CN102111239B - 极低信噪比级联Hadamard码辅助载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种在极低信噪比环境下级联Hadamard码辅助的迭代载波同步的方案，即使在极低信噪比条件下，此方案在实现精确的同步和正确的译码的前提下，更重要的是扩大了同步的范围。本发明包括发送端和接收端两部分，发送端包括LDPC-Hadamard级联码编码和添加导频。在接收端，与以往的单纯的导频联合码辅助载波不同，本发明首先利用Hadamard码的正交性先进行Hadamard码相关搜索，预估计出大范围的频偏，并进行补偿，这一过程能极大地补偿频偏。接下来对补偿后的信息提取导频做粗同步，然后利用译码迭代和最大似然的思想进一步精同步，最后进行译码判决。

Description

极低信噪比级联Hadamard码辅助载波同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及信道编码以及无线通信中的载波同步技术。

背景技术

纠错能力强大的纠错码如Turbo码、LDPC码，它们的理论性能优异，实际应用中的性能往往存在较大差距，这主要是由于系统同步精度随信噪比的降低而减小。在极低信噪比情况时，单纯的LDPC或者Turbo码已经不能满足同步性能的要求。

载波同步技术在无线电导航、定位、遥感遥测等领域内有着广泛的应用，并且是通信信号接收必须解决的问题之一。近年来，人们提出了一种编码辅助的迭代载波同步方法。它将载波同步与SISO译码器相结合，利用译码器每次迭代输出的软信息来辅助同步。主要的方法有EM算法，COSTAS算法和APPA算法。这三种算法的相偏捕获能力，频偏捕获能力以及估计的均方误差性能各有不同。目前基于EM算法的迭代载波同步算法是最为典型，NeleNoels等人给出了软信息辅助的迭代同步理论框架，基于EM算法给出了迭代同步更一般的分析方法。针对深空通信系统中，编码辅助与导频辅助载波同步算法所存在同步范围与精度受限的问题，我们可以将导频与编码联合起来辅助载波同步，从而可以扩大同步的范围，并能提高估计的精度，尤其适合在极低信噪比环境下的通信。由于导频联合编码辅助的同步范围有一定的局限性，并且不适合大频偏环境下的应用，因此本发明将级联Hadamard码用于编码辅助载波同步的算法中，利用Hadamard码的正交性扩大同步范围，并且不损失译码性能。

发明内容

本发明基于极低信噪比环境下的导频联合编码辅助同步的基础上，采用LDPC-Hadamard级联码进一步扩大同步的范围，以适应更多的应用环境。本发明利用信道编码LDPC-Hadamard级联码特有的优势，在接收端先进行Hadamard码相关搜索，预估计出频偏范围并进行补偿，然后在补偿信道信息的基础上先用导频粗同步，之后再在补偿后的信息下进行进一步同步，以能更好的译码。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：发送端对信息比特先进行LDPC-Hadamard级联码编码，之后添加导频符号，BPSK调制，最后发送出去；

步骤2：接收端首先对接收到的信息提取出码字部分，然后利用Hadamard码字的正交性对接收到的码字信息做不同频偏下的相关，估计出大致频偏，并对接收到的序列进行第一次频偏补偿；

步骤3：对第一次补偿之后的信息进行导频粗同步，并进行补偿；

步骤4：在两次补偿之后，对补偿后的信息进行译码并同时采用EM算法加以辅助精同步，并进行判决；

在上述方案中：

1)步骤1是本发明的中码字的设计模块，对本发明起到了一个铺垫的作用，采用的是LDPC-Hadamard级联码，不同于广义码。虽然Hadamard码字的级联和广义码都可以利用Hadamard自身的相关性进行搜索，但是由于广义码在搜索方面的复杂度远远高于级联码，因此我们采用的是级联码来辅助同步的进行。

2)步骤2是本次发明的重点，由于不同Hadamard码字之间的正交性，可以对接收序列添加不同的频偏，并通过相关找出相关值最大的那个频偏即为预估计的频偏，而且将频偏从1％-4减小到1*e-5上，能达到导频同步的范围。

3)步骤3是利用导频序列的已知性对参数的信道进行估计，包括频偏和信道噪声的方差，并将估计出来的参数传给下一步用于译码和精同步。由于传统的基于编码辅助的载波同步算法仅利用编码符号进行同步，估计范围受限，而导频是编码系统完成帧定位和解码的一个必要手段，所以本发明仍然采用导频来完成帧定位和粗同步。

4)步骤4是目前在同步方向比较主流的一种方法，采用编码辅助进行精同步，将译码器与最大似然估计算法相结合，利用每次译码迭代的外信息来辅助同步，提高同步的精度，减小误差。

整个系统模型如图1所示，在发送端先进行LDPC编码，将编好的码字C₁传送给Hadamard编码器进行编码，得到级联后的码字LDPC-Hadamard码字C₂，此时按照PMP(Pre-Mid-Postamble)结构添加导频并进行调制，然后过高斯信道并引入一定的频偏，此时我们假设完美的相偏误差和定时误差。在接收端，先对接收到的信道信息进行Hadamard码相关搜索，预估计出频偏范围并补偿到导频粗同步的范围，接下来则就进行导频的同步，之后在进行迭代译码联合EM算法进行精同步，最后对译出的码字进行判决。

综上所述，本发明基于极低信噪比的导频联合编码辅助同步技术的基础上，采用LDPC-Hadamard级联码来辅助同步。该方法能首先能根据Hadamard码字的相关性进行搜索，从而定位出频偏范围，补偿之后，频偏能从1*e-4降低到1*e-5，直接减小了一个数量级，这对于某些大频偏环境是很有利的，同时也能达到导频粗同步的频偏范围。在极低信噪比境下，本发明的频偏估计的范围扩大了一个数量级，对估计的频偏的精度没有影响，而且能很好的辅助导频与编码联合辅助同的估计范围，并完成整个频率估计的要求。

附图说明

图1系统模型框图。

图2LDPC-Hadamard级联码编码示意图

图3导频的放置方式PMP结构

图4Hadamard码相关搜索

图5迭代译码与精同步

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

本发明基于极低信噪比环境下的编码辅助同步的基础上，进一步扩大同步的范围，以适应更多的应用环境。利用信道编码LDPC-Hadamard码特有的的优势，在接收端先进行Hadamard搜索，确定粗步的频偏范围，然后进行补偿，之后再在补偿后的信息下进行进一步同步，以能更好的译码。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：发送端对信息比特首先进行LDPC-Hadamard编码(码长设为N_d)，之后按PMP(Pre-Mid-Postamble)结构添加导频符号假设导频长度为(N_p)，然后进行BPSK调制，最后发送出去；

步骤2：接收端首先对接收到的信息提取出码字部分，然后利用Hadamard码字的正交性对接收到的码字信息做不同频偏下的相关，估计出大致频偏，并对接收到的序列进行第一次频偏补偿，能将频偏从1*e-4的数量级补偿到1*e-5；

步骤3：对第一次补偿之后的信息抽取出导频符号，按一定的算法进行导频粗同步，将频偏进一步缩小到1*e-6，并进行补偿，这一过程利用；

步骤4：在两次补偿之后，对补偿后的信息进行译码并同时采用EM算法加以辅助精同步，并进行判决。译码的时候先进行一次Hadamard译码，把译得的软信息送给LDPC译码器，LDPC译码完之后得到LDPC码字部分的软信息，替换掉从信道接收到的信息的LDPC码字部分的信息相当于更新了LDPC部分的概率信息。最后对整个信道信息做EM精同步，估计出频偏、补偿并加以判决。若译码成功则跳出译码，否则继续迭代译码并做EM精同步；

在上述方案中：

1)步骤1中是本次发明中码字LDPC-Hadamard级联码的设计部分，具体设计示意图见附图2。首先对长度为M的信息比特进行LDPC(低密度奇偶校验码)编码，得到码长为N的LDPC码字C₁，然后将LDPC码字等分成N/(r+1)份，其中r为Hadamard码的阶数，每一个长度(r+1)的LDPC码字再重新进行Hadamard码编码成长度为2^r的Hadamard码。一个码长为N的LDPC码字C₁经过Hadamard码重新编码之后得到一个长度为N*2^r/(r+1)的LDPC-Hadamard级联码，其中每连续2^r个比特为一个Hadamard码码字，整个编码过程如图2所示。例如设M＝220，N＝440，r＝10，最后编码得到的LDPC-Hadamard级联码长度N_d＝40960，共包含N/(r+1)＝44个Hadamard码，每个Hadamard码的长度2^r＝1024。

低信噪比下导频结构直接影响到粗估计算法的精度与范围。考虑到导频的结构对估计的精度和范围的影响，我们采用一种比较折中的导频放置结构，即PMP(Pre-Mid-Postamble)结构，见图3。由于导频采用放置方式是PMP结构，所以需添加的导频的长度N_p应为3的倍数，假设N_p＝9000，所以码率R＝M/(N_d+N_p)＝0.0044。

2)步骤2是本次发明的重点。对于接受的每一帧的信道信息，我们假设信道信息具有理想的定时同步和相位同步。

对于Hadamard码，一个长为n的Hadamard码码字C_n是由一个n×nHadamard矩阵的列(或行)构造出来的。

当将n阶Hadamard矩阵H_n中的1换成0，将-1换成1，则H_n就变成二进制形式的Hadamard矩阵A_n，由于H_n各行相互正交，故A_n的任意两行有n/2位相同，有n/2位不相同。例如当n＝4时，Hadamard矩阵为

$H_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right]$

将H4中的1变换成0，0变换成1之后，H4即变成A4

$A_4=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 1& 0\end{array}\right]$

由于A₄中的每一列除去全0列均为一个Hadamard码码字，我们可以看出码字之间是满足正交性的，这正好为我们Hadamard码做相关搜索提供了理论基础。

对接收到的信道信息，首先提取出长度为N*2^r/(r+1)的LDPC-Hadamard级联码码字所对应的信道信息部分，设为R₁，然后对R₁进行符号映射成±1。假设由信道产生的频偏Vf＝1*e-4，在进行Hadamard码相关搜索时，分两次搜索。第一次搜索，设置搜索的频率间隔为f₁＝1*e-5，搜索长度l₁＝[5，15]，然后对加上频偏的R₁进行Hadamard码相关，并找出相关值最大的那一个频偏；第二次搜索在第一次搜索的基础上搜索间隔缩小10倍，再重新确定搜索范围，做Hadamard码的相关搜索，最终确定出预估计的频偏，并进行最后的补偿。整个搜索过程如图4所示。

3)步骤3是利用导频序列的已知性对参数的信道进行估计，包括频偏和信道噪声的方差，并将估计出来的参数传给下一步用于译码和精同步。步骤4中采用编码辅助进行精同步，将译码器与最大似然估计算法相结合，利用每次译码迭代的外信息来辅助同步，提高同步的精度，减小误差。

低信噪比时，基于数据辅助(Data-Aided DA)的同步算法估计范围较大，但估计精度较差。增加导频长度可以提高估计精度但会降低频带利用率。因为数据符号长度远大于导频长度，所以编码辅助同步算法可大幅提高估计精度。但编码辅助同步算法的估计范围受限，因为大的频偏和相偏会造成译码器无法输出正确的软信息。因此将编码与数据进行联合辅助可克服单独辅助的缺点。

为了简洁明了的说明迭代载波估计算法，将此算法的实现流程总结于图5中。

Claims (5)

1.一种极低信噪比环境下的导频联合编码辅助载波同步方法，这种方法采用LDPC-Hadamard级联码扩大载波同步范围，以适应更多的应用环境，其核心技术是利用信道编码LDPC-Hadamard级联码特有的优势，在接收端先进行Hadamard码相关搜索，预估计出频偏范围并进行补偿，然后在补偿信道信息的基础上先用导频粗同步，之后再在补偿后的信息下进一步同步，以能更好的译码，这种载波同步方法包括以下步骤：

步骤1：发送端先对信息比特进行LDPC-Hadamard级联码编码，之后按一定的结构添加导频符号，然后进行BPSK调制，最后发送出去；

步骤2：接收端首先对接收到的信息提取出码字部分，然后利用Hadamard码字的正交性对接收到的码字信息做不同频偏下的相关，估计出大范围的频偏，并对接收到的序列进行第一次频偏补偿，能将频偏从1*e-4的数量级补偿到1*e-5；

步骤3：对第一次补偿之后的信息进行导频粗同步，将频偏进一步缩小到1*e-6，并进行补偿；

步骤4：在两次补偿之后，对补偿后的信息进行译码并同时采用EM算法加以辅助精同步，并进行判决。

2.根据权利要求1所述的极低信噪比环境下的导频联合编码辅助载波同步方法，其特征在于，步骤1中所述信道编码的编码方式为LDPC-Hadamard级联码。

3.根据权利要求1所述的极低信噪比环境下的导频联合编码辅助载波同步方法，其特征在于，步骤2中利用了Hadamard码自身具有的正交性对频偏进行预估计，并进行补偿；在Hadamard码相关搜索时，分为两次搜索，第一次搜索完毕确定第一次预估计的频偏并进行补偿，然后缩小搜索间隔，返回进行第二次搜索，以取得更高的估计精度；经过Hadamard码搜索，能将频偏从1*e-4降低到1*e-5，有利于后续进一步的频偏补偿；这相比单纯的用导频来做频偏估计，Hadamard码相关搜索能在搜索范围上扩大一个数量级。

4.根据权利要求1所述的极低信噪比环境下的导频联合编码辅助载波同步方法，其特征在于，步骤3中本发明采用导频做粗同步，并选择合适的导频放置方式，这是考虑到粗同步的精度和估计范围的折中。

5.根据权利要求1所述的极低信噪比环境下的导频联合编码辅助载波同步方法，其特征在于，步骤4中本发明采用译码器每次迭代输出的软信息来辅助同步，提高了同步的精度，并且能获得很好的译码性能。

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