CN101808068A - 联合ldpc码msk迭代解调方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种联合LDPC码MSK迭代解调方法，包括：将接收信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据进行差分解调；对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计；将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；然后读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，并将译码结果判决输出。本发明提出的技术方案通过联合LDPC码的MSK迭代解调系统和方法实现了极低SNR下的快速解调和译码功能。

Description

联合LDPC码MSK迭代解调方法及系统

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，特别涉及一种联合LDPC码MSK迭代解调方法及系统。

背景技术

在深空通信中，极低SNR首先使接收机的解调面临严峻的同步问题。在极低SNR下，采用有限长导频或判决导向的传统同步都将不能有效工作，而结合信道码的迭代同步可有效地解决该问题。联合解调译码在深空通信中已有典型应用，如JPL仿真了1/31码率的Turbo码及码辅助同步，实现了SNR低达-15.8dB下的可靠通信。但该方案也存在实现复杂度高的问题。

迭代同步可将信道码译码中得到的软信息反馈给载波及定时同步环，使其较准确的判断载波及定时信息，实现低SNR下的迭代同步。该算法主要包含以下三类方案：直接将译码后较准确的符号作为参考序列来辅助同步；由Turbo码等最大后验(MAP)迭代译码，通过查找给定误差下性能最好的幸存路径实现同步；将译码所得软信息经处理后反馈给同步环，来判断和补偿同步偏差。其中，方案一只是将译码后信息简单代替了同步算法中的参考序列，该方案收敛慢，性能受限于同步算法，易受突发信号干扰，只能用于同步的跟踪阶段。方案二采用了最复杂的Turbo码MAP译码，延迟和计算复杂度都相对较大，但在该译码基础上用搜索幸存路径所估计的性能相对较好。方案三主要有两类实现方法：第一类方法通过对需估计的同步偏差参数用最大期望(EM)准则推导该参数的迭代更新公式，并将每次迭代译码所得的软信息用于该更新公式更新同步偏差参数，以达到最佳估计结果，该方法性能较好，但复杂度较高，且在较大的同步偏差下，迭代时间长，计算量大，并有可能不收敛而导致算法失效；另一类方法仅适用于LDPC系统，它将若干次LDPC迭代译码的软信息进行硬判决，并将该硬判决结果满足LDPC校验矩阵方程约束的程度，作为判断是否搜索到较准确同步偏差的依据，该方法性能较好，与理想系统仅差0.2dB，但复杂度仍较高且在较大偏差下，大范围搜索导致计算量增加。

在深空通信极低SNR条件下，接收机首先需要实现有效解调，才能进行下一步的译码等处理。传统的通信系统因单独解调时解调门限较高，不能在极低SNR下实现解调，因此在该条件下将无法有效工作。但通过解调和译码的联合处理，如采用可靠性更高的译码软信息作为解调的判断依据，可有效的解决该问题，并使系统获得编码带来的高编码增益。在现有条件下，因采用LDPC码的联合解调译码方案实现复杂度相对较低，容易实现，可优先考虑采用该方案。而且，由于译码辅助解调的算法的收敛范围比较窄，还需要先用传统低实现复杂度的解调算法进行一次粗估计，以加快联合解调译码的实现过程。此外，现有的联合解调译码算法的实现复杂度还是比较高，主要原因是没有从更深层次挖掘译码迭代过程中所反馈的软信息判决信息，只是简单的将软信息用于传统算法中判决反馈场合的判断依据。

因此，有必要提出一种技术方案解决上述问题，以获得复杂度更低、解调译码延迟更少、性能更好的实现方案。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决在深空通信极低SNR条件下接收解调的问题，本发明的发明目的是针对上述现有的数字通信接收机存在的由于极低的SNR而导致的上述缺点和不足，提供一种可以避免上述缺点和不足的数字通信接收系统——联合LDPC码的MSK迭代解调系统。本发明的另一目的是提供所述联合LDPC码的MSK迭代解调系统在深空通信中的应用。

为了实现本发明之目的，本发明实施例一方面提出了一种联合LDPC码MSK迭代解调方法，包括以下步骤：接收调制信号，所述调制信号的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号，将所述调制信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据进行差分解调；对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计；将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；然后读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，并将译码结果判决输出。

本发明实施例另一方面还提出了一种联合LDPC码MSK迭代解调系统，包括正交下变频单元、低通滤波器、载波频偏粗估计单元、第一级缓存器、MSK差分解调器、N路帧同步头相关检测器、载波相偏粗估计单元、第二级缓存器、LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元、MSK相干解调器、SNR估计单元以及LDPC译码器，其中：

正交下变频单元和低通滤波器，两者相互串接，对接收到的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号依次进行正交下变频、低通滤波和载波频偏粗估计单元，对信号进行载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据经MSK差分解调器进行差分解调；N路帧同步头相关检测器对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据通过载波相偏粗估计单元进行载波相偏粗估计及补偿，同时经过SNR估计单元进行SNR估计；将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；然后LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，MSK相干解调器和LDPC译码器对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调和LDPC译码，并将译码结果判决输出。

根据本发明的实施例提出的技术方案，解决了在深空通信极低SNR条件下接收解调的问题，本发明提出的技术方案通过联合LDPC码的MSK迭代解调系统和方法实现了极低SNR下的快速解调和译码功能，同时可以降低系统的实现复杂度，还可以有效改进其性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例联合LDPC码MSK迭代解调的方法流程图；

图2为本发明实施例联合LDPC码MSK迭代解调系统的结构图；

图3为本发明实施例LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元的结构图；

图4为本发明实施例载波频偏粗估计单元的结构图；

图5为本发明实施例载波相偏粗估计单元和SNR估计单元的结构图；

图6为本发明实施例LDPC译码器的结构图；

图7为本发明实施例4路帧同步头相关检测器的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明所提供的这种迭代解调方法或系统可以应用在各个领域，并不局限于下面的实施例中所详细说明的领域。下面选取典型的领域对联合LDPC码的MSK迭代解调系统详细说明本发明的具体实施方式。

为了实现本发明之目的，本发明公开了一种联合LDPC码MSK迭代解调方法，包括以下步骤：接收调制信号，所述调制信号的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号，将所述调制信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据进行差分解调；对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计；将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；然后读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，并将译码结果判决输出。

如图1所示，为本发明实施例的联合LDPC码的MSK迭代解调方法的流程图，包括以下步骤：

S101：将接收信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，将处理结果保存于第一级缓存器，同时将补偿后数据进行差分解调。

在步骤S101中，接收调制信号，所述调制信号的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号，将所述调制信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据进行差分解调；

其中，将所述调制信号进行载波频偏粗估计及补偿包括：

对经过所述低通滤波的数据输入第一复数乘法器，对数据先取平方，对所述第一复数乘法器输出的信号经过快速傅里叶变换得到的能量谱，分别搜索所述能量谱的最大值点和次大值点，再送入频偏计算单元；

所述频偏计算单元先计算所述信号能量谱的最大值和次大值之间的中点频率，再对所述中点频率除以2，得到频偏估计结果，然后送入频偏补偿单元；

所述频偏补偿单元的第一个输入将与所述频偏计算单元输出相连，第二个输入将与所述低通滤波器输出相连，根据所述频偏计算单元输出的频偏估计结果补偿经过所述低通滤波的数据，将补偿结果送入第一级缓存器缓存，同时送入所述MSK差分解调器进行解调。

S102：对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对保存的数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计。

在步骤S102中，对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计。

其中，对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿包括：

对帧同步头部分数据进行MSK差分调制，然后对第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据与本地帧同步头的MSK差分调制数据的共轭采用第二复数乘法器进行复数相乘，实现第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据的去调制，随后对去调制后的I、Q路数据分别积分，其积分结果即为相偏角度的实部和虚部，根据该相偏角度的实部和虚部的结果补偿第一级缓存器中输出的有效数据，再将补偿结果送入第二级缓存器缓存；

进行SNR估计包括：

利用第一乘法器对第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据取模平方，然后利用第一积分器对第一乘法器的输出信号进行积分处理，该积分结果即为信号和噪声的功率和，同时利用第二乘法器对载波相偏粗估计单元中第二复数乘法器输出的数据取模平方，利用第二积分器对第二乘法器的输出信号进行积分处理，该积分结果即为信号的功率，估计的SNR即为第二积分器输出结果与第一积分器输出结果减去第二积分器输出结果的差的比值。

S103：将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中。

S104：读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，并将译码结果判决输出。

在步骤S104中，首先读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，并将译码结果判决输出。

其中，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿包括：

LDPC译码软信息处理单元对从LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和，输出到载波频偏相偏联合优化算法单元中搜索载波的频偏、相偏最优值，同时输出到定时频偏相偏联合优化算法单元中搜索定时的频偏、相偏最优值，以实现载波和定时同步，其中最优值表示搜索出的频偏、相偏与实际频偏、相偏最接近；

载波频偏相偏联合优化算法单元采用Nelder-Mead单纯形算法，用于优化载波的频偏、相偏最优值的搜索过程，其中载波频偏相偏联合优化算法单元的初始点为(0，0)点，即载波频偏、相偏值均为0，随后的值根据LDPC译码软信息处理单元输出的软信息计算而来，同时将所述载波频偏、相偏值送入载波旋转单元进行载波旋转；

定时频偏相偏联合优化算法单元采用Nelder-Mead单纯形算法，用于优化定时的频偏、相偏最优值的搜索过程，其中定时频偏相偏联合优化算法单元的初始点为(0，0)点，即定时频偏、相偏值均为0，随后的值根据LDPC译码软信息处理单元输出的软信息计算而来，同时将所述定时频偏、相偏值送入定时插值单元进行定时插值；

载波旋转单元根据所述载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波相偏粗估计结果补偿后的数据进行载波旋转，在载波的频偏、相偏最优值的搜索过程中将该载波旋转结果送入所述MSK相干解调器中，用于获得不同载波频偏和相偏下的LDPC译码软信息，在载波的频偏、相偏最优值的搜索结束后将该载波旋转结果送入所述第二缓存器，用于后续定时的频偏、相偏最优值的搜索，其中载波旋转是指输入数据与

相乘，其中Δf表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏值，

表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波相偏值，k为自然数，与输入数据的序号对应；

定时插值单元根据所述定时频偏相偏联合优化算法单元给定的定时频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波的频偏和相偏最优值补偿后的数据进行定时插值，然后将该定时插值结果送入所述MSK相干解调器中，在定时的频偏、相偏最优值的搜索过程中其目的是获得不同定时频偏和相偏下的LDPC译码软信息，在定时的频偏、相偏最优值的搜索结束后其目的是在载波和定时的频偏、相偏均为最优的情况下将本帧数据送入所述MSK相干解调器和所述LDPC译码器得到译码结果，其中定时插值是线性插值或拉格朗日插值。

其中，进行LDPC译码包括：

对输入数据存入原始输入数据存储单元，存满一帧数据后，读取原始输入数据存储单元和节点存储单元中的数据进入变量节点处理单元，处理后数据写回节点存储单元，进行变量节点更新，节点存储单元初始值为全零；

读取节点存储单元中的变量节点数据进入校验节点处理单元，处理时将变量节点数据送入查找表，从而得到查找表的输出为

其中x为输入的变量节点数据，实现快速计算，处理后数据写回节点存储单元，进行校验节点更新；

判断迭代次数是否达到设定次数，如果达到则将节点存储单元中的同列数据和对应原始输入数据存储单元中数据累加作为译码软信息输出，否则再进行变量节点处理，直至达到设定迭代次数。

本发明公开的上述方法依次经过正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计后，利用MSK可进行差分解调的特点，采用帧同步头相关检测器快速实现LDPC码帧同步头序列的检测，同时实现定时相偏的粗估计，随后进行载波相偏粗估计和SNR估计，然后进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步，最后进行MSK相干解调和LDPC译码，实现了极低SNR下的快速解调和译码功能。通过联合LDPC码的MSK迭代解调系统，可以降低系统的实现复杂度，还可以极大地改进其性能。

如图2所示，为本发明实施例的联合LDPC码的MSK迭代解调系统的结构图。该系统包括正交下变频单元、低通滤波器、载波频偏粗估计单元、第一级缓存器、MSK差分解调器、N路帧同步头相关检测器、控制开关、载波相偏粗估计单元、第二级缓存器、LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元、MSK相干解调器、SNR估计单元、LDPC译码器。

对接收到的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据进行差分解调；对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测；相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计；将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；然后读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿；对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，将译码结果判决输出。

如图3所示，为本发明实施例的LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元的结构图。该单元包括LDPC译码软信息处理单元、载波旋转单元、定时插值单元、载波频偏相偏联合优化算法单元以及定时频偏相偏联合优化算法单元。

首先，载波频偏相偏联合优化算法提供初始点为(0，0)点，即载波频偏、相偏值均为0；载波旋转单元根据所述载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波相偏粗估计结果补偿后的数据进行载波旋转，将该载波旋转结果送入所述MSK相干解调器中，其中载波旋转是指输入数据与

相乘，其中Δf表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏值，

表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波相偏值，k为自然数，与输入数据的序号对应；MSK相干解调器对所述载波旋转结果进行相干解调，然后送入所述LDPC译码器；LDPC译码器对所述相干解调结果进行LDPC译码，输出软信息至所述LDPC译码软信息处理单元；LDPC译码软信息处理单元对所述LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和，输出到所述的载波频偏相偏联合优化算法单元，所述LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和结果越大表示给定的载波频偏、相偏值与实际频偏、相偏越接近；载波频偏相偏联合优化算法根据所述LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和结果以及当前提供的频偏、相偏值计算出下一个该提供的频偏、相偏值，该频偏、相偏值应当是比当前提供的频偏、相偏值更优的值，并送入载波旋转单元，其中更优值表示计算出的频偏、相偏与实际频偏、相偏比当前提供的频偏、相偏值与实际频偏、相偏接近；重复以上步骤，达到迭代设定的次数后，将得到载波频偏、相偏的最优值，并送入载波旋转单元，其中最优值表示搜索出的频偏、相偏与实际频偏、相偏最接近；载波旋转单元根据所述载波频偏相偏联合优化算法单元提供的载波频偏、相偏最优值对所述第二缓存器中的、经过载波相偏粗估计结果补偿后的数据进行载波旋转，将该载波旋转结果写回所述第二缓存器，用于后续定时的频偏、相偏最优值的搜索。

然后，定时频偏相偏联合优化算法提供初始点为(0，0)点，即定时频偏、相偏值均为0；定时插值单元根据所述定时频偏相偏联合优化算法单元给定的定时频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波的频偏和相偏最优值补偿后的数据进行定时插值，然后将该定时插值结果送入所述MSK相干解调器中，其中定时插值可以是线性插值，也可以是拉格朗日插值；MSK相干解调器对所述定时插值结果进行相干解调，然后送入所述LDPC译码器；LDPC译码器对所述相干解调结果进行LDPC译码，输出软信息至所述LDPC译码软信息处理单元；LDPC译码软信息处理单元对所述LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和，输出到所述的定时频偏相偏联合优化算法单元；定时频偏相偏联合优化算法根据所述LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和结果以及当前提供的频偏、相偏值计算出下一个该提供的频偏、相偏值，该频偏、相偏值应当是比当前提供的频偏、相偏值更优的值，并送入定时插值单元；重复以上步骤，达到迭代设定的次数后，将得到定时频偏、相偏的最优值，并送入定时插值单元；定时插值单元根据所述定时频偏相偏联合优化算法单元提供的定时频偏、相偏最优值对所述第二缓存器中的、经过载波的频偏和相偏最优值补偿后的数据进行定时插值，将该定时插值结果送入所述MSK相干解调器，用于进行最终的LDPC译码，得到最终的译码结果。

如图4所示，为本发明实施例的载波频偏粗估计单元的结构图。该单元第一复数乘法器、快速傅里叶变换器、能量谱线搜索单元、频偏计算单元、频偏补偿单元。

首先，利用第一复数乘法器对正交下变频和低通滤波后的数据取平方；然后，使用快速傅里叶变换器对乘法器输出的平方后数据求信号能量谱；而后，先在信号能量谱中搜索最大值，再在能量谱最大值点的两侧理论存在的次高谱线附近搜索次大值；随后，取最高谱线和次高谱线中点除以2(由于取平方导致倍频)，即为载波频偏；最后，粗频偏估计的载波频偏结果补偿低通滤波后的数据，再将补偿结果送入第一级缓存器缓存，同时送入所述MSK差分解调器进行解调。

如图5所示，为本发明实施例的载波相偏粗估计单元和SNR估计单元的结构图。

其中，载波相偏粗估计单元包括MSK调制器、第二复数乘法器、积分器以及相偏补偿单元。首先对帧同步头部分数据进行MSK差分调制；然后对第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据与本地帧同步头的MSK差分调制数据的共轭采用第二复数乘法器进行复数相乘，实现第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据的去调制；随后对去调制后的I、Q路数据分别积分，其积分结果即为相偏角度的实部和虚部；最后根据该相偏角度的实部和虚部的结果补偿第一级缓存器中输出的有效数据，再将补偿结果送入第二级缓存器缓存。

SNR估计单元包括第一乘法器、第一积分器、第二乘法器、第二积分器。首先，利用第一乘法器对第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据取模平方，然后利用第一积分器对第一乘法器的输出信号进行积分处理，该积分结果即为信号和噪声的功率和；同时，利用第二乘法器对载波相偏粗估计单元中第二复数乘法器输出的数据取模平方，利用第二积分器对第二乘法器的输出信号进行积分处理，该积分结果即为信号的功率。因此，估计的SNR即为第二积分器输出结果与第一积分器输出结果减去第二积分器输出结果的差的比值。

如图6所示，为本发明实施例的LDPC译码器的结构图。该LDPC译码器包括主控单元、原始输入数据存储单元、节点存储单元、校验节点处理单元、查找表、变量节点处理单元。

首先，输入数据存入原始输入数据存储单元；存满一帧数据后，读取原始输入数据存储单元和节点存储单元中的数据进入变量节点处理单元，处理后数据写回节点存储单元，进行变量节点更新，节点存储单元初始值为全零，此操作相当于初始化节点存储单元为原始输入数据；然后，读取节点存储单元中的变量节点数据进入校验节点处理单元，处理时将变量节点数据送入查找表，从而得到查找表的输出为

其中x为输入的变量节点数据，实现快速计算，处理后数据写回节点存储单元，进行校验节点更新；而后，判断迭代次数是否达到设定次数，如果达到则将节点存储单元中的同列数据和对应原始输入数据存储单元中数据累加作为译码软信息输出，否则再进行变量节点处理，以此类推，直至达到设定迭代次数。

其中，变量节点处理单元和校验节点处理单元均采用并行结构处理，实现快速译码；整个译码器的工作时序由主控单元控制。

如图7所示，为本发明实施例的4路帧同步头相关检测器的结构图。该相关检测器包括1:4串并变换器、4个相关器、最大值判断器。差分解调输出的数据输入到1:4串并变换器后输出4路数据，然后将这4路数据分别输入到4个相关器与已知帧同步头数据序列进行相关运算，得到4路相关结果，然后用最大值判断器分别判断4路输出相关结果中的两帧同步头加一帧数据减一比特的长度中的极大值，得到4个极大值，再判断4个极大值中的最大值，其最大值在第一级缓存器中的位置即为LDPC码在第一级缓存器中的起始位置，同时最大值所在路即为定时同步的粗估计结果。

其中，相关器包括用于存储输入数据的输入数据移位寄存器、用于存储相关内容的相关内容寄存器、用于最新滑入数据与相关内容所有位比较的同或门组、用于存储输入数据与相关内容比较结果的匹配寄存器组，用于同或门输出与对应匹配寄存器相加的加法器。

根据本发明提出的实施例，本发明人在Xilinx的FPGA——XC4VLX100平台上进行了实现，该平台上包括两片XC4VLX100。正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿在第一片XC4VLX100上实现，其中，载波频偏粗估计中的采用65536点FFT变换器；正交下变频后为4倍采样率。第一级缓存器、MSK差分解调器、4路帧同步头相关检测器、载波相偏粗估计单元、第二级缓存器、LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元、MSK相干解调器、SNR估计单元、LDPC译码器在第二片XC4VLX100上实现，其中，LDPC码为1/6码率，信息位为1024比特，即(6144，1024)码；帧同步头长度为1024比特。占用资源如下表所示，其性能为-5dB下实现10^-5以下误码率。

	XC4VLX100总资源	第一片占用资源	第二片占用资源
				Slices	49152	11891(24％)	27742(56％)
Block RAM	240	239(99％)	230(95％)
				DSP	96	52(54％)	20(20％)

本发明公开的上述系统依次经过正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计后，利用MSK可进行差分解调的特点，采用帧同步头相关检测器快速实现帧同步头序列的检测，同时实现定时相偏的粗估计，随后进行载波相偏粗估计和SNR估计，然后进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步，最后进行MSK相干解调和LDPC译码，实现了极低SNR下的快速解调和译码功能。通过联合LDPC码的MSK迭代解调系统，可以降低系统的实现复杂度，还可以极大地改进其性能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种联合LDPC码MSK迭代解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收调制信号，所述调制信号的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号，将所述调制信号依次进行正交下变频、低通滤波、载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据进行差分解调；

对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿，同时进行SNR估计；

将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；

然后读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据依次进行MSK相干解调、LDPC译码，并将译码结果判决输出。

2.如权利要求1所述的联合LDPC码MSK迭代解调方法，其特征在于，将所述调制信号进行载波频偏粗估计及补偿包括：

载波频偏粗估计单元，包括第一复数乘法器、快速傅里叶变换器、能量谱线搜索单元、频偏计算单元、频偏补偿单元，其中：

对经过所述低通滤波的数据输入第一复数乘法器，对数据先取平方，对所述第一复数乘法器输出的信号经过快速傅里叶变换得到的能量谱，分别搜索所述能量谱的最大值点和次大值点，再送入频偏计算单元；

所述频偏计算单元先计算所述信号能量谱的最大值和次大值之间的中点频率，再对所述中点频率除以2，得到频偏估计结果，然后送入频偏补偿单元；

所述频偏补偿单元的第一个输入将与所述频偏计算单元输出相连，第二个输入将与所述低通滤波器输出相连，根据所述频偏计算单元输出的频偏估计结果补偿经过所述低通滤波的数据，将补偿结果送入第一级缓存器缓存，同时送入所述MSK差分解调器进行解调。

3.如权利要求2所述的联合LDPC码MSK迭代解调方法，其特征在于，对第一级缓存器中数据进行载波相偏粗估计及补偿包括：

对帧同步头部分数据进行MSK差分调制，然后对第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据与本地帧同步头的MSK差分调制数据的共轭采用第二复数乘法器进行复数相乘，实现第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据的去调制，随后对去调制后的I、Q路数据分别积分，其积分结果即为相偏角度的实部和虚部，根据该相偏角度的实部和虚部的结果补偿第一级缓存器中输出的有效数据，再将补偿结果送入第二级缓存器缓存；

进行SNR估计包括：

利用第一乘法器对第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据取模平方，然后利用第一积分器对第一乘法器的输出信号进行积分处理，该积分结果即为信号和噪声的功率和，同时利用第二乘法器对载波相偏粗估计单元中第二复数乘法器输出的数据取模平方，利用第二积分器对第二乘法器的输出信号进行积分处理，该积分结果即为信号的功率，估计的SNR即为第二积分器输出结果与第一积分器输出结果减去第二积分器输出结果的差的比值。

4.如权利要求3所述的联合LDPC码MSK迭代解调方法，其特征在于，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿包括：

LDPC译码软信息处理单元对从LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和，输出到载波频偏相偏联合优化算法单元中搜索载波的频偏、相偏最优值，同时输出到定时频偏相偏联合优化算法单元中搜索定时的频偏、相偏最优值，以实现载波和定时同步，其中最优值表示搜索出的频偏、相偏与实际频偏、相偏最接近；

载波频偏相偏联合优化算法单元采用Nelder-Mead单纯形算法，用于优化载波的频偏、相偏最优值的搜索过程，其中载波频偏相偏联合优化算法单元的初始点为(0，0)点，即载波频偏、相偏值均为0，随后的值根据LDPC译码软信息处理单元输出的软信息计算而来，同时将所述载波频偏、相偏值送入载波旋转单元进行载波旋转；

定时频偏相偏联合优化算法单元采用Nelder-Mead单纯形算法，用于优化定时的频偏、相偏最优值的搜索过程，其中定时频偏相偏联合优化算法单元的初始点为(0，0)点，即定时频偏、相偏值均为0，随后的值根据LDPC译码软信息处理单元输出的软信息计算而来，同时将所述定时频偏、相偏值送入定时插值单元进行定时插值；

载波旋转单元根据所述载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波相偏粗估计结果补偿后的数据进行载波旋转，在载波的频偏、相偏最优值的搜索过程中将该载波旋转结果送入所述MSK相干解调器中，用于获得不同载波频偏和相偏下的LDPC译码软信息，在载波的频偏、相偏最优值的搜索结束后将该载波旋转结果送入所述第二缓存器，用于后续定时的频偏、相偏最优值的搜索，其中载波旋转是指输入数据与

相乘，其中Δf表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏值，

表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波相偏值，k为自然数，与输入数据的序号对应；

定时插值单元根据所述定时频偏相偏联合优化算法单元给定的定时频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波的频偏和相偏最优值补偿后的数据进行定时插值，然后将该定时插值结果送入所述MSK相干解调器中，在定时的频偏、相偏最优值的搜索过程中其目的是获得不同定时频偏和相偏下的LDPC译码软信息，在定时的频偏、相偏最优值的搜索结束后其目的是在载波和定时的频偏、相偏均为最优的情况下将本帧数据送入所述MSK相干解调器和所述LDPC译码器得到译码结果，其中定时插值是线性插值或拉格朗日插值。

5.如权利要求4所述的联合LDPC码MSK迭代解调方法，其特征在于，进行LDPC译码包括：

对输入数据存入原始输入数据存储单元，存满一帧数据后，读取原始输入数据存储单元和节点存储单元中的数据进入变量节点处理单元，处理后数据写回节点存储单元，进行变量节点更新，节点存储单元初始值为全零；

读取节点存储单元中的变量节点数据进入校验节点处理单元，处理时将变量节点数据送入查找表，从而得到查找表的输出为

其中x为输入的变量节点数据，实现快速计算，处理后数据写回节点存储单元，进行校验节点更新；

判断迭代次数是否达到设定次数，如果达到则将节点存储单元中的同列数据和对应原始输入数据存储单元中数据累加作为译码软信息输出，否则再进行变量节点处理，直至达到设定迭代次数。

6.一种联合LDPC码MSK迭代解调系统，其特征在于，包括正交下变频单元、低通滤波器、载波频偏粗估计单元、第一级缓存器、MSK差分解调器、N路帧同步头相关检测器、载波相偏粗估计单元、第二级缓存器、LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元、MSK相干解调器、SNR估计单元以及LDPC译码器，其中：

正交下变频单元和低通滤波器，两者相互串接，对接收到的帧同步头为差分编码、有效数据为非差分的LDPC码的MSK调制信号依次进行正交下变频、低通滤波和载波频偏粗估计单元，对信号进行载波频偏粗估计及补偿，然后将处理结果保存于第一级缓存器中，同时将补偿后数据经MSK差分解调器进行差分解调；

N路帧同步头相关检测器对差分解调后的数据进行帧同步头相关检测，相关检测中检测到帧同步头后，通过控制开关对第一级缓存器中数据通过载波相偏粗估计单元进行载波相偏粗估计及补偿，同时经过SNR估计单元进行SNR估计；

将载波相偏补偿后数据存入第二级缓存器中；

LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元读取第二级缓存器中数据，进行LDPC码辅助迭代载波和定时同步并补偿，MSK相干解调器和LDPC译码器依次对LDPC码辅助迭代载波和定时同步补偿后数据进行MSK相干解调和LDPC译码，并将译码结果判决输出。

7.如权利要求6所述的联合LDPC码MSK迭代解调系统，其特征在于，所述载波频偏粗估计单元包括第一复数乘法器、快速傅里叶变换器、能量谱线搜索单元、频偏计算单元、频偏补偿单元，其中：

第一复数乘法器和快速傅里叶变换器，两者相互串接，对输入到所述第一复数乘法器、经过所述低通滤波的数据先取平方，再求信号的能量谱，

能量谱线搜索单元，对所述第一复数乘法器输出的信号经过快速傅里叶变换得到的能量谱，分别搜索所述能量谱的最大值点和次大值点，再送入所述频偏计算单元，

频偏计算单元，先计算所述信号能量谱的最大值和次大值之间的中点频率，再对所述中点频率除以2，得到频偏估计结果，然后送入所述频偏补偿单元，

频偏补偿单元，第一个输入将与所述频偏计算单元输出相连，第二个输入将与所述低通滤波器输出相连，根据所述频偏计算单元输出的频偏估计结果补偿经过所述低通滤波的数据，再将补偿结果送入第一级缓存器缓存，同时送入所述MSK差分解调器进行解调。

8.如权利要求6所述的联合LDPC码MSK迭代解调系统，其特征在于，所述LDPC码辅助迭代载波和定时同步单元，包括LDPC译码软信息处理单元、载波旋转单元、定时插值单元、载波频偏相偏联合优化算法单元以及定时频偏相偏联合优化算法单元，其中：

LDPC译码软信息处理单元，对从所述LDPC译码器输出的软信息取绝对值后求和，输出到所述的载波频偏相偏联合优化算法单元中搜索载波的频偏、相偏最优值，同时输出到所述的定时频偏相偏联合优化算法单元中搜索定时的频偏、相偏最优值，以实现载波和定时同步，其中最优值表示搜索出的频偏、相偏与实际频偏、相偏最接近；

载波频偏相偏联合优化算法单元，采用Nelder-Mead单纯形算法，用于优化载波的频偏、相偏最优值的搜索过程，其中载波频偏相偏联合优化算法单元的初始点为(0，0)点，即载波频偏、相偏值均为0，随后的值根据LDPC译码软信息处理单元输出的软信息计算而来，同时将所述载波频偏、相偏值送入载波旋转单元进行载波旋转；

定时频偏相偏联合优化算法单元，采用Nelder-Mead单纯形算法，用于优化定时的频偏、相偏最优值的搜索过程，其中定时频偏相偏联合优化算法单元的初始点为(0，0)点，即定时频偏、相偏值均为0，随后的值根据LDPC译码软信息处理单元输出的软信息计算而来，同时将所述定时频偏、相偏值送入定时插值单元进行定时插值；

载波旋转单元，根据所述载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波相偏粗估计结果补偿后的数据进行载波旋转，在载波的频偏、相偏最优值的搜索过程中将该载波旋转结果送入所述MSK相干解调器中，用于获得不同载波频偏和相偏下的LDPC译码软信息，在载波的频偏、相偏最优值的搜索结束后将该载波旋转结果送入所述第二缓存器，用于后续定时的频偏、相偏最优值的搜索，其中载波旋转是指输入数据与

相乘，其中Δf表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波频偏值，

表示载波频偏相偏联合优化算法单元给定的载波相偏值，k为自然数，与输入数据的序号对应；

定时插值单元，根据所述定时频偏相偏联合优化算法单元给定的定时频偏和相偏对所述第二缓存器中的、经过载波的频偏和相偏最优值补偿后的数据进行定时插值，然后将该定时插值结果送入所述MSK相干解调器中，在定时的频偏、相偏最优值的搜索过程中其目的是获得不同定时频偏和相偏下的LDPC译码软信息，在定时的频偏、相偏最优值的搜索结束后其目的是在载波和定时的频偏、相偏均为最优的情况下将本帧数据送入所述MSK相干解调器和所述LDPC译码器得到译码结果，其中定时插值是线性插值或拉格朗日插值。

9.如权利要求6所述的联合LDPC码MSK迭代解调系统，其特征在于，所述载波相偏粗估计单元，包括MSK调制器、第二复数乘法器、积分器以及相偏补偿单元，其中：

MSK调制器，对已知的帧同步头数据进行N倍采样的MSK差分调制，得到帧同步头的MSK差分调制数据，

第二复数乘法器，对所述第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据与所述MSK调制器输出的帧同步头的MSK差分调制数据进行共轭相乘，实现所述第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据的去调制，得到I、Q两路去调制后数据，

积分器，对所述I、Q两路去调制后数据分别积分，得到相偏角度的实部和虚部，

相偏补偿单元，根据所述积分器输出的相偏估计结果补偿经过所述第一级缓存器中输出的有效数据，再将补偿结果送入第二级缓存器缓存；

所述SNR估计单元，包括第一乘法器、第一积分器、第二乘法器和第二积分器，其中：

第一乘法器，对来自所述第一级缓存器中输出的帧同步头部分MSK差分调制数据取模平方，

第二乘法器，对来自所述载波相偏粗估计单元中第二复数乘法器输出的数据取模平方，

第一积分器，用于对所述第一乘法器的输出信号进行积分处理，

第二积分器，用于对所述第二乘法器的输出信号进行积分处理。

10.如权利要求6所述的联合LDPC码MSK迭代解调系统，其特征在于，所述LDPC译码器，包括主控单元、原始输入数据存储单元、节点存储单元、校验节点处理单元、查找表、变量节点处理单元，其中：

主控单元，用于控制整个LDPC译码器的工作时序；

原始输入数据存储单元，用于存储原始输入数据，以供所述变量节点处理单元进行变量节点更新；

节点存储单元，用于存储校验节点和变量节点的更新数据，校验节点更新时节点存储单元由变量节点数据更新为校验节点数据，变量节点更新时节点存储单元由校验节点数据更新为变量节点数据；

校验节点处理单元，用于所述节点存储单元中校验节点的更新；

查找表，输入为变量节点数据，输出为

其中x为输入的变量节点数据，用于所述校验节点处理单元实现校验节点更新的快速运算；

变量节点处理单元，用于所述节点存储单元中变量节点的更新。

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