CN116016076B - 滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统及方法。所述系统包括发送端和接收端；所述方法是：在发送端进行联合索引调制，先将FBMC符号的部分比特用于选择激活的原型脉冲索引，对其余发送的信息比特和所有子载波进行分组；再各组中一部分比特用于选择激活的子载波索引，其余比特经星座符号映射调制到激活子载波上，通过滤波器组调制后形成发送信号；经水声信道作用后在接收端解调出三部分发送比特，最后合并各部分译码结果恢复出原始的数据比特。本发明将部分发送比特隐含在滤波器组和活跃子载波的激活位置信息中，灵活选择收发滤波器组基函数来匹配复杂时变的水声信道状态，降低了系统误码率，提高了系统频带利用率和抗干扰能力。

Description

滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统及方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种滤波器组联合子载波多维索引调制(MIM,Multidimensional index modulation)的水声多载波通信系统及方法。

背景技术

多载波调制技术可将高速串行传输转化为低速并行传输，增加了码元持续时间，使码间干扰程度大为降低；相关技术已被广泛应用于水声通信，并成为新一代的无线通信标准。以正交频分复用技术(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为代表的多载波高效水声通信技术体系已经日趋成熟。滤波器组多载波(FBMC,Filter BankMulti-Carrier)技术引入时频局部化特性良好的脉冲作为系统的滤波器组，相比OFDM的矩形脉冲，FBMC的脉冲在时域和频域的集中特性都比较良好，因此不再需要循环前缀，系统频谱效率大大地提升。然而目前的水声多载波通信技术中，无论是采用OFDM体制还是FBMC体制在信号初始调制方式上依旧是只采用了传统MPSK和QAM式的数字调制方式，采用这样的数字调制方式获得的信息最多是二维信息(幅度维度和相位维度)，事实上可以通过索引调制的方式增加数字调制的维度来有效的提高系统性能。

索引调制与多载波的结合可以有效提高系统的频谱利用率在陆地无线通信领域已经得到了理论验证，目前对于索引调制与水声多载波通信相结合的研究主要着眼于对子载波活跃状态的索引。然而索引调制技术作为增加信息维度的空间调制手段，应当存在一种更加泛化的索引映射方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题和不足，提供一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统及方法。

本发明对原型脉冲和子载波状态建立空频二维组合索引映射，通过索引映射方案的组合设计将部分发送比特隐含在滤波器组和活跃子载波的激活位置信息中，既能实现灵活选择收发滤波器组基函数来匹配复杂时变的水声信道状态，从而降低系统误码率，同时又能实现子载波状态控制进一步提高系统的频带利用率和抗干扰能力，有效提升水声多载波通信系统的性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统，包括发送端和接收端；

所述发送端包括原型脉冲索引模块、比特分流器、载波状态索引模块、星座映射模块、FBMC块产生器、滤波器组调制模块；

所述接收端包括均衡器、检测器、译码器和比特并流器；

比特输入信号分别作为所述原型脉冲索引模块的输入信号、比特分流器的输入信号；所述原型脉冲索引模块的输出信号传递至所述滤波器组调制模块；所述比特分流器的输出信号分别传递至载波状态索引模块、星座映射模块；所述载波状态索引模块的输出信号、星座映射模块的输出信号均传递至所述FBMC块产生器；所述FBMC块产生器的输出信号传递至所述滤波器组调制模块；所述滤波器组调制模块的输出信号作为所述发送端的输出信号；

所述发送端的输出信号作为所述均衡器的输入信号；所述均衡器的输出信号传递至所述检测器；所述检测器的输出信号传递至所述译码器；所述译码器的输出信号传递至所述比特并流器；所述比特并流器的输出信号作为所述接收端的输出信号。

进一步，所述检测器包括：原型脉冲检测模块、子载波基函数模块、FBMC块分组器、载波状态检测模块、符号检测模块；

进一步，所述译码器包括：滤波器索引译码模块、子载波索引译码模块、星座符号译码模块；

所述均衡器的输出信号传递至所述原型脉冲检测模块；所述原型脉冲检测模块的输出信号传递至所述子载波基函数模块；所述子载波基函数模块的输出信号分别传递至所述FBMC块分组器、滤波器索引译码模块；所述FBMC块分组器的输出信号传递至所述载波状态检测模块；所述载波状态检测模块的输出信号传递至所述符号检测模块；所述符号检测模块的输出信号分别传递至所述子载波索引译码模块、星座符号译码模块；所述子载波索引译码模块的输出信号、星座符号译码模块的输出信号、滤波器索引译码模块的输出信号均传递至所述比特并流器。

一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，包括发送方法和接收方法；

所述发送方法的步骤是：

步骤1：发送的二进制比特流中一部分比特用于选择激活的原型脉冲索引，其余比特经比特分流器与所有子载波平均分组，各组中部分比特用于选择激活的子载波索引，部分比特经正交振幅调制后映射到激活子载波上，各组数据经FBMC块产生器后形成完整发送数据；

步骤2：将映射后的复数星座符号实部虚部交错1/2个周期，通过步骤1中原型脉冲索引所选用的滤波器进行滤波器组多载波调制，形成发送信号送入水声信道进行传输；

所述接收方法的步骤是：

步骤3：在接收端对信道均衡后的接收符号进行解调和译码，最终将输出合并恢复出原始的发送二进制比特流。

进一步，所述步骤1中根据通信需求确定系统的子载波总数M，输入比特总数A；其中p₁比特用来选择激活的滤波器原型脉冲索引，其余B比特信息经比特分流器和子载波平均分为G组，每组p＝p₂+p₃比特信息映射到长度为K的子载波组上，A＝p₁+B＝p₁+(p₂+p₃)G，G＝M/K＝B/p；每组中仅有L个子载波被激活用于传输星座符号，其余静默子载波被置零，p₂比特用来选择激活的子载波索引，p₃比特经过星座映射成复数符号后调制到活跃子载波上。

进一步，所述各部分比特p₃＝Llog₂Q，其中表示向下取整函数，即p₁的比特数取决于所有备选的原型滤波器种类N_f，p₂的比特数取决于所有可能出现的子载波组合情况p₃的比特数取决于各组活跃子载波数量L和星座映射的调制维度Q。

进一步，所述p₁比特经过原型脉冲索引模块后输出为第n个FBMC符号的激活滤波器序号F_n∈[1,2,...,N_f]；p₂比特经过载波状态索引模块后输出为激活子载波序号I_g＝{i_g,1,i_g,2,...,i_g,L}，i_g,l∈[1,2,...,K]，g＝1,...,G，l＝1,...,L；p₃比特经过星座映射后输出为L个符号s_g＝{s_g,1,s_g,2,...,s_g,L}，s_g,l∈ζ，g＝1,...,G，l＝1,...,L，ζ表示Q维的星座集合。

进一步，所述步骤1中FBMC块产生器的输出数据为x＝[x(0),...,x(M-1)]，x(m)∈{0,ζ}，m＝0,...,M-1。

进一步，所述步骤2中经第F_n号滤波器基函数g_n(t)调制的复合索引调制发送信号表示为

其中，附加相位，子载波间隔ν和符号周期T满足ν＝1/T，a_m,n和b_m,n是x(m)的实部和虚部，由于静默子载波的引入，部分a_m,n和b_m,n可能为0值。

进一步，所述步骤3中将接收信号的均衡结果送入检测器，检测过程分为如下步骤：

步骤1：进行原型脉冲检测，通过最大似然检测确定滤波器组基函数索引信息，对进行滤波器组解调；

步骤2：经FBMC块分组器得到各组接收信号y₁～y_G；

步骤3：分组进行子载波状态检测，通过最大似然准则确定各组活跃子载波索引信息同时将活跃子载波上承载的数据符号作为待译码的星座符号

进一步，所述步骤3中将分别输入滤波器索引译码模块、子载波索引译码模块、星座符号译码模块得到相应比特，经比特并流器合并得到恢复的发送比特

本发明具有的优点和有益效果：

本发明将载波索引与FBMC的原型脉冲选择进行联合索引，通过索引映射方案的组合设计，既能实现对系统子载波的状态控制，使其具有更好的频带利用率，又能实现对原型脉冲的类型选择，灵活匹配复杂水声信道特性，进一步提升系统性能。本发明的实现能为水声通信领域提供一种新调制方式下的高速抗干扰多载波系统研究思路。

附图说明

图1为本发明一种滤波器组联合子载波多维索引调制方法示意图；

图2为本发明一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统发送端框图；

图3为本发明一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统接收端框图；

图4为本发明实施例中传统通信系统存在频谱干扰时的通信方式；

图5为本发明实施例中经子载波索引调制后的抗干扰通信方式；

图6为本发明实施例中原型脉冲与信道扩展特性匹配示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统及方法。如图1所示，本发明所述多维索引调制方法联合了滤波器组原型脉冲索引映射和子载波状态索引映射，是一种空域频域组合索引调制。所述通信系统包括发送端和接收端。

如图2所示，发送端包括原型脉冲索引模块、比特分流器、载波状态索引模块、星座映射模块、FBMC块产生器、滤波器组调制模块。根据通信需求确定系统的子载波总数M，输入比特总数A。

二进制比特流中有p₁比特用来选择激活的滤波器原型脉冲索引， 表示向下取整函数，即p₁的比特数取决于所有备选的原型滤波器种类N_f，经过原型脉冲索引模块后输出为第n个FBMC符号的激活滤波器序号F_n∈[1,2,...,N_f]。

其余B比特信息经比特分流器和子载波一起平均分为G组，每组p＝p₂+p₃比特信息映射到长度为K的子载波组上，A＝p₁+B＝p₁+(p₂+p₃)G，G＝M/K＝B/p。每组中仅有L个子载波被激活用于传输星座符号，其余静默子载波被置零，p₂比特用来选择激活的子载波索引，p₃比特经过星座映射成复数符号后调制到活跃子载波上。p₃＝Llog₂Q，p₂的比特数取决于所有可能出现的子载波组合情况p₃的比特数取决于各组活跃子载波数量L和星座映射的调制维度Q。p₂比特经过载波状态索引模块后输出为激活子载波序号I_g＝{i_g,1,i_g,2,...,i_g,L}，i_g,l∈[1,2,...,K]，g＝1,...,G，l＝1,...,L；p₃比特经过星座映射后输出为L个符号s_g＝{s_g,1,s_g,2,...,s_g,L}，s_g,l∈ζ，g＝1,...,G，l＝1,...,L，ζ表示Q维的星座集合。

表1本发明实施例中N_f＝4时的一种原型脉冲索引映射表

表2本发明实施例中时的一种载波状态索引映射表

考虑如表1所示的原型脉冲索引映射N_f＝4和表2所示的载波状态索引映射情况(选取6种载波组合中的C₁～C₄)，每个FBMC符号包含M＝512个子载波且星座符号采用4QAM调制，则此时p₁＝2、p₂＝2、p₃＝4，G＝128，进一步可以计算出发送端产生一个FBMC符号需发送770比特信息。

FBMC块产生器的输出数据为x＝[x(0),...,x(M-1)]，x(m)∈{0,ζ}，m＝0,...,M-1。经第F_n号滤波器基函数g_n(t)调制的复合索引调制发送信号表示为

其中，附加相位，子载波间隔ν和符号周期T满足ν＝1/T，a_m,n和b_m,n是x(m)的实部和虚部，由于静默子载波的引入，部分a_m,n和b_m,n可能为0值。

如图3所示，接收端包括均衡器、检测器、FBMC块分组器、译码器和比特并流器，其中检测器包括原型脉冲检测模块、子载波基函数模块、载波状态检测模块、符号检测模块，译码器包括滤波器索引译码模块、子载波索引译码模块、星座符号译码模块。在接收端将接收信号的均衡结果送入检测器。首先进行原型脉冲检测，通过最大似然检测确定滤波器组基函数索引信息

其中，η为N_f个原型滤波器组基函数集合。通过第号分析滤波器组对y进行解调得到y，经FBMC块分组器得到各组接收信号y₁～y_G；分组进行子载波状态检测，通过最大似然准则确定各组活跃子载波索引信息，最大似然检测考虑到所承载的符号有0和非0值，通过对比后验概率来确定索引位置，其中L个后验概率较大的子载波被确定为活跃子载波，其余的为静默子载波；同时将活跃子载波上承载的数据符号作为待译码的星座符号。

将分别输入滤波器索引译码模块、子载波索引译码模块、星座符号译码模块得到相应比特，经比特并流器合并得到恢复的发送比特流。

本发明的实施例进一步考虑如图4所示存在多频段窄带干扰的通信场景，未经处理的通信信号会和干扰信号频谱混叠，造成干扰，降低了通信的质量；如图5所示采用子载波索引调制后可实现多频段窄带干扰规避，提高水声通信的有效性和可靠性。进一步考虑如图6所示的滤波器组原型脉冲配适，使得当前所用滤波器组脉冲色散特性覆盖当前水声信道色散特性。综上分析，采用本发明的滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统在性能上会有较大提升。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统，包括发送端和接收端；

所述发送端包括原型脉冲索引模块、比特分流器、载波状态索引模块、星座映射模块、FBMC块产生器、滤波器组调制模块；

所述接收端包括均衡器、检测器、译码器和比特并流器；

比特输入信号分别作为所述原型脉冲索引模块的输入信号、比特分流器的输入信号；所述原型脉冲索引模块的输出信号传递至所述滤波器组调制模块；所述比特分流器的输出信号分别传递至载波状态索引模块、星座映射模块；所述载波状态索引模块的输出信号、星座映射模块的输出信号均传递至所述FBMC块产生器；所述FBMC块产生器的输出信号传递至所述滤波器组调制模块；所述滤波器组调制模块的输出信号作为所述发送端的输出信号；

所述发送端的输出信号作为所述均衡器的输入信号；所述均衡器的输出信号传递至所述检测器；所述检测器的输出信号传递至所述译码器；所述译码器的输出信号传递至所述比特并流器；所述比特并流器的输出信号作为所述接收端的输出信号。

2.如权利要求1所述的滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统，其特征在于，所述检测器包括：原型脉冲检测模块、子载波基函数模块、FBMC块分组器、载波状态检测模块、符号检测模块；

所述译码器包括：滤波器索引译码模块、子载波索引译码模块、星座符号译码模块；

所述均衡器的输出信号传递至所述原型脉冲检测模块；所述原型脉冲检测模块的输出信号传递至所述子载波基函数模块；所述子载波基函数模块的输出信号分别传递至所述FBMC块分组器、滤波器索引译码模块；所述FBMC块分组器的输出信号传递至所述载波状态检测模块；所述载波状态检测模块的输出信号传递至所述符号检测模块；所述符号检测模块的输出信号分别传递至所述子载波索引译码模块、星座符号译码模块；所述子载波索引译码模块的输出信号、星座符号译码模块的输出信号、滤波器索引译码模块的输出信号均传递至所述比特并流器。

3.一种如权利要求1或2所述的滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，包括发送方法和接收方法；

所述发送方法的步骤是：

步骤1：发送的二进制比特流中一部分比特用于选择激活的原型脉冲索引，其余比特经比特分流器与所有子载波平均分组，各组中部分比特用于选择激活的子载波索引，部分比特经正交振幅调制后映射到激活子载波上，各组数据经FBMC块产生器后形成完整发送数据；

步骤2：将映射后的复数星座符号实部虚部交错1/2个周期，通过步骤1中原型脉冲索引所选用的滤波器进行滤波器组多载波调制，形成发送信号送入水声信道进行传输；

所述接收方法的步骤是：

步骤3：在接收端对信道均衡后的接收符号进行解调和译码，最终将输出合并恢复出原始的发送二进制比特流。

4.根据权利要求3所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，步骤1中所述根据通信需求确定系统的子载波总数M，输入比特总数A；其中p₁比特用来选择激活的滤波器原型脉冲索引，其余B比特信息经比特分流器和子载波平均分为G组，每组p＝p₂+p₃比特信息映射到长度为K的子载波组上，A＝p₁+B＝p₁+(p₂+p₃)G，G＝M/K＝B/p；每组中仅有L个子载波被激活用于传输星座符号，其余静默子载波被置零，p₂比特用来选择激活的子载波索引，p₃比特经过星座映射成复数符号后调制到活跃子载波上。

5.根据权利要求4所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，所述各部分比特p₃＝L log₂Q，其中表示向下取整函数，即p₁的比特数取决于所有备选的原型滤波器种类N_f，p₂的比特数取决于所有可能出现的子载波组合情况p₃的比特数取决于各组活跃子载波数量L和星座映射的调制维度Q。

6.根据权利要求4所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，所述p₁比特经过原型脉冲索引模块后输出为第n个FBMC符号的激活滤波器序号F_n∈[1,2,...,N_f]；p₂比特经过载波状态索引模块后输出为激活子载波序号I_g＝{i_g,1,i_g,2,...,i_g,L}，i_g,l∈[1,2,...,K]，g＝1,...,G，l＝1,...,L；p₃比特经过星座映射后输出为L个符号s_g＝{s_g,1,s_g,2,...,s_g,L}，s_g,l∈ζ，g＝1,...,G，l＝1,...,L，ζ表示Q维的星座集合。

7.根据权利要求3所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤1中FBMC块产生器的输出数据为x＝[x(0),...,x(M-1)]，x(m)∈{0,ζ}，m＝0,...,M-1。

8.根据权利要求3所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤2中经第F_n号滤波器基函数g_n(t)调制的复合索引调制发送信号表示为

其中，附加相位子载波间隔ν和符号周期T满足ν＝1/T，a_m,n和b_m,n是x(m)的实部和虚部，由于静默子载波的引入，部分a_m,n和b_m,n可能为0值。

9.根据权利要求3所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤3中将接收信号的均衡结果送入检测器，检测过程分为如下步骤：

步骤1：进行原型脉冲检测，通过最大似然检测确定滤波器组基函数索引信息对进行滤波器组解调；

步骤2：经FBMC块分组器得到各组接收信号y₁～y_G；

步骤3：分组进行子载波状态检测，通过最大似然准则确定各组活跃子载波索引信息同时将活跃子载波上承载的数据符号作为待译码的星座符号

10.根据权利要求3所述的一种滤波器组联合子载波多维索引调制水声通信系统的通信方法，其特征在于，所述步骤3中将分别输入滤波器索引译码模块、子载波索引译码模块、星座符号译码模块得到相应比特，经比特并流器合并得到恢复的发送比特流。