CN114978838B - 一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗谐波干扰的极化码编码调制和通信方法，属于信道编码调制技术领域，包括：确定出满足要求的索引集合，从索引集合中选择K个目标比特信道作为信息位并用K个原始信息比特进行赋值，其余为冻结位，并将冻结位均赋值为0，得到u序列；将其与极化码生成矩阵相乘得到目标极化码码字；利用预设调制方式对目标极化码码字进行调制及频偏得到发送信号，发送信号的频谱以谐波干扰的频率kf_I为陷带中心。由于极化码的编码方式为信息比特与固定比特按码率组合再乘以生成矩阵。其生成矩阵具有规律的结构特性，故生成码字二进制序列亦具有规律性。利用极化码生成码字的规律性，结合恒包络调制，即可克服OFDM抗干扰方案的劣势。

Description

一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法

技术领域

本发明属于通信调制技术领域，更具体地，涉及一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法。

背景技术

随着电子线路技术的快速发展，电力***中为提高电力***工作效率而日益增加的非线性电子设备的使用，导致越来越显著的工频谐波辐射现象。

正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是典型的抗谐波干扰技术。从OFDM子载波的频谱不难发现，一路子载波的中心频率正是其频域上相邻两路子载波频谱的第一谱零点。若禁用整个复用方案中的某一路子载波来承载信号，就会在最终生成的发送信号的频谱上留下一个零点。更进一步地，由每一路信号的幅度谱可以得知，这一零点附近也正构成信号的一个陷带。所以，通过禁用工频干扰及其谐波频率上的子载波，即可成形出具有以干扰频率为陷带中心的频谱的信号。因此，OFDM是用于对抗工频干扰的一种可行方案。然而，OFDM信号作为一种非恒包络的信号，带有峰均功率比过大，以至于会在相当程度上射频功率放大器的效率的缺点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法，其目的在于通过确定出满足预设条件的索引集合利用其构造极化码码字并进行调制和频偏得到发送信号，所述发送信号的频谱以所述谐波干扰的频率kf_I为陷带中心，由此解决现有OFDM信号干扰强、通信效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法，包括：

S1：确定出比特信道的索引集合所述索引集合/>对应的极化码生成矩阵的各行的任一GF(2)域线性组合按照预设调制方式进行调制及频偏，得到各自对应的调制频偏信号，各个所述调制频偏信号的频谱均以谐波干扰的频率kf_I为陷带中心，/>f_I为所述谐波干扰的基频；

S2：从所述索引集合中选择K个目标比特信道用以承载信息比特，/>

S3：以所选的K个目标比特信道作为信息位，其余为冻结位，将K个原始信息比特赋值至所述信息位，并将冻结位均赋值为0，得到u序列；将所述u序列与对应极化码生成矩阵相乘得到目标极化码码字；

S4：利用所述预设调制方式对所述目标极化码码字进行调制及频偏得到发送信号；记极化码码长为符号速率为R_b，则R_b满足R_b＝2^l·f_I，l∈z∧l≤m-1；所述发送信号的频谱以所述谐波干扰的频率kf_I为陷带中心。

在其中一个实施例中，所述S1包括：

当所述预设调制方式为MSK时，确定出码长为2^m的极化码对应的所述索引集合 为集合族/>中的一个元素，记其在/>中的序号为p；其中集合族/>定义如下：

在其中一个实施例中，所述S1包括：

当所述预设调制方式为pi/2-BPSK的条件下时，确定出码长为2^m的极化码对应的所述索引集合 为集合族/>中的一个元素，记其在/>中的序号为p，其中集合族定义如下：

其中，

在其中一个实施例中，所述S1中：

即/>在/>中的序号是r_M，记/>在/>中的序号为p，即p＝r_M；

所述S2包括：

从集合族中挑选出抗噪声性能最强的一个元素，称为原始集合，记作/>即其在/>中的序号为q，并从集合/>中选取K个信道容量较大的比特信道，称为原始比特信道；

按照预设映射关系将所述K个原始比特信道进行映射得到所述索引集合/>中的K个目标比特信道。

在其中一个实施例中，所述预设映射关系f为：

其中，a为所述原始比特信道的序号，f(a)为所述目标比特信道的序号，b_d为a的二进制形式第d位的比特。

在其中一个实施例中，所述S4中：

其中，频偏为其中p为/>在/>中的序号，n为非负整数；s₀(t)为调制后未进行频偏的信号，s(t)为所述发送信号。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码通信方法，包括：

发送阶段：利用上述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法得到发送信号，并发送出去；

接收阶段：接收所述发送信号对应的接收信号，利用所述预设调制方式对应的解调方式进行解调得到解调结果，将所述解调结果进行译码得到信息序列的判决。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码发射机，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的极化码编码调制方法的步骤。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码解调解码方法，包括：

S21：对接收信号进行梳状陷波滤波，滤除工频谐波干扰成分；所述接收信号与发送信号对应；

S22：去除调制时添加的频偏，将信号还原到基带；

S23：对滤波后信号进行pi/2-bpsk解调；

S24：将解调结果按映射f的逆映射f^-1重排；

S25：对重排解调结果采用极化码译码器对所述K个原始比特信道译码，得到承载的信息比特。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码接收机，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的极化码解调解码的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的抗谐波干扰的极化码编码调制方法，首先确定出满足要求的索引集合从所述索引集合/>中选择K个目标比特信道用以承载信息比特，以所选的K个目标比特信道作为信息位，其余为冻结位，将K个原始信息比特赋值至所述信息位，并将冻结位均赋值为0，得到u序列；将所述u序列与对应极化码生成矩阵相乘得到目标极化码码字；利用所述预设调制方式对所述目标极化码码字进行调制及频偏得到发送信号，所述发送信号的频谱以所述谐波干扰的频率kf_I为陷带中心。由于极化码的编码方式为信息比特与固定比特按码率组合，再乘以生成矩阵。其生成矩阵为/> 的Kronecker幂形式，具有规律的结构特性。因此，生成码字二进制序列也具有一定的规律性。本发明利用极化码生成码字的规律性，结合恒包络调制，即可克服OFDM抗谐波干扰方案的劣势，提供即具有恒包络性质，又在谐波频率处没有频谱分量的信号频谱。具有这种频谱的信号，在接收端经过梳状陷波滤波器抑制谐波干扰后，信号受到的失真很小，有利于可靠传输数据。本发明中符号速率的设定、比特信道的索引集合/>的选择和频偏的选择保证了可在频率kf_I处形成陷带中心。本发明/>中比特信道的选择保障了通信的抗噪声能力。

附图说明

图1是本发明一实施例中抗谐波干扰的极化码编码调制方法的流程图；

图2是本发明一实施例中发送信号的功率谱密度图；

图3是图2的发送信号的功率谱密度图的局部放大。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法，包括：

S1：确定出比特信道的索引集合索引集合/>对应的极化码生成矩阵的各行的任一GF(2)域线性组合按照预设调制方式进行调制及频偏，得到各自对应的调制频偏信号，各个调制频偏信号的频谱均以谐波干扰的频率kf_I为陷带中心，k∈z，f_I为谐波干扰的基频；

S2：从索引集合中选择K个目标比特信道用以承载信息比特，/>

S3：以所选的K个目标比特信道作为信息位，其余为冻结位，将K个原始信息比特赋值至信息位，并将冻结位均赋值为0，得到u序列；将u序列与对应极化码生成矩阵相乘得到目标极化码码字；

S4：利用预设调制方式对目标极化码码字进行调制及频偏得到发送信号，发送信号的频谱以谐波干扰的频率kf_I为陷带中心。

记极化码码长为符号速率为R_b，则R_b满足R_b＝2^l·f_I，l∈z∧l≤m-1。图2是本发明一实施例中发送信号的功率谱密度图；图3是图2的发送信号的功率谱密度图的局部放大。

在其中一个实施例中，S1包括：

当预设调制方式为MSK时，确定出码长为2^m的极化码对应的索引集合 为集合族/>中的一个元素，记其在/>中的序号为p；其中集合族/>定义如下：

在其中一个实施例中，S2包括：

从集合族中挑选出抗噪声性能最强的一个元素，称为原始集合，记作/>记其在/>中的序号为q，并从集合/>中选取K个信道容量最大的比特信道，称为原始比特信道；

按照预设映射关系将K个原始比特信道进行映射得到索引集合/>中的K个目标比特信道。

在其中一个实施例中，预设映射关系f为：

其中，a为原始比特信道的序号，f(a)为目标比特信道的序号，b_d为a的二进制形式第d位的比特。

在其中一个实施例中，S4中：

其中，频偏为其中p为/>在/>中的序号，n为非负整数；s₀(t)为调制后未进行频偏的信号，s(t)为发送信号。

在其中一个实施例中，S1包括：

当预设调制方式为pi/2-BPSK的条件下时，确定出码长为2^m的极化码对应的索引集合 为/>中序号为r_M的元素，记p＝r_M；其中集合族/>及序号r_M定义如下：

举例来说，码长为256，码率为1/4，含有19位CRC的极化码，即信息位数K为的256长度极化码，经过pi/2-BPSK调制，符号速率R_b为800Hz，采样率为6400Hz，并通过加性高斯白噪声(Additional White Gaussian Noise，AWGN)信道，且受到50Hz工频的谐波干扰，即f_I＝50Hz，其编码调制和解调译码方案如下文所述。

依照上文，首先，在发送端，确定集合族为

再选取p＝r_M＝3，确定为/>中的第3个元素，即

随后，在集合中选取K＝83个目标比特信道，即，确定原始集合/> 并在原始集合{128，129，...，255}中，选取极化码经pi/2-BPSK调制和AWGN信道的信道容量最高的83个比特信道。记这83个比特信道索引的集合为/>这些比特信道即为原始比特信道，将其通过映射f映射为最终选择的目标比特信道，f定义如下：

f(a)＝b₆b₅b₄b₇b₃b₂b₁b₀；

也就是说将二进制的第m-q-1＝8-0-1＝7位放到第m-p-1＝8-3-1＝4位上，剩下的各位按原有顺序排列。如，171＝10101011₍₂₎，因此映射为01011011₍₂₎，即91。如此即可得到作为子集的信息位集合/>

然后，根据得到的信息位集合对含19位CRC的信息序列/>进行极化码构造和编码，即，将信息位依次赋值为信息比特，即/> 并将冻结位均赋值为0，即/>其中/>为信息序列，而/>为构造后的序列；随后将构造后的序列与极化码的生成矩阵F₂₅₆相乘，得到码字/>其中 表示8次Kronecker幂。

其次，编码完成后，对码字进行pi/2-BPSK调制，即，先将码字/>按BPSK映射/>映射为符号序列/>再将/>的偶子列相位偏移/>将得到的序列做8倍上采样，最后与周期为32采样点的半波正弦序列卷积，得到预发送信号s₀[n]。

最后，设置频率偏移即，作为发送信号发送出去。

另外，在接收端，首先对接收信号r[n]进行梳状滤波，具体来说是梳状陷波滤波，滤除工频谐波干扰成分，再对滤波得到的信号r_f[n]进行与发送端相反的频率偏移-f_off＝-25Hz，即 之后，将处理后的信号r₀[n]送入pi/2-BPSK解调器解调，即，将r₀[n]与周期为32采样点的半波正弦序列卷积，再做8倍下采样，并取偶子列的虚部和奇子列的实部，得到解调结果。将解调结果按映射f的逆映射f^-1重排，再与比特翻转矩阵B₂₅₆相乘，最后将结果送入极化码译码器进行译码，从译码得到的/>即u序列判决结果中，取出索引为/>中元素的比特，即原始比特信道上承载的信息，作为/>也就是含19位CRC的信息序列/>的判决结果，即/>

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码通信方法，包括：

发送阶段：利用上述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法得到发送信号，并发送出去；

接收阶段：接收所述发送信号对应的接收信号，利用所述预设调制方式对应的解调方式进行解调得到解调结果，将所述解调结果进行译码得到信息序列的判决。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码发射机，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的极化码编码调制方法的步骤。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码解调解码方法，包括：

S21：对接收信号进行梳状陷波滤波，滤除工频谐波干扰成分；所述接收信号与发送信号对应；

S22：去除调制时添加的频偏，将信号还原到基带；

S23：对滤波后信号进行pi/2-bpsk解调；

S24：将解调结果按映射f的逆映射f^-1重排；

S25：对重排解调结果采用极化码译码器对所述K个原始比特信道译码，得到承载的信息比特。

按照本发明另个方面，还提供一种抗谐波干扰的极化码接收机，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的极化码解调解码的步骤。

在其中一个实施例中，当发送阶段中的预设调制方式为pi/2-BPSK且S2中利用预设映射关系f进行映射时，接收阶段中将解调结果进行译码得到信息序列的判决，包括：

将解调结果对应的对数似然比序列y按预设映射关系f的逆映射f^-1进行重排得到y′，即y′(f^-1(i))＝y(i)，将y′进行译码得到判决。

按照本发明的另一方面，提供了一种抗谐波干扰的极化码通信设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的方法的步骤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抗谐波干扰的极化码编码调制方法，其特征在于，包括：

S1：确定出比特信道的索引集合所述索引集合/>对应的极化码生成矩阵的各行的任一GF(2)域线性组合按照预设调制方式进行调制及频偏，得到各自对应的调制频偏信号，各个所述调制频偏信号的频谱均以谐波干扰的频率kf_I为陷带中心，k∈z，f_I为所述谐波干扰的基频；

S2：从所述索引集合中选择K个目标比特信道用以承载信息比特，/>

S3：以所选的K个目标比特信道作为信息位，其余为冻结位，将K个原始信息比特赋值至所述信息位，并将冻结位均赋值为0，得到u序列；将所述u序列与对应极化码生成矩阵相乘得到目标极化码码字；

S4：利用所述预设调制方式对所述目标极化码码字进行调制及频偏得到发送信号；记极化码码长为N＝2^m，符号速率为R_b，则R_b满足R_b＝2^l·f_I，l∈z∧l≤m-1；所述发送信号的频谱以所述谐波干扰的频率kf_I为陷带中心；所述发送信号s(t)表示为：频偏为/>p为/>在/>中的序号，n为非负整数；s₀(t)为调制后未进行频偏的信号。

2.如权利要求1所述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法，其特征在于，所述S1包括：

当所述预设调制方式为MSK时，确定出码长为2m的极化码对应的所述索引集合 为集合族/>中的一个元素，记其在/>中的序号为p；其中集合族/>定义如下：

3.如权利要求1所述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法，其特征在于，所述S1包括：

当所述预设调制方式为pi/2-BPSK的条件下时，确定出码长为2^m的极化码对应的所述索引集合 为集合族/>中的一个元素，记其在/>中的序号为p，其中集合族/>定义如下：

其中，

4.如权利要求3所述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法，其特征在于，所述S1中：

即/>在/>中的序号是r_M，记/>在/>中的序号为p，即p＝r_M；

所述S2包括：

从集合族中挑选出抗噪声性能最强的一个元素，称为原始集合，记作/>即其在/>中的序号为q，并从集合/>中选取K个信道容量较大的比特信道，称为原始比特信道；

按照预设映射关系将K个所述原始比特信道进行映射得到所述索引集合中的K个目标比特信道。

5.如权利要求4所述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法，其特征在于，所述预设映射关系f为：

f(a)＝b_{{m-p-1，...，m-1}\(m-q-1)}b_m-q-1b_{{0，…，m-p-2}\(m-q-1)}；

其中，a为所述原始比特信道的序号，f(a)为所述目标比特信道的序号，b_d为a的二进制形式第d位的比特。

6.一种抗谐波干扰的极化码通信方法，包括：

发送阶段：利用权利要求1-5任一项所述的抗谐波干扰的极化码编码调制方法得到发送信号，并发送出去；

接收阶段：接收所述发送信号对应的接收信号，利用所述预设调制方式对应的解调方式进行解调得到解调结果，将所述解调结果进行译码得到信息序列的判决。

7.一种抗谐波干扰的极化码发射机，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任一项所述的极化码编码调制方法的步骤。

8.一种抗谐波干扰的极化码解调解码方法，其特征在于，包括：

S21：对接收信号进行梳状陷波滤波，滤除工频谐波干扰成分；所述接收信号与权利要求4或5中的发送信号对应；

S22：去除调制时添加的频偏，将信号还原到基带；

S23：对滤波后信号进行pi/2-BPSK解调；

S24：将解调结果按映射f的逆映射f^-1重排；

S25：对重排解调结果采用极化码译码器对K个所述原始比特信道译码，得到承载的信息比特。

9.一种抗谐波干扰的极化码接收机，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述的极化码解调解码的步骤。