WO2011022952A1 - 一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法 - Google Patents

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WO2011022952A1
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energy
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chain
band
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PCT/CN2010/070147
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Inventor
方致蓝
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深圳市蓝可迪科技有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/0001—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff
    • H04L1/0014—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the source coding

Definitions

  • the invention belongs to the field of digital signal communication, and particularly relates to a source-channel joint codec method and device for digital signal transmission, which is used for realizing reliable communication in a channel with severe noise interference and random changes of parameters. Background technique
  • a channel in which noise interference and transmission book characteristics are randomly changed is referred to as a parametric channel.
  • a parametric channel At present, in the aspects of mobile communication, aerospace communication, ocean underwater acoustic communication, and power line carrier communication developed in recent years, how to conduct reliable communication in the channel with reference is taken as the main research object.
  • the mathematical model of the signal transmitted through the channel is shown in Figure 1.
  • the output of the signal through the channel is:
  • c(t) is a function representing channel characteristics, which may include various linear distortions, nonlinear distortion, intermodulation distortion, time-varying fading, etc.
  • n(t) represents a superposition of white noise and impulse noise. Therefore, various distortions occur after the signal is transmitted through the channel, including: amplitude distortion, frequency dispersion, phase drift, deep fading, and the like. These distortions have a very negative impact on communication reliability.
  • channel capacity definition C W lo g2 (l+) is the channel bandwidth, p av is the signal average power, N.
  • the signal-to-noise ratio Eb/No reflects the ratio of the useful signal received by the demodulation output to the unwanted clutter amplitude. The smaller the signal-to-noise ratio, the greater the probability of bit decision error. In the digital signal transmission system, the bit decision error is light and heavy. The degree is usually measured in terms of bit error rate, based on the bit error rate formula:
  • the quality of a coding technique is generally evaluated by the coding gain, which is:
  • the coding makes the signal-to-noise ratio E b /n compared to the non-coded transmission. Get extra boost
  • the coding gain must be reflected by a good modulation and demodulation method.
  • the parameters of the modulation and coding are changed in an "adaptive manner" by estimating the channel parameters and feedback of the loop, so that it automatically adapts to the channel characteristic parameters within a limited range. The change.
  • CDMA communication adopts a series of modern communication technologies, including spread spectrum technology, scrambling interleaving technology, power control technology, and diversity technology.
  • the existing various codec theories are based on the mathematical statistical analysis of the bit group, using the mathematical correlation algorithm of the redundant bit stream to the information bit stream to achieve the purpose of error detection and error correction, the common premise is
  • the structure information of the bit group must be correctly transmitted, which is difficult to achieve in the actual channel.
  • the current vulnerabilities of mathematical sequences based on the complexity of mathematical algorithms are obvious. Massive bit errors can lead to the collapse of algorithms. For example, spread spectrum techniques and convolutional interleaving techniques have a good ability to resolve scattered burst bit errors, but they are not capable of persistent burst bit errors. This has been proven by power line carrier communication practices in recent years.
  • Step 2 performing chain coding on the baseband signal by using the multi-level energy band structure, forming a chip sequence of the synchronous time base chain plus structure data link, and modulating the transmission to the carrier by using 2fsk+2psk or 3fsk;
  • Step 3 receiving the carrier signal and demodulating, performing bit energy band filtering and bit energy extraction to form positive and negative two-bit bit energy output;
  • Step 5 By performing duplex transmission on the channel interference coefficient, the adaptive adjustment of the chain energy-saving band template of the transmitting end and the receiving end is guided, and the rate is automatically adjusted to adapt to the channel parameter change, so that the communication is in an optimal state.
  • the invention restores the digital baseband signal by using bit energy-based source coding for the digital baseband signal, and restores the digital baseband signal with the negative bit energy output as the bit synchronization reference, and adapts the channel interference coefficient adjustment rate according to the chain energy saving value to adapt to the channel parameter change, thereby ensuring The information of each bit itself can be correctly transmitted, thereby achieving reliable communication in a channel with severe noise interference or random parameter variation.
  • FIG. 3 is a schematic flow chart of an adaptive communication method based on bit energy chain coding and channel parameters according to a specific implementation manner
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a carrier modulation method of bit energy code modulation
  • Figure 11 is a block diagram of a system embodiment of a specific embodiment
  • the embodiment of the present invention provides an adaptive communication method based on bit energy chain coding and channel parameters. As shown in FIG. 3, the method may specifically include:
  • Step 4 The negative bit energy output is used as a bit synchronization reference, and the frame structure sequence of the head link, the "1" link, the "0" link, and the tail link is obtained according to the chain energy strip template, and the digital baseband is restored by a solution algorithm. Signal, and obtain the channel interference coefficient according to the chain energy saving value;
  • bit synchronization time base must be accurately captured
  • Second, the correct bit decision must be made on the demodulated signal.
  • a coded modulation method must be found which can achieve very high coding gain and modulation system gain.
  • the present invention proposes a bit energy chain coding modulation ( Bit Energy Chain Encode Modulation, English abbreviation: BECEM) technology, can solve this problem well.
  • the main method of the Bit Energy Coded Modulation (BECEM) technique may include the following steps: 1. Changing the conventional method of scattering redundant information into a bit group, and concentrating redundant information by a method based on bit energy extension coding Within the chip, the bit band structure is fundamentally changed.
  • the bit band energy coded baseband code band structure is shown in Figure 4.
  • each chip is divided into two half-bit intervals, half bit. It can carry two states of "0" and "1”, and the chip positive band has four combinations: "1 1" is the highest band with H, and "1 0" and "0 1" are data bands.
  • the bit energy coding expansion coefficient be ", then the bit energy of each chip is:
  • FIG. 5a shows a "Manchester" chain, which is characterized in that the data sequence is based on P as a synchronous time base and H as a chain. a data link consisting of L, bit L, R bit 0, and Z chain tail;
  • Figure 5b shows the "triple gene sequence" chain, which is characterized by the fact that the data strand is formed by following the biological DNA triplet codon.
  • P is the synchronous time base
  • HZH is the chain head
  • LZL is the bit 1
  • RZR is the bit.
  • ZZZ is the chain tail, and it is specified that HZ is mutually inverted
  • LR is mutually inverted
  • the inverse code sequence is transmitted together as an error correction column of the positive code sequence.
  • bit energy modulation is performed by additionally modulating the carrier with a low frequency signal ⁇ during a half bit "1" or "-1", where ⁇ is the carrier frequency /. 1/ ⁇ , ie fff a, a is the "bit energy" coding expansion factor.
  • Bit energy modulation can be implemented in a variety of modulation schemes, for example: a. When using 3fsk carrier modulation, use /. Indicates the carrier center frequency, ⁇ / indicates the frequency offset, and the half bit "0" in each signal chip. For single-frequency transmission, the half-bit "1" in each signal chip is from f 0 to / at the frequency of ⁇ .
  • the demodulation method of bit energy modulation is shown in Fig. 7.
  • the output of the receiver carrier demodulation discriminator is as shown in Fig. 7a: When the center frequency / is received. When the 0 level is output, when / is received. + ⁇ / when the output is positive, when / is received. _ ⁇ /time outputs a negative level, therefore, the signal
  • the half-bit "0" in the chip is 0 level by the carrier demodulation discriminator, and the half-bit "1" in the signal chip is a cluster of signals outputted by the carrier demodulation discriminator.
  • the pulse train, the half bit in the signal chip is a cluster of negative pulse trains through the carrier demodulation discriminator.
  • the modulation method shows that the frequency of the pulse train is ⁇ , and the pulse number represents the magnitude of the bit energy.
  • the demodulated actual output signal is shown in Figure 7b.
  • the discriminator output signal ⁇ passes through a bit called a bit.
  • a device with a filter which is a narrowband filter with f b as the center frequency.
  • the amplitude-frequency response function of the filter is:
  • k is the level gain of the bit band filter
  • Q is the Q of the frequency selective circuit
  • j ⁇ is the signal frequency
  • ⁇ ⁇ ⁇
  • the bit band filter output signal is passed through a bit energy extractor.
  • the bit energy extractor is a burst sequence periodic prediction overlay that characterizes the energy of a half-bit "1" or half-bit burst. It is superimposed on the height of ⁇ ., and the noise pulse energy is not superimposed due to the non-conformity of the sequence. Therefore, the output of the H chip is « ⁇ « ⁇ «.
  • the bit will be measured, and the output of the L chip is " ⁇ , +0+ ⁇ «.
  • the bit energy, the output of the R chip is 0+ « ⁇ «.
  • the bit energy, the output of the chip is 0+0+ ⁇ «.
  • the bit energy, the output of the chip is: - «MrH ⁇ 0 bit energy, where "for the coding expansion factor, ⁇ «.
  • the residual noise energy value that falls within the bit band center frequency / fc bandwidth.
  • the coding gain ⁇ «, the modulation system gain G ⁇ ka, because "a sufficiently large integer can be obtained, ⁇ can be 1 to 2 higher than the existing communication system. An order of magnitude.
  • the BECEM decoded output is passed through a negative energy band separation device as shown in Figure 8, which has a cutting protection band g M .
  • It is a dynamic threshold related to noise. It can be known from the above-mentioned bit energy extraction principle that it is difficult to cross the guard band with the noise interference peak, thus ensuring the clean separation of the chip, and the separated signal is corrected by time history.
  • the bit synchronizes the time base chain. Specifically pointed out here: In the example of power line carrier communication, the parasitic chain is also calibrated with alternating current zero-crossing pulses to make the bit-synchronous time base chain indestructible.
  • the positive energy chip signal output by the BECEM decoding restores the digital baseband signal by a software algorithm. As shown in FIG. 9, the two major steps of the algorithm are:
  • bit decision mode used in the present invention is substantially different from the conventional bit decision mode. It is an intelligent process based on bit band analysis, which is free from the noise interference processing in the decoded waveform. difficult.
  • the Z chip in the Z chip.
  • the magnitude of the value represents the real-time energy value of the noise energy.
  • the offset ⁇ in the chip shows the degree of interference of the bit energy. Therefore, ⁇ ⁇ in the ⁇ chip.
  • the channel interference coefficient ⁇ ⁇ ⁇ is calculated by the value of the value and the offset of the value in the chip. + ⁇ ⁇ .
  • the invention can obtain accurate channel interference parameters with a simple algorithm, which is The system is unmatched.
  • the block diagram of the channel parameter adaptive adjustment process is shown in Figure 10.
  • the sender inserts the value of the calculated channel interference coefficient into a specific area of the data link and sends it out.
  • the receiver receives and solves the straight line. If ⁇ , it is the protection band.
  • the value is automatically adjusted by the bit energy coding expansion coefficient "and the bit band filter center frequency ⁇ , changing the "chain energy band template" upper limit E M , the lower limit E w value, through the link feedback until the condition of ⁇ is satisfied.
  • Each communication terminal device is composed of a transmitting part, a receiving part, and a control part, and each terminal forms a communication system through a channel connection.
  • the baseband signal acquires synchronization information and frame structure information through the baseband analyzer, and is formed in the chain code synthesizer under the control of the control part CPU? a data chain composed of five types of chips, H, L, R, and Z.
  • the present invention has two data link structures of "Manchester Chain” and "Triple Gene Sequence” chain; then the data chain enters the bit energy encoder.
  • the method and the process can be referred to the contents described in 1 and 2; the encoded data link enters the traditional carrier modulator modulation onto the carrier, and finally is transmitted to the channel through power amplification, and the method can be referred to the content described in 3. .
  • Receiving part The carrier signal sent from the other party, through the traditional front-end processing and carrier demodulation, the demodulated signal enters the bit energy extractor through the bit energy band filter, and performs soft decision under the control part CPU operation, and restores P.
  • the method and software algorithm can be referred to the contents described in 5, 6, 7, and 8.
  • the core functions and link control functions of the present invention are implemented by related hardware under the control of the CPU software algorithm.
  • the transmitting and receiving parties first establish reliable communication with the lowest rate "gene triple sequence" chain.
  • the channel interference coefficient ⁇ can be obtained by Z and H chips. + ⁇ ⁇ , if the value is less than the threshold, then adjust to higher The "Manchester Chain" of the rate is communicated, and then the communication link is adjusted to a state compatible with the channel parameters according to the method described in 9.
  • the implementation circuit of the present invention can be implemented on the basis of the existing communication integrated circuit or FPGA, and the software involved can be realized by DSP or MCU, which is simple and easy to implement, and can be obtained by other methods in actual test and test. performance.
  • the present invention can detect a chip characteristic waveform with an oscilloscope at the demodulation output point of the receiver, which is fundamentally different from the output waveform of other existing methods, as shown in FIG. It embodies the bit energy codec principle described in the present invention and belongs to the unique technical features of the present invention.

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Abstract

本发明公开了一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法，属于数字信号通信领域，用于实现在噪声干扰严重和参数随机变化的信道中进行可靠通信。本发明包括对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码，并形成多级能带信号结构；对基带信号进行链式编码，形成同步时基链加结构数据链的码片序列，并调制到载波上发送；接收载波信号并解调，进行比特能带滤波及比特能量提取，形成正、负两路比特能量输出；以负比特能量输出为比特同步基准，根据链节能带模板得到帧结构序列，还原数字基带信号，并根据链节能量值得到信道干扰系数；通过对所述信道干扰系数进行双工传送，引导发射端和接收端的链节能带模板的自适应调整，并自动调整速率以适应信道参数变化。

Description

一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法 技术领域
本发明属于数字信号通信领域，特别涉及数字信号传输过程中一种 信源一信道联合编解码方法说和设备，用于实现在噪声干扰严重和参数随 机变化的信道中进行可靠通信。 背景技术
在通信系统中，把存在噪声干扰和传输书特性随机变化的信道称为随 参信道。 目前， 在移动通信、 宇航通信、 海洋水声通信以及近几年发展 起来的电力线载波通信等方面，都把如何在随参信道中进行可靠通信作 为主要的研究对象。信号通过随参信道传输的数学模型如图 1所示， 信 号 通过随参信道的输出为：
Figure imgf000003_0001
式中 c(t)是表示信道特性的函数， 它可能包括各种线性失真、 非线 性失真、 交调失真、 时变衰落等； n(t)表示白噪声和脉冲噪声的叠加。 因此， 信号通过随参信道传输后发生了各种畸变， 包括： 振幅畸变、 频 率弥散、 相位漂移， 深度衰落等。 这些畸变对通信可靠性带来了非常不 利的影响。
在信道容限定理 C = W log2 (l+ ) 为信道带宽， pav为信号 平均功率， N。为噪声的单边功率谱密度；信道容量 C的单位为 b/s 中， 定义了比特能量： Eb=pa c, 和信噪比： =^ l 这两个重要概念，
No C /W 为现代通信理论提供了重要理论依据。 比特能量 Eb=Pav/C 是表述传输每比特信号所需平均功率， 在实际 应用中一般用接收机解调输出的比特判决电平来表示， 以二进制 2fsk 或 2PSK信号的解调输出为例， 其比特能带图如图 2所示， 令比特 "0 " 输出 Eb。=0、 比特 " 1 "输出 Ebl=l， 如图 2a所示； 当存在小噪声《。干 扰时能带图如图 2b所示， 图中 d为判决门限， 由于噪声干扰带 。和 没有超越门限 d， 因此判决正确性不受影响； 而在随参信道中由于 噪声《。干扰很大， 经常出现如图 2c所示能带图， 当判决时刻处于 h、 ^时， 就会发生比特判决错误。
信噪比 Eb/No 反映的是接收解调输出的有用信号与无用杂波幅度 之比， 信噪比越小发生比特判决错误的机率越大， 在数字信号传输系统 中， 比特判决错误的轻重程度通常以误码率来衡量， 根据误码率公式：
Figure imgf000004_0001
式中 P为二元信号的相关系数， 因此提高比特能量 ¾和降低噪声 «。是提高通信可靠性的重要方法， 由于降低噪声《。难以做到， 因此提高 比特能量 ¾成了可行的选择。
现有的改善随参信道通信能力的方法都建立在两大技术基础之上： 第一、 釆用信源信道编码， 通过编码增加数学相关性强的冗余码元 序列及进行数学相关译码算法来提高编码增益。 编码技术在理论上得到 香农第二定理的支持， 香农第二定理指出， 任何一个通信信道都有确定 的信道容量 C, 如果通信系统所要求的传输速率 R小于 C, 则存在一种编 码方法， 当码长 n充分大并应用最大似然译码时， 信息的错误概率可以 达到任意小。 因此， 寻找构造优良的编码方案及采用有效的译码算法一 直是通信技术研究的追求目标。
对一种编码技术的好坏一般采用编码增益来评价， 其含是： 在给定 误码率情况下， 编码与非编码传输相比， 使信噪比 Eb/n。获得额外提高的 编码增益必须通过良好的调制解调方式来体现， 为了比较各种调制 系统的好坏， 可用输出信噪比 S。/n。和输入信噪比5^¾的比值来衡量， 这 个比值用 表示， 称 Gv =H 为调制制度增益， 越大， 说明系统调制 制度的抗干扰性能越好； 以扩频技术为例， 信息比特通过高度相关序列扩展编码调制， 当数 据比特速率为 Rb， 码片速率为 Rc， 一个数据比特包含的码片数则为 Rc/Rb, 那么相关解调后， 得到的有用信号的数据比特能量是由码片能 量 Ec累加还原得到， 由于每一个数据比特的数学相关性， 使信息比特能 量叠加为 Eb=EcxRc/Rb，而噪声 n。由于沒有数学相关性而不能得到叠加， 因此， 理论上可获(^ = «^/^的编码增益。
第二、 采用自适应调制与编码 （AMC ) 技术， 通过对信道参量的 估测和环路的反馈以 "自适应方式"改变调制和编码的参数， 使它在有 限范围内自动适应信道特性参量的变化。
以 CDMA通信为例， 它采用了一系列现代通信新技术， 包括扩频 技术、 加扰交织技术、 功率控制技术以及分集技术等。
但是， 现有的各种编码理论及方法在恒参信道中具有优良表现， 而 在噪声干扰严重和参数随机变化的随参信道中却难以实现可靠通信，其 主要原因有以下三点：
一、现有的各种编解码理论都建立在对比特群的数学统计分析基础 之上，利用冗余比特流对信息比特流的数学相关算法来达到检错和纠错 目的， 其共同前提是， 比特群的结构信息必须得到正确传输， 这在实际 随参信道中是很难做到的。事实上， 目前各类建立在数学算法复杂性的 基础之上的编码方法， 其数学序列的脆弱性是显而易见的， 群发性的比 特错误都可能导致算法的崩溃。如扩频技术和卷积交织技术对分散的突 发性的比特错误有很好的解决能力，但对持续性的群发比特错误却无能 为力。 这一点己为近几年的电力线载波通信实践所证明。
二、在现有的数字通信系统中， 码元判决都与解调输出信号波形紧 密相关， 因此误码率与信号失真也就密切相关， 在随参信道中， 由于信 道非线性因素及脉冲噪声干扰的存在，使解调输出信号波形畸变不可避 免， 因此， 比特判决错误就不可避免。 特别是码元判决所需的比特同步 信息的提取也是高度依赖于解调输出信号波形， 一旦比特同步发生错 误， 比特判决的正确性也就无从谈起。
三、 目前实现自适应 AMC技术面临多项困难。 首先， 现有的各种 AMC测量算法由于其本身缺陷和运行错误， 无法保证对信道参量进行 真实测量， 而对信道估测的错误可能会使系统选择错误的编码调制参 数， 反会使误码率升高； 其次， 由于信道的时变特性， 信道测量报告的 传送可靠性决定了信道质量反馈的可信度； 最后， 会因为比特传送的错 误使测量反馈的真实性丧失， 导致自适应调整失败。 发明内容
为解决现有的编码理论及方法在噪声干扰严重或参数随机变化的 随参信道中难以实现可靠通信的问题，本发明提供了一种基于比特能量 链式编码及信道参量的自适应通信方法， 它包括：
步骤 1， 对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码， 并形成多 级能带信号结构；
步骤 2， 通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码， 形成同 步时基链加结构数据链的码片序列， 并通过 2fsk+2psk或 3fsk形式调制 到载波上发送；
步骤 3，接收载波信号并解调，进行比特能带滤波及比特能量提取， 形成正、 负两路比特能量输出；
步骤 4， 以负比特能量输出为比特同步基准， 根据链节能带模板得 到头链节、 " 1 "链节、 "0"链节、 尾链节的帧结构序列， 通过解链算法 还原数字基带信号， 并根据链节能量值得到信道干扰系数；
步骤 5， 通过对所述信道干扰系数进行双工传送， 引导发射端和接 收端的链节能带模板的自适应调整， 并自动调整速率适应信道参数变 化， 使通信处于最佳状态。 本发明通过对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码， 以负比 特能量输出为比特同步基准还原数字基带信号，并根据链节能量值得到 的信道干扰系数调整速率适应信道参数变化，保证了每一个比特本身的 信息能够得到正确传输，从而实现了在噪声干扰严重或随机参数变化信 道中的可靠通信。 附图说明
图 1是信号通过随参信道传输的数学模型方框图；
图 2是一般接收机解调输出的比特能带示意图；
图 3是具体实施方式提出的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法的流程示意图；
图 4是比特能量编码的五级能带结构图；
图 5是两种比特能量链式编码数据链构造图；
图 6是比特能量编码调制的载波调制方法示意图；
图 7是比特能量编码调制的载波解调及比特能带滤波示意图； 图 8是比特能量提取和负能带分离形成比特同步时基链的示意图； 图 9a和图 9b是链码解序及基带信号的还原过程流程图； 图 10是信道参数自适应调整过程流程图；
图 11是具体实施例系统方案方框图；
图 12是本专利的特有的码片特征波形图。 具体实施方式
本发明的具体实施方式提出了一种基于比特能量链式编码及信道 参量的自适应通信方法， 如图 3所示， 具体可以包括：
步骤 1， 对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码， 并形成多 级能带信号结构；
步骤 2， 通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码， 形成同 步时基链加结构数据链的码片序列， 并通过 2fsk+2psk或 3fsk形式调制 到载波上发送； 步骤 3，接收载波信号并解调，进行比特能带滤波及比特能量提取， 形成正、 负两路比特能量输出；
步骤 4， 以负比特能量输出为比特同步基准， 根据链节能带模板得 到头链节、 " 1 "链节、 "0 "链节、 尾链节的帧结构序列， 通过解链算法 还原数字基带信号， 并根据链节能量值得到信道干扰系数；
步骤 5， 通过对所述信道干扰系数进行双工传送， 引导发射端和接 收端的链节能带模板的自适应调整， 并自动调整速率适应信道参数变 化， 使通信处于最佳状态。
为了更清楚的说明本具体实施方式提供的技术方案，现结合图 4至 图 12对该方法进行详细说明：
要准确无误地传送一个比特信息需要满足两个条件： 第一、 必须准 确捕获到比特同步时基； 第二、 必须对解调信号做出正确的比特判决。 要在随机参数信道通信中实现这两个条件， 必须找到一种编码调制方 法， 这种方法能实现很高的编码增益 和调制制度增益 C 本发明提出 的是一种比特能量链式编码调制（Bit Energy Chain Encode Modulation, 英文简称： BECEM) 技术， 能够很好地解决这个问题。
比特能量编码调制 （BECEM) 技术的主要方法可以包括以下步骤： ①、 改变传统的把冗余信息散落到比特群中的方法， 通过一种基于 比特能量扩展编码的方法， 把冗余信息集中到码片内， 使比特能带结构 发生根本性改变， 比特能量编码的基带编码能带结构图如图 4所示： 在图 4中， 每个码片被分割为二个半比特区间， 半比特能带有 "0" 和 " 1 "两种状态， 码片正能带具有 4种组合： " 1 1 "为最高能带以 H 表示， " 1 0 " 、 "0 1 "为数据能带分别以 L、 R表示， "0 0"为零能 带以 Z表示； 码片负能带包含半比特 " -1 " 以 P表示； 这样形成五级能 带结构。 设比特能量编码扩展系数为 "， 则各码片的比特能量为：
H = + ;L = + 0;R = 0 + ;Z = 0 + 0;
P二一 a 。 ②、 从图 4可以看出， H、 Z、 P码片在幅值上的特征， L、 R码片 在幅值和空间上的双重特征，这为确保比特流帧结构和同步信息的正确 传输提供了条件，本发明提出数据流的两种链式编码方法，如图 5所示： 图 5a表示 "曼彻斯特"链， 其特征为， 数据序列是以 P为同步时 基、 以 H为链头、 以 L为比特 1、 以 R为比特 0、 以 Z为链尾组成的数 据链；
图 5b表示 "三联基因序列"链， 其特征为， 仿照生物 DNA三联密 码子方式组成数据链， 其中一实例为： 以 P为同步时基、 HZH为链头、 LZL为比特 1、 RZR为比特 0、 ZZZ为链尾，并规定 H-Z互为反码， L-R 互为反码， 反码序列作为正码序列的纠错列被一起传送。
③、 比特能量编码调制 （BECEM) 的载波调制方法：
如图 6所示， 比特能量调制是在半比特 " 1 " 或 " -1 "期间用一种 低频信号 Λ对载波进行附加调制来完成的， 其中 Λ为载波频率 /。的 1/ α， 即 fff a， a为 "比特能量"编码扩展系数。 可以用多种调制方 式来实现比特能量调制， 例如： a、 使用 3fsk载波调制的方式时， 以/。 表示载波中心频率， Δ/表示频偏， 对每个信号码片中的半比特 "0" 以 /。单频发送， 对每个信号码片中的半比特 " 1 "是以 Λ的频率对载波进 行从 f0到 /。+ Δ/的 fsk调制后发送， 对每个传输码片中的半比特 "-1 " 是以 Λ频率对载波进行从/。到 /。_Δ /的 fsk调制后发送; b、使用 2fsk+2psk 载波调制的方式时， 以/。表示载波中心频率， Δ/表示频偏， 表示相 位， ω。表示载频角频率， 对于每个信号码片中的半比特" 0" 是以 cos( ω ）单频的 =0相位发送； 对于每个信号码片中的半比特 " 1 " 则是以 Λ的频率对载波进行从 cos( "。+ 中的相位 =0到 Γ的 2psk 调制后发送， 而对每个传输码片中的半比特 则是以 Λ频率对载波 进行从 f0到 /。_ Δ/的 2fsk调制后发送。
④、 比特能量编码调制 （BECEM) 的载波解调方法：
以上述 3fsk调制为例， 说明比特能量调制的解调方法如图 7， 接收 机载波解调鉴频器输出如图 7a所示： 当收到中心频率/。时输出 0电平， 当收到 /。+ Δ/时输出正电平， 当收到 /。_Δ/时输出负电平， 因此， 信号 码片中的半比特 "0" 通过载波解调鉴频器输出的信号为 0电平， 信号 码片中的半比特 "1"通过载波解调鉴频器输出的信号为一簇正向的脉 冲串， 信号码片中的半比特 通过载波解调鉴频器输出的信号为一 簇负向的脉冲串， 由上述调制方式可知脉冲串的频率为 Λ， 脉冲数代表 了比特能量 的大小。
⑤、 比特能带滤波器：
在随参信道中， 由于信道非线性因素及脉冲噪声干扰的存在， 使解 调实际输出信号如图 7b所示， 为了降低噪声能带 的影响， 鉴频器 输出信号 ^通过一个称之为比特能带滤波器的装置， 这个装置是以 fb 为中心频率的窄带滤波器， 该滤波器的幅频响应函数为：
Figure imgf000010_0001
式中： k为比特能带滤波器的电平增益， Q为选频电路 Q值， j\ 为信号频率， 当 等于中心频率 Λ时， 滤波器输出信号 ΑΝ=Μ,， 因此， 比特能量脉冲串通过滤波器获得 k倍增益，而偏离中心频率 fb的噪声能 量则得到极大的衰减， 如图 7c所示， 可见通过比特能带滤波器使解调 输出波形得到极大净化。
⑥、 比特能量提取及 BECEM解码过程：
比特能带滤波器输出信号 再通过一个比特能量提取器， 如图 8 所示， 比特能量提取器是一个脉冲串序列周期性预测叠加装罝， 表征半 比特 "1"或半比特 脉冲串的能量被叠加到《Λ.的高度， 而噪声脉 冲能量因不符合序列周期性得不到叠加， 因此， H 码片的输出为 «ΜΓΗ«ΜΓΗΔ«。比特會 ^量， L码片的输出为《Μ,+0+Δ«。 比特能量， R 码片的输出为 0+«ΜΓΗΔ«。 比特能量， Ζ码片的输出为 0+0+Δ«。比特能 量， Ρ码片的输出为： -«MrH Αη0 比特能量， 其中《为编码扩展系数， Δ«。为落入比特能带中心频率/ fc带宽内的残留噪声能量值。
可以算出， 通过本发明的方法， 编码增益 ^«， 调制制度增益 G≥ ka , 由于《可取足够大的整数， ^可做到比现有通信系统高 1至 2 个数量级的水平。 通过上述比特能量提取过程完成 BECEM解码后， 输出的 H、 L、 R、 Z、 P码片各自具有难以混淆的能带结构， 噪声的干 扰被压缩到最小。 为实现高可靠通信提供了技术保障。
⑦、 负能带分离及比特同步时基链的形成：
BECEM解码输出通过一个负能带分离装置如图 8所示， 其切割保 护能带 g M。是一个与噪声相关的动态阀值，由上述比特能量提取原理 可知， 噪声干扰峰值很难跨越这个保护带， 因此保证了 Ρ码片的干净分 离， 分离后的信号再通过时程校正， 形成准确的比特同步时基链。 这里 特别指出的是： 在电力线载波通信实例中， 还以交流电过零脉冲组成时 基校准寄生链， 使比特同步时基链具有不可摧毁性。
⑧、 链码解序及基带信号的还原过程：
BECEM解码输出的正能量码片信号通过软件算法还原出数字基带 信号， 如图 9所示， 该算法的两大步骤为：
A、 通过"链节能带模板判据"算法完成对半比特 " 1 "和半比特 "0" 的判别， 进而完成对 H、 L、 R、 Z四类码片的恢复， 算法软件流程如图 9a所示，可以看出本发明用的比特判决方式与传统的比特判決方式有本 质上的区别， 它是一个基于比特能带分析的智能过程， 摆脫了对解码波 形中的噪声干扰处理的困难。
B、 通过"链码序列解序 "算法完成对 "曼彻斯特链"和 "三联基因 序列"链的判别， 并通过排序及解序运算还原出数据基带序列， 软件流 程图如图 9b所示。可以看出， 由于"三联基因序列 "链参照了生物 DNA 链的组织原则， 具有很强的纠错复制能力， 能在 "恶劣"的随参信通中 传输基本信息，从而保证了通信链路的建立和信道参数自适应调整过程 的正确进行。
⑨、 信道参数自适应调整过程：
由图 7可以看出， Z码片中 。值的大小表现了噪声能带实时能量 值， 同样 Η码片中的偏移量^表现了比特能量受干扰程度， 因此， 以 Ζ 码片中 ΔΜ。值的大小及 Η码片中 值的偏移量 ，计算出信道干扰系数 ^ = ΔΜ。+ ΔΩ。 本发明能以简单的算法取得准确的信道干扰参数， 这是传 统方法无法比拟的。
信道参数自适应调整过程方框图如图 10所示， 发信方将计算出信 道干扰系数 的值插入到数据链的特定区域发送出去， 接收方收到并解 出 直， 如果 ^ , 为保护能带值， 则自动调整比特能量编码扩展系 数《和比特能带滤波器中心频率 Λ , 改变 "链节能带模板 "上限 EM、 下 限 Ew值， 通过链路反馈， 直到满足^ 的条件为止。
本具体实施方式的技术方案可以根据如图 11所示的装置实施， 下 面将参照附图对实施方式进行描述。在下面的描述中， 对那些众所周知 的通用结构和功能不加细述， 只对本发明特别增加的结构和功能， 结合 上述发明内容中所述方法加以说明。
每个通信终端设备都由发信部分、 收信部分、 控制部分构成， 各终 端通过信道连接组成通信系统。
发信部分： 基带信号通过基带分析器取得同步信息和帧结构信息， 在控制部分 CPU控制下进入链码合成器中形成？、 H、 L、 R、 Z五类码 片并组成的数据链， 如上所述本发明制定了 "曼彻斯特链"和 "三联基 因序列" 链两种数据链结构； 然后数据链进入比特能量编码器进行 BELCM编码， 方法及过程可参见①和②所述的内容； 编码后的数据链 进入传统的载波调制器调制到载波上， 最后通过功率放大发送到信道， 其方法可参见③所述的内容。
收信部分： 从对方发送过来的载波信号， 通过传统的前端处理及载 波解调， 解调信号通过比特能带滤波器进入比特能量提取器， 在控制部 分 CPU运行下进行软判决， 恢复了 P、 H、 L、 R、 Z码片后进入链码解 析器， 最后恢复基带信号， 其方法及软件算法可参见⑤、 ⑥、 ⑦和⑧所 述的内容。
链路控制及自适应调整过程：
本发明的核心功能及链路控制功能都是在 CPU软件算法控制下通 过相关硬件来实现的。在通信链路建立初期， 收发双方先以最低速率的 "基因三联序列"链建立起可靠通信， 在链码解析器中可以通过对 Z、 H码片取得信道干扰系数 Μ。+ ΔΩ， 如果 的值小于阀值， 则调到较高 速率的 "曼彻斯特链"进行通信， 然后根据⑨所述的方法， 使通信链路 调整到与信道参数相适应的状态。
本发明的实施电路都可以在现有的通信集成电路或 FPGA 基础上 实现， 所涉及的软件都可以用 DSP或 MCU来实现， 简单易行， 能够在 实际试验测试中取得用其他方法无法达到的性能。
最后，本发明可以在接收机的解调输出点用示波器检测到一种码片 特征波形，它与现有其他方法的输出波形比较具有根本性区别，如图 12 所示。它映证了本发明所述的比特能量编解码原理， 属于本发明的特有 技术特征。
以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种基于比特能量链式编码及信道参量的自适应通信方法， 其 特征在于， 它包括：
步骤 1， 对数字基带信号进行基于比特能量的信源编码， 并形成多 级能带信号结构；
步骤 2， 通过所述多级能带结构对基带信号进行链式编码， 形成同 步时基链加结构数据链的码片序列， 并通过 2fsk+2psk或 3fsk形式调制 到载波上发送；
步骤 3， 接收载波信号并解调， 进行比特能带滤波及比特能量提取， 形成正、 负两路比特能量输出；
步骤 4， 以负比特能量输出为比特同步基准， 根据链节能带模板得 到头链节、 "1"链节、 "0"链节、 尾链节的帧结构序列， 通过解链算法 还原数字基带信号， 并根据链节能量值得到信道干扰系数；
步骤 5， 通过对所述信道干扰系数进行双工传送， 引导发射端和接 收端的链节能带模板的自适应调整， 并自动调整速率适应信道参数变 化， 使通信处于最佳状态。
2、 根据权利要求 1 所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 1中所述的基于比特能量的信源 编码， 是将每个码片被分割为二个半比特区间， 半比特能带有 "0"和
"1"两种状态， 码片正能带具有 4种组合： "1 1"为最高能带以 H表 示， "10" "01"为数据能带分别以 L、 R表示， "00"为零能带以 Z表 示； 码片负能带包含半比特 " -1" 以 P表示。
3、 根据权利要求 2所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 所述 3fsk载波调制的方式为以 /。表示 载波中心频率， Δ/表示频偏， 对每个信号码片中的半比特 "0" 以 /。单 频发送，对每个信号码片中的半比特 "1"是通过 Λ信号对载波进行从 /。 到/。 +Δ/的 2fsk调制后发送， 对于每个传输码片中的半比特 是通 过 信号对载波进行从/。到/。 -Δ/的 2fsk调制后发送。
4、 根据权利要求 1至 3任意一项所述的一种基于比特能量链式编 码及信道参量的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 2中所述的通过所
1 述多级能带结构对基带信号进行链式编码， 是在每个传输码片中的半比 特" 1 "期间， 用一种低频信号 Λ对载波频率/。进行附加调制形成的， 其 中 为载波频率/。的 1/α， 即 Λ = /。 ， α为比特能量编码扩展系数。
5、 根据权利要求 4所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 所述链式编码是以 H、 Z、 P、 L、 R 五种码片对基带数据流进行链式序列编码。
6、 根据权利要求 5 所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 3中所述的比特能量提取包括： 使半比特 " 1 "或半比特 脉冲串的能量被叠加到 的高度， 然后 输出正能带 H、 L、 R、 Z码片和负能带 P码片信号。
7、 根据权利要求 5 所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 4中所述的通过解链算法还原数 字基带信号包括： 将所述 H、 L、 R、 Z正能量码片信号通过软件算法， 还原出数字基带信号。
8、 根据权利要求 1 所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 3中所述的接收载波信号并解调 包括： 当收到中心频率/。时输出 0电平， 当收到 /。+ Δ/时输出正电平， 当收到 /。- Δ/时输出负电平， 即信号码片中的半比特 "0"通过载波解调 鉴频器输出的信号为 0 电平， 信号码片中的半比特 " 1 "通过载波解调 鉴频器输出的信号为一簇正向的脉冲串， 信号码片中的半比特 通 过载波解调鉴频器输出的信号为一簇负向的脉冲串，脉冲串的频率为 Λ， 脉冲数表示比特能量 Efc的大小。
9、 根据权利要求 1 所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 3中所述的比特能带滤波包括： 将鉴频器解调输出的比特能量信号通过一个以 Λ为中心频率的窄带滤波 器， 使比特能量脉冲串通过滤波器获得 k倍增益， 而偏离中心频率 的 噪声能量则得到衰减。
10、 根据权利要求 1所述的一种基于比特能量链式编码及信道参量 的自适应通信方法， 其特征在于， 步骤 4中所述的比特同步基准的信号 输出过程为： 通过一个负能带分离 P码片， 分离后的信号再通过时程校 正形成比特同步时基链。
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