CN102394726A - 一种gmsk信号的串行级联编码与准相干迭代译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种GMSK信号的串行级联编码与准相干迭代译码方法，并且提供一种与准相干迭代解调译码并行进行的迭代信道估计方法来提高整体检测的误码率性能。该方法将GMSK信号等效为差分编码级连PAM信号的形式，保留差分编码作为编码GMSK信号的内码，该译码输出软信息经解交织后反馈至信道软输入软输出译码器，与之形成迭代解调译码过程。在迭代译码过程中，同步更新信道冲激响应估计值，并形成新的待译码序列送至内码差分译码器。本发明提出的方法在保留准相干解调不需要恢复相干载波、位同步简单等优点的同时，能有效提高编码GMSK系统的性能。

Description

一种GMSK信号的串行级联编码与准相干迭代译码方法

技术领域

本发明涉及卫星或移动通信系统，具体地，涉及一种GMSK信号的串行级联编码与准相干迭代译码方法。

背景技术

GMSK信号的包络恒定、相位连续，因此具有很多显著的优点，如射频功放可采用价格低廉的C类放大器，可以工作在饱和区，充分利用发射机功率；对衰落环境不太敏感，邻道干扰较小等，因此在无线和卫星移动通信系统中得以成功应用。

具有潜在编码约束的调制信号和信道编码可联合考虑，将其等效为串行级联码(SCCC)，采用迭代译码算法时，可获得明显的编码增益。GMSK信号可以等效为格码和无记忆相位调制级联的形式，因此，在信道编码与GMSK信号之间插入交织器，则可以认为编码GMSK信号是一个SCCC系统，对其进行迭代解调译码获得优异的误码率性能。

针对编码级联GMSK系统进行串行迭代解调译码的方法较多，主要分为两大类：一类基于差分解调算法，将最大后验概率(MAP)算法应用于GMSK差分相位检测器(DPD)使之能够接收先验信息并给出软输出，实现了解调器与其后的卷积码译码器之间的迭代计算，该方法不需要载波恢复，但不幸的是，因为采用差分运算，系统误码率性能并不理想，参见公开文献“Guanfeng Qin，Shidong Zhou，Limin Xiao，etal.Iterative decoding of GMSK modulatedconvolutional code with multiple differential detection.Electronics Letters，2000，36(3)：258-259”；另外一类基于相干解调算法，但采用不同的模型表示GMSK信号，公开文献“Phoel W G.Iterative demodulation and decoding of coded GMSK.MILCOM 2001，October 28-31，2001(2)：1170-1174”中，直接采用GMSK信号的状态转移得到格状图，公开文献“Moqvist P，Aulin T M.Serially concatenated continuous phase modulation with iterative decoding.IEEETransactions on Communications，2001，49(11)：1901-1915”、“Kerr R.Iterative techniques forcoded GMSK.Proceedings of the 21st Biennial Symposium on Communications，Queen′sUniversity，Kingston，Ontario，Canada，June 2-5，2002：91-94”、以及“Shane M R，Wesel R D.Reduced complexity iterative demodulation and decoding of serial concatenated continuous phasemodulation.ICC 2002，28 April-2May，2002(3)：1672-1676”中，根据Laurent分解原理将GMSK信号等效成PAM信号的叠加，然后根据各PAM信号之间的关系得到格状图，公开文献“郭文彬、杨鸿文、杨大成。编码GMSK信号的一种新的迭代检测方法。北京邮电大学学报，2004，27(3)：58-62”，将最佳采样点的GMSK信号等效为一个4状态递归型卷积编码级联QPSK调制，公开文献“Jinhua S，Jiandong L，Lijun J.Serially concatenated continuous phase modulation withreduced iterative demodulation and detection.Journal of Electronics，2007，24(1)：16-22”给出了一种减状态迭代解调算法，此类算法的误码率性能优良，但需要恢复相干载波和位同步。由于此时系统的信噪比比较低，无论是要恢复相干载波还是要恢复位同步都是比较困难的，且相干解调不适用于衰落信道。

在SCCC系统中，为了获得更大的编码增益，内码必须是递归卷积码。根据Laurent分解原理，GMSK信号可等效为差分编码级连PAM信号的形式，而差分编码可以看作是一个码率接近于1的递归卷积码。据此，本发明提出了一种对GMSK信号的串行级联编码与准相干迭代解调译码方法。本发明保留差分编码作为编码GMSK信号的内码，将差分编码输出与准相干解调所需要的独特码UW复用后的数据进行预编码操作，并送至GMSK调制器。本发明一方面简化了迭代解调译码时内码的状态数，其状态数仅为2；另一方面采用转相干解调，具有不需要恢复相干载波、位同步简单等优点。本发明还提出准相干迭代解调译码时的迭代信道估计方法，进一步提高了编码GMSK系统的误码率性能。

发明内容

本发明提供了一种GMSK信号的串行级联编码方法，并且提供一种与准相干迭代解调译码并行进行的迭代信道估计方法来提高整体检测的误码率性能。

根据本发明的一个方面，提供一种GMSK信号的串行级联编码与准相干迭代译码方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将GMSK信号等效为差分编码级连PAM信号的形式；

步骤二：保留差分编码作为编码GMSK信号的内码；

步骤三：与原有的信道编码进行迭代方式的解调和译码，其中，在迭代译码过程中，同步更新信道冲激响应估计值，并形成新的待译码序列送至内码译码器。

优选地，在所述步骤一和步骤二中，将差分编码输出与准相干解调所需要的独特码UW复用后的数据进行预编码操作，并送至GMSK调制器。

优选地，在所述步骤三中，GMSK等效差分编码的译码软输出信息经解交织后反馈至信道软输入软输出译码器，进行信道译码，与之形成迭代解调译码过程，迭代若干次后进行判决。

优选地，在所述步骤三中，信道软输入软输出译码器的译码输出软信息反馈至差分编码译码器的输入端作为先验信息进行迭代译码。

优选地，在所述步骤三中，信道冲激响应h由独特码UW与采样序列运算得到，匹配滤波输出送至内码差分译码器；在迭代译码过程中，内码译码器输出码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)，与输入的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)相加后进行硬判决，并与独特码UW重新成帧后反馈给迭代信道估计器，得到新的信道冲激响应

匹配滤波输出作为新的待译码序列送至内码差分译码器。

优选地，所述步骤三包括如下步骤：

第一子步骤：解调器先对A/D采样进行解旋转操作，计算公式如下：

$y_k={r_{k}j}^{-k}\≈\sqrt{\frac{2E_b}{T}}\underset{n=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n}h\left(n\right)$

其中E_b为每比特能量，c_n是差分编码输出比特与独特码UW复用得到的信息码元，h＝[h₀h₁...h_k-1]^T为信道冲激响应；

第二子步骤：信道冲激响应估计值由独特码UW与y_k运算得到，计算公式如下：

$\hat{h}=\frac{1}{M}{S}^{T}y$

其中M为独特码UW长度，解旋转后数据y＝[y_k，y_k+1，...y_k+M-1]^T，独特码UW形成的Toeplitz矩阵S表示式为：

$S=\left(\begin{array}{cccc}{a}_k& a_{k-1}& ...& a_{k-L+1}\\ a_{k+1}& a_k& ...& a_{k-L+2}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{k+M-1}& a_{k+M-2}& ...& a_{k+M-L}\end{array}\right)$

第三子步骤：接收机将信道冲激响应估计值

作为滤波器系数对解旋转后的采样序列进行匹配滤波，滤波输出取实部后与信道置信度Lc相乘得到码字符号概率对数似然比Λ(c；I)进行迭代解调译码；设置最大迭代次数N，令迭代计数器n＝0，令信息符号概率对数似然比Λ(u；I)的初始值为0；

第四子步骤：判断迭代计数器n是否超出迭代次数N，如果n≥N，则跳至第九步，迭代译码结束；反之内码差分译码器利用匹配滤波输出的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)作为输入，对每个样本计算码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)和信息符号概率对数似然比增量Λ(u；O)；

第五子步骤：将内码译码输出Λ(u；O)经解交织后作为外码译码器的Λ′(c；I)输入，而外码译码器的Λ′(u；I)恒为0；

第六子步骤：内码译码器将外码译码器输出Λ′(c；O)经交织后作为内码的Λ(u；I)输入；

第七子步骤：内码译码器输出码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)，与输入的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)相加后进行硬判决，并与独特码重新成帧后反馈给迭代信道估计器。信道冲激响应

根据下式迭代更新：

$\hat{h}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}y\≈\frac{1}{N+M}{A}^{T}y$

其中N为交织器长度，Toeplitz矩阵A由独特码UW和内码译码器硬判决输出得到；

第八子步骤：接收机将新的信道冲激响应估计值

作为滤波器系数对解旋转后的采样序列进行匹配滤波，滤波输出取实部后与信道置信度Lc相乘得到新的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)送至内码译码器；

第九子步骤：将外码译码器的输出Λ′(u；O)硬判决得到译码输出。

为了实现发明目的，本发明提出的方法包括：

1、将GMSK信号等效为差分编码级连PAM信号的形式，保留差分编码作为编码GMSK信号的内码，将差分编码输出与准相干解调所需要的独特码UW复用后的数据进行预编码操作，并送至GMSK调制器。

2、GMSK等效差分编码的译码软输出信息反馈至信道软输入软输出译码器。

3、信道软输入软输出译码器的译码输出软信息反馈至差分编码译码器的输入端作为先验信息进行迭代译码。

4、在迭代译码开始前，信道冲激响应h由独特码UW与采样序列运算得到，匹配滤波输出送至内码差分译码器。在迭代译码过程中，内码译码器输出码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)，与输入的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)相加后进行硬判决，并与独特码UW重新成帧后反馈给迭代信道估计器，得到新的信道冲激响应

匹配滤波输出作为新的待译码序列送至内码差分译码器。

附图说明

图1.本发明对GMSK信号的等效方法；

图2.本发明提供的GMSK信号的串行级联编码方法；

图3.本发明提供的并行迭代信道估计与准相干迭代解调译码方法。

具体实施方法

下面结合附图和实施示例进一步说明本发明，以下假设信道纠错编码采用卷积码，如采用其它类型的信道纠错编码，只要在本发明的信道译码器处构造相应的译码方法来得到译码软输出信息，就可以直接套用本发明的方法。

实施例

图1是本发明对GMSK信号的等效方法。其中信息比特b_n∈{+1，-1}，h₀(t)为Laurent分解后第一个PAM信号的冲激响应，如图1所示GMSK信号可以等效为差分编码级连PAM信号的形式。

图2是本发明提供的GMSK信号的串行级联编码方法。如图2所示，用户信息比特a_i经信道编码后，经过交织器，再进行差分编码。差分编码输出比特与独特码UW复用后进行预编码操作，然后将预编码输出送至GMSK调制器，其中预编码操作的目的是消除GMSK信号内在的差分编码特性。

图3是本发明提供的并行迭代信道估计与准相干迭代解调译码方法。这里以信道编码为卷积码，译码均采用加法SISO译码算法为例说明本发明的并行迭代信道估计与准相干迭代解调译码方法，其中，加法SISO译码算法可参见公开文献“Benedetto S，Divsalar D，Montorsi G，Pollara F.A soft-input soft-output APP module for iterative decoding of concatenated codes.IEEECommunications Letters，1997，1(1)：22-24”。整个过程包括如下步骤：

第一子步骤：解调器先对A/D采样进行解旋转操作，该步只包括简单的正负变号和实、虚部交换操作，运算量很小。计算公式如下：

$y_k={r_{k}j}^{-k}\≈\sqrt{\frac{2E_b}{T}}\underset{n=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n}h\left(n\right)---\left(1\right)$

其中E_b为每比特能量，c_n是差分编码输出比特与独特码UW复用得到的信息码元，h＝[h₀ h₁...h_k-1]^T为信道冲激响应，式(1)表明解旋转后的预编码GMSK信号可看作是双极性的PAM信号。

第二子步骤：迭代解调译码开始前，信道冲激响应估计值

由独特码UW与y_k运算得到，计算公式如下：

$\hat{h}=\frac{1}{M}{S}^{T}y---\left(2\right)$

其中M为独特码UW长度，解旋转后数据y＝[y_k，y_k+1，...y_k+M-1]^T，独特码UW形成的Toeplitz矩阵S表示式为：

$S=\left(\begin{array}{cccc}{a}_k& a_{k-1}& ...& a_{k-L+1}\\ a_{k+1}& a_k& ...& a_{k-L+2}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{k+M-1}& a_{k+M-2}& ...& a_{k+M-L}\end{array}\right)---\left(3\right)$

第三子步骤：接收机将信道冲激响应估计值

作为滤波器系数对解旋转后的采样序列进行匹配滤波，滤波输出取实部后与信道置信度Lc相乘得到码字符号概率对数似然比Λ(c；I)进行迭代解调译码。设置最大迭代次数N，令迭代计数器n＝0，令信息符号概率对数似然比Λ(u；I)的初始值为0。

第四子步骤：判断迭代计数器n是否超出迭代次数N，如果n≥N，则跳至第9步，迭代译码结束；反之内码差分译码器利用匹配滤波输出的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)作为输入，对每个样本计算码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)和信息符号概率对数似然比增量Λ(u；O)。

第五子步骤：将内码译码输出Λ(u；O)经解交织后作为外码译码器的Λ′(c；I)输入，而外码译码器的Λ′(u；I)恒为0。

第六子步骤：内码译码器将外码译码器输出Λ′(c；O)经交织后作为内码的Λ(u；I)输入。

第七子步骤：在迭代译码时，内码译码器输出码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)，与输入的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)相加后进行硬判决，并与独特码重新成帧后反馈给迭代信道估计器。信道冲激响应

根据下式迭代更新：

$\hat{h}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}y\≈\frac{1}{N+M}{A}^{T}y---\left(4\right)$

其中N为交织器长度，Toeplitz矩阵A由独特码UW和内码译码器硬判决输出得到。

第八子步骤：接收机将新的信道冲激响应估计值

作为滤波器系数对解旋转后的采样序列进行匹配滤波，滤波输出取实部后与信道置信度Lc相乘得到新的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)送至内码译码器。

第九子步骤：将外码译码器的输出Λ′(u；O)硬判决得到译码输出。

Claims (6)

1.一种GMSK信号的串行级联编码与准相干迭代译码方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将GMSK信号等效为差分编码级连PAM信号的形式；

步骤二：保留差分编码作为编码GMSK信号的内码；

步骤三：与原有的信道编码进行迭代方式的解调和译码，其中，在迭代译码过程中，同步更新信道冲激响应估计值，并形成新的待译码序列送至内码译码器。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤一和步骤二中，将差分编码输出与准相干解调所需要的独特码UW复用后的数据进行预编码操作，并送至GMSK调制器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤三中，GMSK等效差分编码的译码软输出信息经解交织后反馈至信道软输入软输出译码器，进行信道译码，与之形成迭代解调译码过程，迭代若干次后进行判决。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤三中，信道软输入软输出译码器的译码输出软信息反馈至差分编码译码器的输入端作为先验信息进行迭代译码。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤三中，信道冲激响应h由独特码UW与采样序列运算得到，匹配滤波输出送至内码差分译码器；在迭代译码过程中，内码译码器输出码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)，与输入的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)相加后进行硬判决，并与独特码UW重新成帧后反馈给迭代信道估计器，得到新的信道冲激响应

匹配滤波输出作为新的待译码序列送至内码差分译码器。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三包括如下步骤：

第一子步骤：解调器先对A/D采样进行解旋转操作，计算公式如下：

$y_k={r_{k}j}^{-k}\≈\sqrt{\frac{2E_b}{T}}\underset{n=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n}h\left(n\right)$

其中E_b为每比特能量，c_n是差分编码输出比特与独特码UW复用得到的信息码元，h＝[h₀h₁...h_k-1]^T为信道冲激响应；

第二子步骤：信道冲激响应估计值由独特码UW与y_k运算得到，计算公式如下：

$\hat{h}=\frac{1}{M}{S}^{T}y$

其中M为独特码UW长度，解旋转后数据＝[y_k，y_k+1，...y_k+M-1]^T，独特码UW形成的Toeplitz矩阵S表示式为：

$S=\left(\begin{array}{cccc}{a}_k& a_{k-1}& ...& a_{k-L+1}\\ a_{k+1}& a_k& ...& a_{k-L+2}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{k+M-1}& a_{k+M-2}& ...& a_{k+M-L}\end{array}\right)$

第三子步骤：接收机将信道冲激响应估计值

作为滤波器系数对解旋转后的采样序列进行匹配滤波，滤波输出取实部后与信道置信度Lc相乘得到码字符号概率对数似然比Λ(c；I)进行迭代解调译码；设置最大迭代次数N，令迭代计数器n＝0，令信息符号概率对数似然比Λ(u；I)的初始值为0；

第四子步骤：判断迭代计数器n是否超出迭代次数N，如果n≥N，则跳至第九步，迭代译码结束；反之内码差分译码器利用匹配滤波输出的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)作为输入，对每个样本计算码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)和信息符号概率对数似然比增量Λ(u；O)；

第五子步骤：将内码译码输出Λ(u；O)经解交织后作为外码译码器的Λ′(c；I)输入，而外码译码器的Λ′(u；I)恒为0；

第六子步骤：内码译码器将外码译码器输出Λ′(c；O)经交织后作为内码的Λ(u；I)输入；

第七子步骤：内码译码器输出码字符号概率对数似然比增量Λ(c；O)，与输入的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)相加后进行硬判决，并与独特码重新成帧后反馈给迭代信道估计器。信道冲激响应

根据下式迭代更新：

$\hat{h}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}y\≈\frac{1}{N+M}{A}^{T}y$

其中N为交织器长度，Toeplitz矩阵A由独特码UW和内码译码器硬判决输出得到；

第八子步骤：接收机将新的信道冲激响应估计值

作为滤波器系数对解旋转后的采样序列进行匹配滤波，滤波输出取实部后与信道置信度Lc相乘得到新的码字符号概率对数似然比Λ(c；I)送至内码译码器；

第九子步骤：将外码译码器的输出Λ′(u；O)硬判决得到译码输出。

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