申请/专利权人：哈尔滨工业大学(威海)

申请日：2022-08-18

公开（公告）日：2024-02-27

公开（公告）号：CN115499094B

主分类号：H04L1/00

分类号：H04L1/00;H04L1/20;H03M13/11;H04B11/00;H04B13/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.27#授权;2023.04.11#实质审查的生效;2022.12.20#公开

摘要：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AD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DA转换，完成从水到空气的跨介质通信。

主权项：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AD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DA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AD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DA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kbits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＝mz，nbase＝nz，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GF2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，It-cb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,…,at-cb为要编码的t-cb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：PCMUTω∝ωAwdAah 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，Awd是水中声频率衰减，Aah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。

全文数据：

权利要求：

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