CN102571108A - 一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法 - Google Patents

一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法 Download PDF

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Abstract

一种用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法，包括以下步骤：存储由仿真获得的信道环境值与对应的迭代因子的仿真样本于存储器，根据解调端输出的软信息R估算信道环境值S，针对不同的信道环境值S选择对应的一组最合适的迭代因子；然后将该软信息R及选择的迭代因子送入Turbo码SISO迭代译码器进行译码；由迭代终止判断单元检测当前次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。其能够针对不同的信道环境选择合适的迭代因子实现最优译码，自适应的选择迭代次数，有效降低接收机的功耗。

Description

一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及通信中的信道编解码技术，具体是一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法及装置。
背景技术
1.  Turbo乘积码简介
Berrou等人在1993年首次提出了Turbo码的概念，Turbo码能获得接近香农极限的纠错性能，并开始在各种通信系统中实现应用。之后在Turbo码的基础上又发展起来了Turbo乘积码。乘积码的性能更加接近香农极限，并且实现简单具有较小的译码复杂度，因此Turbo乘积码提出以后得到了广泛的研究，在各个通信领域也得到了广泛的应用。
2.  Turbo乘积码的编码原理
  我们以二维乘积码为例来讲述乘积码的构成。设分组码:                                                
Figure 412993DEST_PATH_IMAGE001
和。其中n表示编码长度，k表示信息比特长度，d表示最小汉明距离。二维乘积码
Figure 246267DEST_PATH_IMAGE003
的构造方式如图4所示。
3. 常见的Turbo乘积码译码方法
一般来说，Turbo乘积码的译码算法有两种，分别为硬判决译码和软判决译码。硬判决译码中，解调器提供给译码器作为译码用的每个码元只取0或1两个值，判决门限为0，若接收电压的幅度小于0，则译码器输出为0，反之则输出为1，这种判决结果会损失掉接收信号中所包含的有用信息。软判决译码使用软信息，充分利用了接收信号波形中的信息，是译码器能够以更大的正确概率判决所发的码字。
3.1   Turbo乘积码的硬判决译码算法
硬判决译码算法是根据Turbo乘积码的编码过程而提出的一种复杂度比较低的译码算法。该译码器由一个行硬判决译码器和一个列硬判决译码器级联组成，基本结构如图5所示。
3.2   Turbo乘积码的软判决译码算法
  Turbo乘积码是一种串行级联码，所以采用软判决迭代译码能提升Turbo乘积码的性能。最常用的就是Chase译码迭代算法，Chase算法是一种软输入硬输出的译码算法，其输出为硬判决信息，1998年Pyndiah针对Turbo乘积码提出一种基于修正的Chase译码算法的迭代译码算法（Chase-Pyndiah算法）。迭代译码结构由行、列译码器串行级联而成，结构如图6所示。
传统的大多数迭代译码法都是选择用固定的迭代次数，这些方案不能在不同的信噪比下给出最优的译码结果，并且在低噪声信道环境下，较大的迭代次数带来不必要的功耗浪费。
发明内容
为避免现有技术存在的上述不足，本发明提供一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法及译码装置，其能够针对不同的信道环境选择合适的迭代因子实现最优译码，自适应的选择迭代次数，有效降低接收机的功耗。
本发明还提供一种信道环境估算方法，获得的信道环境值S可用来间接衡量信道的信噪比大小，用于自适应Turbo迭代译码中。
本发明应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法，包括以下步骤：事先将由仿真获得的信道环境值与对应的迭代因子的仿真样本数据存储于一存储器；根据来自解调端的软信息R估算信道环境值S，针对不同的信道环境值S选择该存储器中的最接近的信道环境值所对应的一组迭代因子；然后将该软信息R及选择的迭代因子送入Turbo码SISO迭代译码器进行译码；由迭代终止判断单元检测当前次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。
 其中，1、信道环境估计获取信道环境值S方法是：
（1）、接收的软信息
Figure 858514DEST_PATH_IMAGE004
是一个
Figure 349670DEST_PATH_IMAGE005
的矩阵，对R的每一个元素做硬判决得到矩阵K
        
Figure 846510DEST_PATH_IMAGE006
 ；
 （2）、根据现有行、列编码规则、
Figure 14503DEST_PATH_IMAGE008
对矩阵K做硬译码：硬译码可以先对K的行进行译码，然后对K的列进行译码，得到译码码字；
（3）、根据硬译码码字
Figure 152541DEST_PATH_IMAGE009
与软信息R估算信道环境。信道环境的好坏，表现为信道信噪比的大小，本发明不直接计算信道信噪比，而以硬译码码字
Figure 657471DEST_PATH_IMAGE009
与所述软信息R之间的距离
Figure 96674DEST_PATH_IMAGE010
作为信道环境值S，即以信道环境值S来间接衡量信道的信噪比大小。
 2、信道环境值S的最优迭代因子的选择方法是：
本发明用所述信道环境值S来衡量信道的信噪比大小，根据S的值选择最合适的迭代因子
Figure 280531DEST_PATH_IMAGE011
。S与
Figure 994540DEST_PATH_IMAGE011
的对应关系可以事先由MATLAB仿真获得。具体的步骤如下：
（1）  生成一组信噪比测试向量
Figure 213032DEST_PATH_IMAGE012
（2）  选择一个信噪比进行仿真
（3）  MATLAB生成噪声序列n，以及发送的码字c，接收的软信息：
Figure 166392DEST_PATH_IMAGE014
         并按照发明内容1估算
Figure 808726DEST_PATH_IMAGE015
（4）  预先设定一组备选迭代因子向量
Figure 147304DEST_PATH_IMAGE016
 ，
Figure 193888DEST_PATH_IMAGE017
（5） 大样本仿真，将R和每一个组合的
Figure 758862DEST_PATH_IMAGE018
送入SISO迭代译码器，仿真译码器性能，译码器性能有两个评价因子：误码率和迭代次数。选择和合适的权重来评估译码器的性能。选择性能最好的
Figure 798362DEST_PATH_IMAGE018
作为在信道环境
Figure 1898DEST_PATH_IMAGE019
下的最优迭代因子：
    
Figure 344018DEST_PATH_IMAGE020
     其中c是权重，
Figure 520921DEST_PATH_IMAGE021
,
Figure 849266DEST_PATH_IMAGE022
是归一化函数，将误码率和迭代次数映射一个可比较的空间里；
（6） k=k+1，重复步骤（2）直至仿真的SNR个数满足一定样本数；
（7） 得到一组S与确定的迭代因子
Figure 303381DEST_PATH_IMAGE023
的仿真样本。实际应用中可以对离散的S与
Figure 941035DEST_PATH_IMAGE023
的对应向量进行线性插值，可选方案有很多，不再赘述。
3、迭代终止判断方法
     最大似然译码是在许可码字空间找到与输入软信息R距离最小的码字作为译码输出。随着迭代次数的增加，信噪比逐渐减小，但是迭代次数达到一定程度之后，并不能更进一步降低误码率。大多数迭代译码算法都是选择用固定的迭代次数，这种方案不能在不同的信噪比下给出最优的译码结果，并且在低噪声信道环境下，较大的迭代次数带来不必要的功耗浪费。本发明提出一种低复杂度的迭代终止判断方法，自适应的选择迭代次数。为了实现上面的目标，本发明是这样实现的：
（1）    计算每次迭代译码输出的码字
Figure 559230DEST_PATH_IMAGE024
与上一次译码输出
Figure 940532DEST_PATH_IMAGE025
的距离：
    
Figure 249154DEST_PATH_IMAGE026
 
        该距离可有多种算法获得，如欧式距离、马氏距离和巴式距离；
（2） 根据判断译码器是否继续迭代
判断依据为：若
Figure 694359DEST_PATH_IMAGE028
终止迭代，否则继续迭代；其中H是迭代门限，迭代门限H值取经验值2-5。这个门限H跟TPC的编码方法
Figure 754719DEST_PATH_IMAGE029
和有关，一般情况下编码码率越低门限H的值应该越小。
 一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码装置，包括：
一存储器，用于存储由MATLAB仿真获得的信道环境值与对应的迭代因子的仿真样本数据； 
一信道环境估计模块，根据来自解调端的软信息R估算信道环境值S；
一迭代因子选择模块，用于针对不同的信道环境值S从该存储器中选择最接近的信道环境值所对应的一组最合适迭代因子；
一Turbo码SISO迭代译码器，对所述软信息R和由迭代因子选择模块选择的迭代因子进行译码；以及
一迭代终止判断单元，其两个输入端分别输入所述软信息R和所述迭代译码器输出的码字，迭代控制信号连接所述迭代译码器的控制端；用于检测当前次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。
 一种信道环境估算方法，用于自适应Turbo迭代译码中，该方法包括以下步骤：
（1）、对接收的
Figure 772670DEST_PATH_IMAGE005
矩阵形式的软信息R的每一个元素做硬判决，得到以下矩阵K            
     
Figure 21249DEST_PATH_IMAGE006
        ；
（2）、根据现有行、列编码规则
Figure 760666DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 637355DEST_PATH_IMAGE008
对矩阵K做硬译码，得到译码码字
Figure 928659DEST_PATH_IMAGE009
；
（3）、以该硬译码码字
Figure 539900DEST_PATH_IMAGE009
与所述软信息R之间的距离
Figure 66697DEST_PATH_IMAGE010
作为信道环境值S，即以信道环境值S来间接衡量信道的信噪比大小。
 本发明自适应Turbo迭代译码方法及装置，可根据解调端输出的软信息估算信道环境，针对不同的信道环境选择合适的迭代因子最优译码；由迭代终止判断单元检测每次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当获得的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。
传统的多数迭代译码法都是选择用固定的迭代次数，这些方案不能在不同的信噪比下给出最优的译码结果，并且在低噪声信道环境下，较大的迭代次数带来不必要的功耗浪费。本发明以信道环境选择合适的迭代因子，采用低复杂度的迭代终止判断方法，自适应的选择迭代次数，可有效的降低接收机的功耗，避免了传统采用固定迭代次数的弊端。
附图说明
图1是Turbo乘积码的自适应迭代软译码装置原理框图；
图2为DMR标准TPC编码矩阵框图；
图3为信道环境值S与最优迭代因子关系的MATLAB仿真流程图；
图4为Turbo乘积码构造示意图；
图5为由一个行硬判决译码器和一个列硬判决译码器级联组成的译码器结构图；
图6为Chase-Pyndiah迭代译码结构图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明。
参照图1，本发明应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码装置包括：存储器，用于存储由MATLAB仿真获得的信道环境值与对应的迭代因子的仿真样本数据；信道环境估计模块，根据来自解调端的软信息R估算信道环境值S；迭代因子选择模块，用于针对不同的信道环境值S从存储器中选择最接近的信道环境值对应的一组迭代因子；Turbo码SISO迭代译码器，对所述软信息R和由迭代因子选择模块选择的迭代因子进行译码；以及，迭代终止判断单元，其两个输入端分别输入所述软信息R和所述迭代译码器输出的码字，迭代控制信号连接所述迭代译码器的控制端；该单元用于检测当前次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。
 以DMR系统中的信道编解码为例，结合附图，对实施方案详细描述。本实例中的Turbo迭代译码采用Chase-Pyndiah方法。
DMR对Turbo码编码的规定：DMR信息矩阵
Figure 17466DEST_PATH_IMAGE031
共99位，编码后矩阵总共有195位。信息矩阵每行的编码
Figure 827476DEST_PATH_IMAGE007
为hamming(15,11,3)，每列的编码
Figure 660695DEST_PATH_IMAGE008
为hamming(11,9,3)，编码矩阵框图如图2所示：
对解调器输出的软信息矩阵
Figure 652922DEST_PATH_IMAGE033
的译码步骤是这样实现的：
1. 确定发明的信道环境值S与迭代因子
Figure 410662DEST_PATH_IMAGE018
的关系，以下步骤均在MATLAB下仿真实现，流程图见图3。
（1）选择一组
Figure 730916DEST_PATH_IMAGE034
单位db作为测试样本。
（2）选择一组
Figure 474881DEST_PATH_IMAGE035
与
Figure 790456DEST_PATH_IMAGE036
作为备选迭代因子
    
Figure 594464DEST_PATH_IMAGE037
   
（3）
Figure 808725DEST_PATH_IMAGE018
共用25种组合，对每一个
Figure 775544DEST_PATH_IMAGE039
采用Chase-Pyndiah迭代译码算法仿真，对的每一个组合的仿真结果记录如下测试数据：
      信道估计S采用欧式距离：
      
Figure 294567DEST_PATH_IMAGE040
     信噪比为
Figure 255701DEST_PATH_IMAGE039
下的平均  
Figure 201660DEST_PATH_IMAGE041
     迭代终止判据 : 
Figure 347470DEST_PATH_IMAGE042
     根据以下线性规划条件
     
Figure 129613DEST_PATH_IMAGE043
得到满足上述条件的
Figure 878126DEST_PATH_IMAGE018
,计为信道环境
Figure 553958DEST_PATH_IMAGE044
下的最优译码因子。改变
Figure 73932DEST_PATH_IMAGE039
值重复上述步骤，即得到与
Figure 770941DEST_PATH_IMAGE045
之间的对应关系的一组测试样本。
2. 译码器的迭代因子选择：
（1）计算信道环境值S
          
Figure 566858DEST_PATH_IMAGE040
（2）根据上一步骤仿真获得的已知
Figure 179105DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 664401DEST_PATH_IMAGE045
之间的对应关系测试样本，为S选择一个最优的迭代因子，是这样实现的：
    在步骤1仿真的
Figure 405141DEST_PATH_IMAGE044
向量中找一个距离S最近的仿真值
Figure 204601DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 307686DEST_PATH_IMAGE019
对应的
Figure 467272DEST_PATH_IMAGE018
即确定为本次迭代译码的迭代译码因子。
3. 迭代终止判断：
设第n次迭代译码输出码字为
Figure 581990DEST_PATH_IMAGE046
，则迭代终止的条件如下公式所示：
   
Figure 676985DEST_PATH_IMAGE042
。

Claims (6)

1.一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码方法，其特征是包括以下步骤：
由仿真获得的信道环境值与对应的迭代因子的仿真样本事先存储于一存储器；根据来自解调端的软信息R估算信道环境值S，针对不同的信道环境值S选择该存储器中的最接近的信道环境值所对应的一组迭代因子； 
然后将该软信息R及选择的迭代因子送入Turbo码SISO迭代译码器译码；由迭代终止判断单元检测当前次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离为欧式距离、马氏距离或巴式距离。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述迭代门限值为2-5。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是根据所述软信息R估算信道环境值S的步骤是： 
（1）、所述软信息R是一个                                                
Figure 201210043027X100001DEST_PATH_IMAGE001
的矩阵，对R的每一个元素做硬判决得到以下矩阵K                        
     ；
（2）、根据现有行、列编码规则
Figure 201210043027X100001DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 201210043027X100001DEST_PATH_IMAGE004
对矩阵K做硬译码，得到译码码字
Figure 201210043027X100001DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）、以该硬译码码字
Figure 16812DEST_PATH_IMAGE005
与所述软信息R之间的距离
Figure 201210043027X100001DEST_PATH_IMAGE006
作为信道环境值S，即以信道环境值S来间接衡量信道的信噪比大小。
5.一种应用于Turbo乘积码的自适应迭代译码装置，其特征是包括：
一存储器，用于存储由MATLAB仿真获得的信道环境值与对应的迭代因子的仿真样本； 
一信道环境估计模块，根据来自解调端的软信息R估算信道环境值S；
一迭代因子选择模块，用于针对不同的信道环境值S从该存储器中选择最接近的信道环境值所对应的一组迭代因子；
一Turbo码SISO迭代译码器，对所述软信息R和由迭代因子选择模块选择的迭代因子进行译码；以及
一迭代终止判断单元，其两个输入端分别输入所述软信息R和所述迭代译码器输出的码字，迭代控制信号连接所述迭代译码器的控制端；用于检测当前次译码的码字，并和上一次译码的码字做比较，当当前次译码的码字与上一次译码的码字的距离小于等于迭代门限时，结束译码并输出码字，否则继续迭代译码。
6.一种信道环境估算方法，用于自适应Turbo迭代译码中，其特征是包括以下步骤：
（1）、对接收的
Figure 137214DEST_PATH_IMAGE001
矩阵形式的软信息R的每一个元素做硬判决，得到以下矩阵K                          
  
Figure 589055DEST_PATH_IMAGE002
    ；
（2）、根据行、列编码规则、
Figure 595375DEST_PATH_IMAGE004
对矩阵K做硬译码，得到译码码字
Figure 886679DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）、以该硬译码码字
Figure 232340DEST_PATH_IMAGE005
与所述软信息R之间的距离
Figure 24716DEST_PATH_IMAGE006
作为信道环境值S，即以信道环境值S来间接衡量信道的信噪比大小。
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