x的概率，故将该项进行进一步转化，用全概率公式展开
其中，x′取0或1，{cj＝x′}为校验方程zm＝0中所含cj项，但不包含j＝i项。公式前一项，在ci＝x确定的情况下，zm＝0与ri无关，故当∑jx′＝x时，该项结果为1，当∑jx′≠x时，该项结果为0，公式后一项，假设每个码元之间相互独立，故原方程可转化为
其中表示∑jx′＝x，由上述方程可由已知后验概率，计算出校验方程成立时的ci＝x的概率，如果大于0.5，译码为ci＝x，如果小于0.5，译码为
将译码后的C代入S＝CHT，分以下两种情况：
情况一，计算结果S均为0，则结束译码，说明结果无差错。
情况二，计算结果不全为0，可用上一轮结果进行迭代，由于上一轮p(cj＝x′|ri)中未考虑cj参与校验方程成立的可能性，故将该因素加入满足下式
p(cj＝x′|ri)≈p(cj＝x′|{zm′＝0}，ri)
进一步提高对cj的准确性。
本发明通过对输入信号进行A/D转换，通过准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)编码提高信号传输误码率，将编码后信号传入水下声纳，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收；最后将接收信号进行软判决译码和D/A转换，完成从水到空气的跨介质通信，由于利用了准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)编码，与现有技术相比，显著提高通信系统性能，更适于水声信道应用。
附图说明：
图1为本发明系统结构示意图
图2为本发明方法流程图
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明做进一步的说明。
如附图1所示，本例提供了一种采用QC-LDPC编码通过机载空气耦合电容微机械超声换能器进行从水到空气的跨介质通信方法，在工作时，包括：对输入信号进行A/D转换，通过准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)编码提高信号传输误码率，将编码后信号传入水下声纳，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减。声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收。最后将接收信号进行软判决译码和D/A转换，完成从水到空气的跨介质通信；
如附图2所示，本例所述从水到空气的跨介质通信方法具体为：
步骤1：将输入信号进行A/D转换，通过QC-LDPC编码提高信号在复杂传输信道时的可靠性，将编码后信号传入水下声纳；
步骤2：通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减。声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收；
步骤3：机载空气耦合电容微机械超声换能器接收信号，经过QC-LDPC译码，通过D/A转换，获取到原信号信息，完成从空气到水的跨介质通信。
本例步骤1中LDPC码属于线性分组码，可用(n，k)表示，其中，n表示码长，k表示信息比特数，m＝n-k表示校验比特数。LDPC码编码就是对输入的kbits信息进行映射得到nbits信息并输出，该映射关系一般用一个生成矩阵Gk×n来表示。取一段s1×k，通过s1×k·Gk×n＝C1×n可计算出码字C1×n，所有的码字序列都满足C·HT＝0，H为校验矩阵。QC-LDPC码的H矩阵具有准循环特性(故QC-LDPC编码器可由循环移位寄存器实现)，即H矩阵可以被分割成多个大小一样的子方阵，每个子方阵均是零矩阵或单位阵循环右移矩阵，子方阵大小称为扩展因子Z，因此H矩阵可用另一种简化的H基矩阵来等效表示，例如
将H矩阵(矩阵大小为6×9)，按虚线所示将其分割为6个Z＝3的子矩阵后，该矩阵正好具有准循环特性，将矩阵中0子阵用-1表示，其他每个子矩阵用其相对于单位阵的循环右移移位值来表示，则可得到H基矩阵(矩阵大小为2×3)。
H矩阵和Hbase基矩阵关系为：mbase＝m/z，nbase＝n/z，mbase和nbase分别为Hbase的行数和列数，m和n分别为H行数和列数，Z为子方阵大小；Hbase的中元素0代表单位矩阵，-1代表零矩阵，非负值代表H矩阵相应位置处子矩阵的循环位移系数值。
对QC-LDPC码编码，设有限域为GF(2)的二元QC-LDPC码的Hqc矩阵为
其中，Hi，j为零矩阵或单位阵循环右移矩阵，大小为b*b，基矩阵Hbase大小为c*t。
假设Hqc矩阵的秩为c*b，即Hi，j每行都线性无关，以得到c*b个线性无关的监督关系式，将Hqc分为校验矩阵U大小为c*c和信息矩阵M大小为c*(t-c)，即H＝[M|U]。
假设信息矩阵M传送(t-c)*b个bits，可获得QC-LDPC编码的生成矩阵Gqc
其中，I是b*b的单位矩阵，O是b*b的零矩阵，Gi，j是b*b的循环矩阵。生成矩阵Gqc由两部分构成，I(t-c)b以I为主对角线组成，大小为(t-c)*(t-c)，P以循环矩阵组成，Gi，j大小为(t-c)*c，且PT＝M对应信息位。这种结构可以用简单的移位寄存器来编码QC-LDPC代码。
生成QC-LDPC码的充要条件是O这里为c*(t-c)的零矩阵。Gqc取的其中一行表示为gi＝[0，...，0，m，0，...，0，gi，1，gi，2，...，gi，c]，这里m＝(1，0，...，0)，也需满足/>令zi＝(gi，1，gi，2，...，gi，c)，/>代入可得
由于校验矩阵U为满秩方阵，故可逆得
由z1，z2，...，zt-c可求得gi，j，进而获得生成矩阵Gqc。
设A＝(a1，a2，...，a(t-c)b)为要编码的(t-c)b比特的信息序列，将其分解为长为(t-c)的等长序列即A＝(a1，a2，...，at-c)，其中ai包含b比特信息。
已知生成矩阵Gqc和信息序列A，可代入编码公式
X＝A·Gqc
其中X由信息矩阵A和校验矩阵P组成，即X＝[A|P]，可将P同样分解为长度为b的序列，则编码公式可表示为
pj＝a1G1，j+a2G2，j+…+at-cGt-c，j
假设表示首行右移l位，则编码公式可表示为
由上述可知，当信息序列进入编码器时，可以逐步计算出第j位的奇偶校验部分pj，可通过移位寄存器、加法器和累加器完成奇偶校验段。
本例所述步骤2，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减。声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收。
空气耦合电容微机械超声换能器是一种简单的电容器，它具有一个薄板，通过冲击超声波而产生振动。薄板的位移导致电容的变化，进而通过将电容微机械超声换能器与适当的电子电路连接来进行检测。电容微机械超声换能器的高效率是由于跨电极(板和基板)的大直流电场，允许良好的信号传导，以及薄振动板具有与空气很好地匹配的机械阻抗。电容微机械超声换能器在低声学频率下，可限制声信号在空气中衰减，例如，在1MHz下衰减约为165dB/m，而在100kHz下衰减只有3dB/m。显然，在MHz量级下的声学频率工作将把接收器间隔限制在cm量级；然而，在较低的声学频率下，可以达到在m量级下有合理的衰减，同时仍然拥有cm尺度的分辨率。在中心频率为71kHz的条件下，电容微机械超声换能器的检测灵敏度为在声信号通过水气交界处产生损耗时，仍能保证对声信号有良好的接收效果。
然而，维持高灵敏度水平需在灵敏度与带宽之间权衡，以限制噪声的干扰。该设备的分束带宽为3.5％，或相当于一个高质量因子(Q)为28.5。这种有限的带宽需要在电容微机械超声换能器的共振频率上进行多次冲击声循环，才能完全达到要求。对于信噪比约束系统，通过多个循环获得的额外灵敏度是至关重要的。声信号经过水声信道到达水气交界面，在交界处产生损耗。由于两种介质之间的声阻抗不匹配，声波不能很好地通过水气交界面传输。声波通过水气交界面的传输损耗(TL)可计算为：
其中，Za为空气的声阻抗约为420Rayl，Zw为水的声阻抗约为1.5×106Rayl。最后，声信号通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收。
维持高灵敏度水平需在灵敏度与带宽之间权衡，以限制噪声的干扰。这种有限的带宽需要在电容微机械超声换能器的共振频率上进行多次冲击声循环，才能完全达到要求。对于信噪比约束系统，通过多个循环获得的额外灵敏度是至关重要的，因此本例设计信噪比约束系统，使用声学频率作为调整标准，以声信号在水中和空中衰减的传播距离作为指标：
PCMUT(ω)∝ωAw(d)Aa(h)
其中，在这些表达式中，PCMUT是电容微机械超声换能器接收机的压力，d是在水中的往返距离，h是接收机在空气中的高度，αw和αa是水和空气的衰减单位。
最优系统参数受在水中往返距离的影响较小，受空气中声衰减的影响较大，从而受到接收器高度的影响较大。设计系统时，应优先考虑接收器高度的影响，在20～100kHz内确定声信号中心频率，限制空气中声信号衰减的影响，进而选择合适的高度范围。
本例所述步骤3，对机载空气耦合电容微机械超声换能器接收信号进行QC-LDPC软判决译码，设校验矩阵为H，接收到的码字为R＝[r1，r2，...，rn]，实际译码为C＝[c1，c2，...，cn]，由于信道噪声干扰，收到的数据会产生偏差，例如r1＝0.81，实际码字可能为0或1，据此可计算出后验概率
P＝(ci＝x|ri)
其中x为0或1，i表示其中任意一个码元。
由S＝RHT，将接受到的码字代入校验矩阵，在考虑校验矩阵的条件下后验概率为
其中，分母部分与ci＝x无关，可看做一常数项，{zm＝0}为所有含有ci项的校验方程，可将其展开为
由上式可知校验方程成立的概率决定ci＝x的概率，故将该项进行进一步转化，用全概率公式展开
其中，x′取0或1，{cj＝x′}为校验方程zm＝0中所含cj项，但不包含j＝i项。公式前一项，在ci＝x确定的情况下，zm＝0与ri无关，故当∑jx′＝x时，该项结果为1，当∑jx′≠x时，该项结果为0。公式后一项，假设每个码元之间相互独立。故原方程可转化为
其中∑x′表示∑jx′＝x，由上述方程可由已知后验概率，计算出校验方程成立时的ci＝x的概率，如果大于0.5，译码为ci＝x，如果小于0.5，译码为
将译码后的C代入S＝CHT，分以下两种情况：
情况一，计算结果S均为0，则结束译码，说明结果无差错。
情况二，计算结果不全为0，可用上一轮结果进行迭代，由于上一轮p(cj＝x′|ri)中未考虑cj参与校验方程成立的可能性，故将该因素加入满足下式
p(cj＝x′|ri)≈p(cj＝x′|{zm′＝0}，ri)
进一步提高对cj的准确性。
最后，进行D/A转换，获取到原信号信息，完成从水到空气的跨介质通信。

Claims (2)

1.一种基于QC-LDPC编码的水到空气跨介质通信方法，其特征在于，包括对输入信号进行A/D转换，通过准循环低密度奇偶校验QC-LDPC编码降低信号传输误码率，将编码后信号传入水下声纳，通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收，最后将接收信号进行软判决译码和D/A转换，完成从水到空气的跨介质通信；具体包括以下步骤：
步骤1：将输入信号进行A/D转换，通过QC-LDPC编码提高信号在复杂传输信道时的可靠性，将编码后信号传入水下声纳；
步骤2：通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声信号经过水声信道到达水气交界面产生损耗，通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收；
步骤3：机载空气耦合电容微机械超声换能器接收信号，经过QC-LDPC译码，通过D/A转换，获取到原信号信息，完成从空气到水的跨介质通信；
步骤1中LDPC码属于线性分组码，可用(n,k)表示，其中，n表示码长，k表示信息比特数，m＝n-k表示校验比特数，LDPC码编码就是对输入的k bits信息进行映射得到nbits信息并输出，该映射关系用一个生成矩阵Gk×n来表示，取一段s1×k,通过s1×k·Gk×n＝C1×n可计算出码字C1×n，所有的码字序列都满足C·HT＝0，H为校验矩阵，H矩阵用另一种简化的H基矩阵来等效表示，如下：
将H矩阵(矩阵大小为6×9)，按虚线所示将其分割为6个Z＝3的子矩阵后，该矩阵正好具有准循环特性，将矩阵中0子阵用-1表示，其他每个子矩阵用其相对于单位阵的循环右移移位值来表示，则可得到Hbase基矩阵，矩阵大小为2×3；
H矩阵和Hbase基矩阵关系为：mbase＝m/z，nbase＝n/z，mbase和nbase分别为Hbase的行数和列数，m和n分别为H行数和列数，Z为子方阵大小；Hbase的中元素0代表单位矩阵，-1代表零矩阵，非负值代表H矩阵相应位置处子矩阵的循环位移系数值；
对QC-LDPC码编码，设有限域为GF(2)的二元QC-LDPC码的Hqc矩阵为
其中，Hi,j为零矩阵或单位阵循环右移矩阵，大小为b*b，基矩阵Hbase大小为c*t；
假设Hqc矩阵的秩为c*b，即Hi,j每行都线性无关，以得到c*b个线性无关的监督关系式，将Hqc分为校验矩阵U大小为c*c和信息矩阵M大小为c*(t-c)，即H＝[M|U]，
假设信息矩阵M传送(t-c)*b个bits，可获得QC-LDPC编码的生成矩阵Gqc
其中，I是b*b的单位矩阵，O是b*b的零矩阵，Gi,j是b*b的循环矩阵，生成矩阵Gqc由两部分构成，I(t-c)b以I为主对角线组成，大小为(t-c)*(t-c)，P以循环矩阵组成，Gi,j大小为(t-c)*c，且PT＝M对应信息位，用移位寄存器来编码QC-LDPC代码；
生成QC-LDPC码的充要条件是O这里为c*(t-c)的零矩阵，Gqc取的其中一行表示为gi＝[0,…,0,m,0,…,0,gi,1,gi,2,…,gi,c]，这里m＝(1,0,…,0)，也需满足令zi＝(gi,1,gi,2,…,gi,c)，/>代入可得
由于校验矩阵U为满秩方阵，故可逆得
由z1,z2,…,zt-c可求得gi,j，进而获得生成矩阵Gqc；
设A＝(a1,a2,…,a(t-c)b)为要编码的(t-c)b比特的信息序列，将其分解为长为(t-c)的等长序列即A＝(a1,a2,…,at-c)，其中ai包含b比特信息；
已知生成矩阵Gqc和信息序列A，可代入编码公式
X＝A·Gqc
其中X由信息矩阵A和校验矩阵P组成，即X＝[A|P]，可将P同样分解为长度为b的序列，则编码公式可表示为
pj＝a1G1,j+a2G2,j+…+at-cGt-c,j
假设表示首行右移l位，则编码公式可表示为
由上述可知，当信息序列进入编码器时，可以逐步计算出第j位的奇偶校验部分pj，可通过移位寄存器、加法器和累加器完成奇偶校验段；
所述步骤2中通过声纳的发射声信号，调整声信号中心频率在20～100kHz内，以限制声信号在空气中的衰减，声波通过水气交界面的传输损耗(TL)计算为：
其中，Za为空气的声阻抗为420Rayl，Zw为水的声阻抗为1.5×106Rayl；
声信号通过空气后，由机载空气耦合电容微机械超声换能器接收；其中为维持高灵敏度水平需在灵敏度与带宽之间权衡，以限制噪声的干扰，这种有限的带宽需要在电容微机械超声换能器的共振频率上进行多次冲击声循环，才能完全达到要求，对于信噪比约束系统，通过多个循环获得的额外灵敏度是至关重要的；
设计信噪比约束系统，使用声学频率作为调整标准，以声信号在水中和空中衰减的传播距离作为指标：
PCMUT(ω)∝ωAw(d)Aa(h)
其中，在这些表达式中，PCMUT是电容微机械超声换能器接收机的压力，ω是声学频率，Aw(d)是水中声频率衰减，Aa(h)是空气中声频率衰减，d是在水中的往返距离，h是接收机在空气中的高度,αw和αa是水和空气的衰减单位。
2.根据权利要求1所述的一种基于QC-LDPC编码的水到空气跨介质通信方法，其特征在于，所述步骤3中对机载空气耦合电容微机械超声换能器接收信号进行QC-LDPC软判决译码，设校验矩阵为H，接收到的码字为R＝[r1,r2,…,rn]，实际译码为C＝[c1,c2,…,cn]，由于信道噪声干扰，收到的数据会产生偏差，r1＝0.81,实际码字为0或1，据此可计算出后验概率
P＝(ci＝x|ri)
其中x为0或1，i表示其中任意一个码元；
由S＝RHT，将接受到的码字代入校验矩阵，在考虑校验矩阵的条件下后验概率为
其中，分母部分与ci＝x无关，可看做一常数项，{zm＝0}为所有含有ci项的校验方程，可将其展开为
由上式可知校验方程成立的概率决定ci＝x的概率，故将该项进行进一步转化，用全概率公式展开
其中，x′取0或1，{cj＝x′}为校验方程zm＝0中所含cj项，但不包含j＝i项，公式前一项，在ci＝x确定的情况下，zm＝0与ri无关，故当∑jx′＝x时，该项结果为1，当∑jx′≠x时，该项结果为0，公式后一项，假设每个码元之间相互独立，故原方程可转化为
其中∑x'表示∑jx′＝x，由上述方程可由已知后验概率，计算出校验方程成立时的ci＝x的概率，如果大于0.5，译码为ci＝x，如果小于0.5，译码为
将译码后的C代入S＝CHT,分以下两种情况：
情况一，计算结果S均为0，则结束译码，说明结果无差错，
情况二，计算结果不全为0，可用上一轮结果进行迭代，由于上一轮p(cj＝x′∣ri)中未考虑cj参与校验方程成立的可能性，故将该因素加入满足下式
p(cj＝x′∣ri)≈p(cj＝x′∣{zm'＝0},ri)
提高cj的准确性。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8291283B1 (en) * 2008-06-06 2012-10-16 Marvell International Ltd. Layered quasi-cyclic LDPC decoder with reduced-complexity circular shifter
CN102739322A (zh) * 2012-06-19 2012-10-17 哈尔滨工程大学 基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法
CN105429711A (zh) * 2015-11-12 2016-03-23 哈尔滨工程大学 基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法
CN107026654A (zh) * 2016-02-02 2017-08-08 中国科学院声学研究所 一种准循环多进制低密度奇偶校验码的快速频域编码方法
CN107251439A (zh) * 2015-02-11 2017-10-13 三菱电机株式会社 用于自适应调制和编码amc的方法和amc控制器
CN111162872A (zh) * 2019-12-16 2020-05-15 哈尔滨工业大学（威海） 用于水声通信的联合均衡与Raptor译码算法
CN114448446A (zh) * 2022-02-10 2022-05-06 广东行远机器人技术有限公司 水下光通信ldpc编码处理方法、装置及计算机可读存储介质

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8291283B1 (en) * 2008-06-06 2012-10-16 Marvell International Ltd. Layered quasi-cyclic LDPC decoder with reduced-complexity circular shifter
CN102739322A (zh) * 2012-06-19 2012-10-17 哈尔滨工程大学 基于软解调软译码联合迭代的远程水声通信方法
CN107251439A (zh) * 2015-02-11 2017-10-13 三菱电机株式会社 用于自适应调制和编码amc的方法和amc控制器
CN105429711A (zh) * 2015-11-12 2016-03-23 哈尔滨工程大学 基于接收水听器阵的软入软出自迭代软均衡水声通信方法
CN107026654A (zh) * 2016-02-02 2017-08-08 中国科学院声学研究所 一种准循环多进制低密度奇偶校验码的快速频域编码方法
CN111162872A (zh) * 2019-12-16 2020-05-15 哈尔滨工业大学（威海） 用于水声通信的联合均衡与Raptor译码算法
CN114448446A (zh) * 2022-02-10 2022-05-06 广东行远机器人技术有限公司 水下光通信ldpc编码处理方法、装置及计算机可读存储介质

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Application of laser-induced acoustic method on air-underwater communication》;yang zhao;《2021 International Conference on Space-Air-Ground Computing》;20220602;全文 *
《QC-LDPC码在水声自适应信道编码中的性能研究》;林海英;《优秀硕士论文库》;20140815;全文 *
《一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究》;赵扬;《红外与激光工程》;20210531;全文 *

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