阅读说明：本技术 基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法 (Index modulation underwater acoustic multi-carrier communication method based on wavelet packet transformation ) 是由 张岑 王彪 吴游 何呈 梁仕杰 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法,包括如下步骤：(1)在发送端将发送信号串并变换并进行子载波分块；(2)对子载波块进行索引映射获得索引调制信号；(3)将除索引信号外的发送信号进行星座调制获得调制信号；(4)在获得上述索引信号和调制信号的基础上利用小波包变换实现多载波调制；(5)对水声通信信道进行均衡操作,消除多径影响；(6)在接收端根据索引信号解调出发送信号。本发明主要适用于通信信道复杂,通信带宽受限的水下通信系统,有效的提升水声通信的频谱效率和通信速率同时保证通信系统的抗干扰性。(The invention discloses an index modulation underwater acoustic multi-carrier communication method based on wavelet packet transformation, which comprises the following steps: (1) the sending signal is converted in series and parallel at a sending end, and sub-carrier blocking is carried out; (2) carrying out index mapping on the subcarrier block to obtain an index modulation signal; (3) carrying out constellation modulation on the transmitted signals except the index signal to obtain a modulation signal; (4) realizing multi-carrier modulation by utilizing wavelet packet transformation on the basis of obtaining the index signal and the modulation signal; (5) carrying out equalization operation on the underwater acoustic communication channel to eliminate multipath influence; (6) and demodulating the sending signal at the receiving end according to the index signal. The invention is mainly suitable for an underwater communication system with complex communication channels and limited communication bandwidth, effectively improves the frequency spectrum efficiency and the communication rate of underwater acoustic communication and simultaneously ensures the anti-interference performance of the communication system.)

基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，具体涉及一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法。

背景技术

水声通信信道由于受到极其受限的通信带宽，复杂的背景噪声，严重的多径效应以及多普勒平移等干扰的影响，使得水下无线通信相比较与陆地无线通信发展缓慢落后。传统的无线多载波技术在水声通信领域应用受限。

目前应用于水声通信的多载波技术主要是正交频分复用(OFDM)技术。然而由于这种传统的OFDM技术是采用方波作为成型脉冲，会在频域导致比较严重的带外泄漏。同时为了对抗载波间干扰，OFDM技术在调制端需要加入循环前缀来缓减载波/码间干扰(ICI/ISI)，这又导致了频谱效率和数据传输速率的降低。

克服水声信道的时延畸变引发的码间干扰是实现水声高质量通信的关键。信道均衡技术是克服码间干扰一种有效技术。通过对信道冲激响应的估计，消除接收信号中的信道影响，从而消除码间干扰。时间反转镜技术(TRM)可以利用自聚焦性修正波形畸变，从而获得很高的聚焦增益。但是该技术的信息码元需要在通信前先经过一次水声信道并接受后进行时反操作作为真正的通信码元，这就增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明提供了一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法，以解决现有技术中通信技术频谱率低，数据传输速率低的技术问题。

本发明提供了一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法，包括发射端的调制过程、传输过程以及接收端的解调过程，其中所述发射端的调制过程包括如下步骤：

步骤1：将待发送信号先进行串并变换再进行子载波分块，获得子载波块；

步骤2：对所述子载波块进行索引映射，获得索引调制信号；

步骤3：将所述索引调制信号中的待发送信号部分进行调制，获得初步调制信号；

步骤4：通过小波包变换对所述初步调制信号进行多载波调制，获得调制信号，完成发射端的调制过程；

传输过程包括对水声通信信道进行均衡操作；

接收端的解调过程包括将接收到的调制信号根据索引信号解调，获得发送信号。

进一步地，所述步骤1中获得的子载波块中的子载波根据索引来决定活跃或者静默的状态。

进一步地，所述步骤3中将将所述索引调制信号中的待发送信号部分进行正交振幅调制，获得初步调制信号。

进一步地，所述步骤4中通过小波包变换对所述初步调制信号进行多载波调制的具体公式如下：

其中，“a_s,m”是星座编码的第s个数据符号，用于调制第m个波形；是满足公式

的正交小波波形，<·,·>数学运算符号表示一次内积运算，运算结果在m＝n时为0，其他为1。

进一步地，所述传输过程中对水声信道进行信道均衡，具体方法为：通过虚拟时间反转镜方法水声信道进行信道均衡，具体公式如下：

其中，“s(t)”表示发送信号；“h(t)”表示真实水声信道冲击响应；“h'(-t)”表示估计出的信道时反。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法，采用了小波包调制技术，通过小波包波形选择与时频的二叉树裁剪，获得比传统多载波方法更优良的抗干扰性能；采用了索引映射技术，通过增加一维索引信号，在不增加额外带宽的情况下，获得了更高的频谱效率和数据传输速率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明中一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法的流程图；

图2为本发明中一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法的模型示意图；

图3为本发明利用虚拟时间反转镜实现信道均衡的流程图。

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。

图1所示，本发明实施例提供一种基于小波包变换的索引调制水声多载波通信方法，包括发射端的调制过程、传输过程以及接收端的解调过程，其中发射端的调制过程包括如下步骤：

步骤S1：将待发送信号先进行串并变换再进行子载波分块，获得子载波块，每个子载波块中的子载波根据索引来决定其是活跃状态还是静默状态；

步骤S2：对子载波块进行索引映射，获得索引调制信号。索引调制是通过索引码来对子载波块中的子载波进行选择，决定子载波在发送信息时的状态，子载波的状态有两种，一种是静默状态，该状态下对应位置的索引码为0；一种是活跃状态，该状态下索引码对应位置为1；

步骤S3：为了使二进制信号在传输过程中具有一定的抗干扰性，并且提高信息传输的效率，将索引调制信号中的待发送信号部分进行正交幅度数字调制调制，获得初步调制信号；

步骤S4：通过小波包变换对初步调制信号进行多载波调制，获得调制信号，完成发射端的调制过程，具体公式如下：

其中，“a_s,m”是星座编码的第s个数据符号，用于调制第m个波形；

是满足公式

的正交小波波形，<·,·>数学运算符号表示一次内积运算，运算结果在m＝n时为0，其他为1；

步骤S5：传输过程包括通过虚拟时间反转镜方法水声信道进行信道均衡，具体公式如下：

其中，“s(t)”表示发送信号；“h(t)”表示真实水声信道冲击响应；“h'(-t)”表示估计出的信道时反，将h(t)与h'(-t)作卷积，当两者相匹配时，信道的多径信号能量叠加，产生聚焦效应来抑制多径干扰。

步骤S6：接收端的解调过程包括将接收到的调制信号根据索引信号解调出对应的活跃子载波，获得原待发送信号。

如图2所示，设总待发送信号的传输数据有mbits，总子载波数为N。在数据输入端将mbits的数据分成g个子载波块，每个子载波块pbits数据，这p个数据一部分(p₁bits)用于索引调制，另一部分(p₂bits)由n个子载波进行传输，其中，n＝N/g。同时在每个子载波块中只有k(k≤n)个子载波用于传输数据，其他子载波处于静默状态。子载波的活跃或静默状态由p₁bits的索引决定。

如图3所示，在获得接收信号时首先进行多普勒补偿，之后估计信道并进行时间转，将反转信号和估计信道作卷积输出信号。虚拟时间反转镜(VTRM)是将接收到的信号r₁(t)与估计出的信道时反h'(-t)作卷积，作为最终虚拟接收到的信号r₂(t)，其过程表达式如下：

记：

其可视为系统最终经过的信道冲激响应。

是水声信道冲激响应h(t)与其估计h'(t)的互相关函数，当h'(t)匹配于h(t)时，多径信号能量叠加，产生聚焦效应，近似于信道h(t)的自相关函数，其主峰幅度明显高于旁瓣即其它多径信号，这样可以明显抑制海洋信道多径信号的干扰影响并获得了聚焦增益。信道多途扩展越复杂的情况下，其自相关峰越尖锐，即越接近于理想信道。

在接收端可以根据索引以查表的方式解调出活跃子载波的原始发送信息，查表示例如表1所示：

利用两位索引码来表示四个子载波的状态，在接收端根据接收到索引码的不同，解调出处于活跃状态的子载波信息。例如接收端收到的索引码为00，则相应处于活跃状态的子载波为第一和第二个子载波，活跃子载波携带有效信，第三第四个子载波处于静默状态，静默子载波不携带有效信息。通过如上的查表方法可以解调出活跃子载波的原始发送信息。

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。