CN100394695C - 适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法，包括如下步骤：S01：发送端选择删除矩阵P₁构造出码率为b/V(V₀＜V)的删除型卷积码；S02：发送端根据b个等价删除矩阵构造b个不同的等价卷积码；S03：发送端从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字；S04：发送端采用频率分集传输p个互补卷积码字；S05：接收端根据已知的互补删除矩阵对接收的互补码字进行适当控制，并将其送入Viterbi译码器进行简化译码，进行纠错。

Description

适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法

技术领域

本发明涉及一种分集传输的互补卷积码构造方法，特别是指一种适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法。

背景技术

数字音频广播(DAB)是一种全数字方式多载波无线传输系统，它采用了先进的数字处理新技术实现无线信道信号传输。与传统的模拟广播相比，DAB具有极强的多径衰落抑制能力、先进的纠错性能、类激光唱盘(CD)音质、系统容量大和覆盖范围广等突出的优点。由于广播仅占用有限的频率资源，DAB对频率资源的不同占用方式导致了DAB不同的制式：以欧洲Eureka-147DAB为代表的专用频率制式和以美国IBOCDAB为代表的带内同频道(IBOC)制式。

Eureka-147DAB源于20世纪80年代末，经欧洲电信标准协会(ETSI)标准化后，于1995年秋在英国和瑞典正式投入使用。Eureka-147DAB接收机的价格一直居高不下，而且与现有AM，FM模拟广播不兼容，使Eureka-147DAB的推广和普及十分艰难。

而IBOC DAB与当前正在使用的模拟广播电台使用相同载波频率，依靠频率分隔和调制方式的不同，同播模拟和数字两种节目。FM广播所使用的频段是实现DAB的理想频段。FM IBOC DAB系统将数字音频信号放在与模拟信号相同的频带内，实现同一FM广播节目的模拟信号和数字信号混合同播模式(Hybrid mode)，附图1所示是某一FM Hybrid IBOC信号的功率谱。

大量的模拟和分析表明，工作于Hybrid模式的FM IBOC DAB中的数字边带DAB信号位于距模拟主FM中心频率129kHz到197kHz之间时，对其模拟主FM性能影响最小。但是，相邻频道之间的干扰却总是存在的。附图2显示了基于频道间隔为200kHz体制的第一邻频道对于主FM频道的干扰情况，其中虚线三角形全部覆盖了主FM的上数字边带部分(其实干扰是相互的：主FM中的实线三角形也同样覆盖了虚线的下数字边带)，可见，第一邻频道对于主FM频道中数字边带的干扰是毁灭性的。

研究表明，如果保证电台的频道分割和地理布局最优化，则不可能同时出现±200KHz第一邻频道干扰，这就可以保证频率分集传输中至少有一个边带未受其干扰。

如果采用冗余的频率分集传送技术(如数字双边带)分别传送相同码字的编码组合方案，在没有互补删除约束条件下，可以构造出每个边带的最优高码率码字；但实践表明，至少在我们所研究的范围内，采用互补结构的卷积码进行频率分集传送具有明显的优势。尽管传送相同码字可以使那些最好的单边带码字具有相对较低的平均信息比特错误重量，但却严重损害了双边带组合时码字的自由距离。虽然相同码字的编码组合可以得到两倍于单边带码字的有效自由距离，但是采用互补删除对全带宽码字的自由距离要更大。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种基于互补结构的卷积编码构造方法，采用频率分集联合传输这种互补卷积码，能够有效地克服信道干扰导致的传输数据破坏或丢失等问题，获得较高的渐近编码增益。仿真结果和分析表明，同基于相同卷积码对的编码组合传输相比，互补卷积码联合传输可以得到1～2个dB的渐进编码增益。而且，编码器(发射端)和译码器(接收机)硬件复杂度增加极小。

本发明一种适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法，在发送端，以码率为1/V₀的卷积码作为母码，选择特定的删除矩阵P₁进行删除，构造出码率为b/V，其中V₀＜V的删除型卷积码；根据P₁构造b个等价删除矩阵，据此构造b个不同的等价卷积码，等价码字具有相同的距离特性和相同的纠错性能；按照互补结构卷积码的定义，从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字；然后采用频率分集传输，接收端根据特定的互补删除矩阵，对接收的互补删除码字进行适当控制，并将其送入维特比译码器进行简化译码，其特征在于，包括如下步骤：

S01：发送端选择删除矩阵P₁构造出码率为b/V的删除型卷积码；

S02：发送端根据b个等价删除矩阵构造b个不同的等价卷积码；

S03：发送端从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字；

S04：发送端采用频率分集传输p个互补卷积码字；

S05：接收端根据已知的互补删除矩阵对接收的互补码字进行适当控制，并将其送入维特比译码器进行简化译码，进行纠错。

其中发送端以码率为1/V₀的卷积码作为母码，选择特定的删除矩阵P₁进行删除，构造出码率为b/V的删除型卷积码；

其中根据P₁构造b个等价删除矩阵，据此构造b个不同的等价卷积码。

其中按照互补结构卷积码的定义，从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字。

其中发送端采用频率分集传输p个互补卷积码字。

其中接收端根据已知的互补删除矩阵对接收的互补码字进行适当控制，并将其送入维特比译码器进行简化译码，进行纠错。

其中发送端构造的互补卷积码的性能取决于设定参数：卷积码存贮深度m、删除矩阵P₁、等价删除矩阵P_i，(i＝1，2，…，b)、BPSK或QPSK等数字调制方式；同样的卷积母码设定不同的卷积码存贮深度m、删除矩阵P₁、等价删除矩阵P_i，(i＝1，2，…，b)、BPSK或QPSK等数字调制方式时，渐近编码增益会有差异。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合FM IBOC DAB互补卷积码构造实施例及附图(表)详细说明如后，其中：

图1是某一FM Hybrid IBOC信号的功率谱。其中，虚线表示的三角形是模拟FM信号的频谱，FM两边的实线矩形表示DAB第一数字边频。

图2是基于频道间隔为200kHz体制的第一邻频道(距主FM中心频率+200kHz处，虚线部分)对于主FM频道(实线)的干扰情况；

图3是(n₀-1)/n₀码率删除型卷积码及其Viterbi译码的框图；

图4是1/V₀码率母码构造一族码率为b/V的互补删除型卷积码字算法流程图；

图5是三种2/5码率全带宽卷积码基于蒙特卡罗仿真的BER仿真曲线。

具体实施方式

请参阅图3和图4，本发明涉及一种适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法。在发送端，以码率为1/V₀的卷积码作为母码，选择特定的规则(删除矩阵P₁)进行删除(Punctured)，构造出码率为b/V(V₀＜V)的删除型卷积码；根据P₁构造b个等价删除矩阵，据此构造b个不同的等价卷积码，等价码字具有相同的距离特性和相同的纠错性能；按照互补结构卷积码的定义，从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字；然后采用频率分集(如数字双边带技术)传输。接收端根据特定的互补删除矩阵，对接收的互补删除码字进行适当控制，并将其送入Viterbi译码器进行简化译码。其特征在于，包括如下步骤：

S01：发送端选择删除矩阵P₁构造出码率为b/V(V₀＜V)的删除型卷积码；

S02：发送端根据b个等价删除矩阵构造b个不同的等价卷积码；

S03：发送端从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字；

S04：发送端采用频率分集传输p个互补卷积码字；

S05：接收端根据已知的互补删除矩阵对接收的互补码字进行适当控制，并将其送入Viterbi译码器进行简化译码，进行纠错。

在VB译码中，由于译码器的复杂性随2^k ₀ ^m指数增长，因此一般采用(2，1，m)码，码率较低。为了提高码率，而且又不使译码器复杂性增加，常常对(2，1，m)码按照一定规则进行删除(Punctured)。删除规则可以用删除矩阵来定义，以码率为1/V₀的卷积码作为母码，可以构造出码率为b/V(V₀＜V)的删除型卷积码。删除矩阵具有V₀行和b列，每一行与码率为1/V₀的卷积编码器V₀个输出母码中的某一位对应，每一列与一个编码周期相对应。矩阵中的元素由1或0构成，“1”表示码率为1/V₀的卷积编码器输出母码中对应的该位码元传输，“0”则表示该位码元删除。例如，根据如(1)所给出的删除矩阵P₀，可以从(2，1，6)的母码中产生(8，7，6)的删除型卷积码：

$P_0=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 1& 1& 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$ $Q_1=\left[\begin{array}{ccccccc}2& 1& 1& 2& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& 2& 1& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

附图3是(n₀-1)/n₀码率删除型卷积码生成及其Viterbi译码的流程图。附图3(a)中包括(2，1，6)卷积编码器、互补删除矩阵和有关控制和定时单元；附图3(b)中的译码器收到码字后，按照已知的删除规则在相应的删除码字位置上插入特定的虚假码元，然后进入(2，1，6)码的VB译码器进行译码(在译码时禁止对插入的虚假码元做度量计算)。

类似地，还可以以码率为1/V₀的母码按照一定的重复规则来构造码率为b/(bV₀+1)重复(Repetition)型卷积码，其中，l≥1。重复规则采用重复矩阵表示，矩阵共有V₀和b列。和删除矩阵不同的是，重复矩阵的每一个元素都是大于或等于1的，表示母码输出中对应位的重复次数。根据如(2)给出的重复矩阵Q₁，可以从码率为1/2的(2，1，6)卷积码中构造出码率R＝7/17的重复型卷积码。

定义：设C₁和C₂两个码字是以原始码率为1/V₀的母码构造出的具有相同码率的删除或重复卷积码，如果其中某一码字所对应的删除或重复矩阵中的b列是由另外一个码字所对应的删除或重复矩阵中的b列经过循环左移(或右移)而产生的，则称C₁和C₂是等价的。如(3)中的3个删除矩阵产生的码率为5/6的码是等价的：

$P_1=\left[\begin{array}{ccccc}1& 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1\end{array}\right],$ $P_2=\left[\begin{array}{ccccc}0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $P_3=\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 0& 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

等价卷积码具有相同的距离特性和相同的纠错性能。具有b列的删除矩阵或重复矩阵最多能够构造个b个不同的等价码字。

定义：令C_i，(i＝1，2，…，p)是由原始码率为1/V₀的母码生成的p个b/V码率的等价码，

设P_i表示码字C_i对应的删除矩阵，令： $P=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i.$ 如果P矩阵中每个元素都大于或等于1，则称这p个码字C_i是互补的(complementary)。互补码在距离特性上是等价的，而且互补码联合传输码率至少包括构造时的原始码率1/V₀。当V₀＝V时，

则联合传输时的码率为b/bV₀＝1/V₀，正好是原始码率。

以1/V₀码率母码构造一族码率为b/V的互补删除型卷积码字的步骤如附图4所示的算法流程图。为保证在算法流程图中能够从初始删除矩阵P₁的循环移位操作中产生p个互补删除矩阵，则P₁必须具备如下的必要条件：P₁中每一行里1的数目至少等于

该条件并不是很严格，可以据此构造出许多符合条件的互补删除卷积码。

针对FM IBOC DAB系统，我们以加性高斯白噪声(AWGN)信道、相干BPSK调制为实例，构造码率为4/5的互补卷积码(称为半带宽卷积码)，分别通过数字双边带进行联合传输，可以得到码率为2/5的卷积码(称为全带宽卷积码)。

可以采用两种方法来搜索好的互补卷积码：一种是Top-down方法，该方法先寻找全带宽卷积码，然后按照一定的互补删除规则生成对应的半带宽互补码；另一种是Bottom-up方法，直接寻找半带宽互补卷积码，然后联合传输，构成全带宽卷积码。

规定两个选择最优码的标准参数：最大最差自由距离和最小最差信息错误重量，最差自由距离d_f，worst是码对中自由距离的最小值，最差信息错误重量c_worst是码对中最差自由距离路径中的信息错误重量的最大值。

计算构成2/5码率全带宽码的非恶性差错传播互补码对的自由距离和信息错误重量，在具有最大最差自由距离的码对中，那些(c_worst/P)取最小值的码对就是最优互补码对。在计算自由距离和信息错误重量时，可以采用扩展度量的Viterbi算法。

表1是构造出的2/5码率全带宽码，为了便于比较，表中第二行和第三行所对应的2/5码率Hagenauer全带宽码和Kroeger全带宽码是引自有关文献，以此为基础，再按照互补删除规则，采用Top-down方法构造出码率为4/5的互补码对，如表2所示；第四行和第五行是分别基于(3，1，6)Clark_Cain母码和(3，1，8)Ottosson母码构造的2/5码率全带宽码。

表1

码类	母码类型	删除矩阵(2进制)	d<sub>f</sub>	c<sub>df</sub>/P
					Hagenauer	Hagenauer	(1111，1111，1100)	11	1.00
Kroeger	Hagenauer	(1111，1111，1010)	11	2.00
					f-yyh-CC	Clark-Cain	(1010，1111，1111)	11	1.50
f-yyh-Ott	Ottosson	(1111，1100，1111)	14	7.00

表2

图5是基于表1中Kroeger(Kro)、f-yyh-CC(CC)和f-yyh-Ott(Ott)2/5码率全带宽卷积码分别进行蒙特卡罗仿真得到的误比特率(BER)曲线。其中，

表示每维能量与噪声功率谱密度的比值，

与

和之间的关系如下： $\frac{E_b}{N_0}=\frac{1}{R}\·\frac{E_d}{N_0},$ $\frac{E_s}{N_0}=N_d\·\frac{E_d}{N_0},$ R为码率，N_d表示每个符号的维数(BPSK调制时N_d＝1，QPSK调制时N_d＝2)。从仿真结果可以看出，存贮深度为8的f-yyh-Ott(Ott)码的性能明显好于其它两种存贮深度为6的码。同时，尽管f-yyh-CC(CC)码的平均信息比特错误重量小于Kroeger(Kro)码，但是在低信噪比信道中，误比特率性能还是稍差一些。

表3对单边带码和双边带码的自由距离性能进行了比较，可以看出，对于存贮深度m＝6时，在AWGN信道中，2/5码率互补删除对全带宽码传输方案相对于相同码字的编码组合传输具有10·1g(11/8)＝1.38dB的渐进编码增益；m＝8时，渐进编码增益为10·1g(14/10)＝1.46dB。

表3

Claims (2)

1.一种适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：发送端选择删除矩阵P₁构造出码率为b/V的删除型卷积码，其中V₀＜V的删除型卷积码，其中b表示输入码元数目；

S02：发送端根据b个等价删除矩阵构造b个不同的等价卷积码；

S03：发送端从b个不同的等价卷积码中选取p个互补卷积码字；

S04：发送端采用频率分集传输p个互补卷积码字；

S05：接收端根据已知的互补删除矩阵对接收的互补码字进行控制，并将其送入维特比译码器进行简化译码，进行纠错。

2.根据权利要求1所述的适用于频率分集传输的互补卷积码构造方法，其特征在于，其中发送端构造的互补卷积码的性能取决于设定参数：卷积码存贮深度m、删除矩阵P₁、等价删除矩阵P_i，i＝1，2，…，b、BPSK或QPSK数字调制方式；同样的卷积母码设定不同的卷积码存贮深度m、删除矩阵P₁、等价删除矩阵P_i，i＝1，2，…，b、BPSK或QPSK数字调制方式时，渐近编码增益会有差异。

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