CN103888218A - 基于psk信号与ldpc码联合迭代解调译码的信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法。该方法第一步在发送端将需要发送的信息序列进行LDPC编码，编码后的信息进行交织，并添加辅助数据，接着进行PSK调制；第二步将PSK信号通过一个分块非相干高斯白噪声信道发送给接收端；第三步在接收端将PSK信号解调与LDPC码译码相结合进行迭代解调译码，恢复出发送的信息序列。该方法无需进行相位恢复即可进行解调译码，性能接近采用相干解调译码方法，且硬件实现复杂度很低。该方法可用于慢跳频等相位同步实现困难或代价过大的通信系统。

Description

基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术，特别是一种基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的传输方法。 

背景技术

LDPC（低密度校验码）码早在上世纪七十年代就已经被提出，但是长期没有受到重视。随着上世纪九十年代初期迭代译码方法的出现和发展，LDPC码有了很好的译码方法，且性能非常接近理论极限，从而焕发了蓬勃生机，得到了飞速发展，特别是进入本世纪以来在各类新的通信标准中得到广泛应用。 

PSK（相移键控）调制方法是一种非常传统和成熟的调制技术，应用非常之广。当前，很多通信系统中都采用了这种调制方式。LDPC码和PSK调制方式相结合的通信系统也很多，例如卫星数字广播电视DVB-s2中就是采用这种方式。PSK调制方式可以采用相干解调或者差分解调。相干解调性能更好但是必须实现准确的载波同步，差分解调受载波同步精度影响较小，但是性能比相干解调方式约差3dB。在一些应用场合，载波同步比较困难，例如慢跳频通信中每一跳仅数十个符号，很难实现准确的载波同步。一般这种场合都采用差分解调的方法。随着迭代接收技术的逐步发展，人们开始研究利用译码信息来辅助差分解调，通过迭代的方法降低差分解调性能损失，使之在不用进行准确载波同步的情况具备接近相干解调的性能。迭代联合解调译码的方法兼具相干解调性能好和差分解调不须准确载波同步的优点，因而受到了广泛的关注，得到了较快的发展。但是，目前大多迭代联合解调译码信息传输方法的复杂度太高，不易工程实现。 

R.R.Chen,R.Koetter,D.Agrawal,and U.Madhow,“Joint demodulation and decoding for the noncoherent block fading channel:a practical framework for approaching channel capacity,”（IEEE Trans.Commun.,vol.51,no.10,pp.1676–1689,Oct.2003.）一文提出了一种将解调和信道译码结合在一起并通过迭代的方法来提高解调译码性能的方法。其目的是解决短突发信号信号在难以进行准确相位估计的情况下如何保证高性能接收的问题。采用该方法可以得到比相干解调仅差0.6dB的性能。但是该方法的运算量太大。针对这一问题，N.Jacobsen, U.Madhow等人在文献“Coded noncoherent communication with amplitude/phase modulation:from shannon theory to practical architectures,”（IEEE Trans.Commun.,vol.56,no.12,pp.2040–204,Dec.2008.）中提出了采用对数域计算和最大路径检测方法来降低计算复杂度。尽管该方法的复杂度相对之前R.R.Chen等人提出的方法有很大改善，但是其硬件实现复杂度依然很高，不适合工程实现，特别是不适合利用FPGA等器件来实现高速信号接收。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的传输方法，解决慢跳频通信等通信系统相位同步实现困难或代价过大的问题。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，方法步骤如下： 

步骤1、在发送端，进行编码和调制,步骤如下： 

1-1）编码，将需要传输的二进制比特信息序列送入LDPC编码器，得到长度为S的编码信息序列； 

1-2）交织，将编码后得到的编码信息序列逐行记入一个N行M列的数列，其中M×N=S； 

1-3）添加辅助数据，将上一步中每列数据作为一帧，在每帧数据前添加P个0作为辅助数据，得到长度为T=P+N的数据帧； 

1-4）调制，将长度为T数据帧逐帧进行PSK调制，得到PSK信号x_n，调制方式如下： 

x_n=exp(jπw_n) 

w_n为一帧中的第n个数据，n的取值范围为0至T-1，j表示虚数。 

步骤2、PSK信号x_n经过一个分块非相干高斯白噪声信道后被接收端接收，接收信号r_n为 

r_n=Aexp(jθ)x_n+η_n

A是一个表征传输衰减大小的参数；θ是传输过程中的相位旋转度数，在区间[0,2π]内随机均匀分布，在每帧接收信号内θ保持不变，各帧接收信号的θ独 立不相关；η_n为高斯白噪声信号。 

步骤3、在接收端进行解调和译码，具体步骤如下： 

3-1）相位旋转，将接收到的信号r_n相位依次旋转2πl/L度，从而得到L组具有不同相位旋转量的信号，其中L为相位离散化数量，l取值从0到L-1； 

3-2）确定权重，根据旋转后信号的实部Re(r_ln)和交织后的译码外信息e_n确定各组信号的权重ω_l，并找到权重最大的分组和权重最小的分组，其中e_n初始值为0； 

3-3）解调，将权重最大分组信号的实部乘以修正因子α，得到解调值d_n； 

3-4）解交织，将解调值逐行记入一个M行N列的数列，然后逐列输出解交织后的解调值； 

3-5）译码，采用修正最小和译码算法对解调值进行译码，得到译码过程中各个比特对应的软判决值γ_s、硬判决信息以及译码得到的外信息e_s； 

3-6）交织，将译码得到的外信息e_s逐行记入一个N行M列的数列，在每列数据前添加P个0得到交织后的译码外信息e_n，然后逐列输出，之后返回到步骤3-2，直至达到预定迭代次数后，将译码得到的硬判决信息输出，即可得到发送的信息序列。 

步骤3-2中权重ω_l公式如下： 

${\mathrm{\ω}}_l=\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)+\underset{n=P}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)+e_n|$

其中n是一个分组中第几个数据的索引号，取值为0到T，r_l,n表示第l个相位旋转后的分组中的第n个数据。 

步骤3-3中修正因子α，

其中ω_max是第二步中得到的最大权重，ω_min是与最大权重分组反相的分组的权重。 

步骤3-3中解调值d_n： 

$d_n=\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)(1-\exp (-|\frac{{\mathrm{\ω}}_{\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\min }}\left|\right))$

式中

表示最大权重分组中的第n个数据。 

步骤3-5中，译码得到的外信息e_s

e_s=γ_s-μ_s

其中μ_s为步骤3-4解交织后输出的第s个解调值。 

步骤3-6中记载的预定迭代次数为50-80次。 

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）与基于相干解调的信息传输技术相比，其优点在于无需进行相位估计，因此特别适合于某些难以进行准确相位的场合；（2）与传统的基于非相干差分解调的信息传输技术相比，其优点在于解调译码门限要低2.3到2.6dB；（3）与chen等人提出的基于迭代非相干解调译码的信息传输方式相比，其最大优点在于运算复杂度低，适合硬件实现，实用性更强。 

附图说明

图1为本发明的流程图。 

图2为本发明的解调译码性能曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

步骤1、在发送端，进行编码和调制，具体步骤如下： 

本发明所针对的通信系统基本组成如图1所示，发送信息分为若干个长度为K的分组，分别进行LDPC编码，得到长度为S的编码数据。本例中采用码长S=4032,码率为1/2的规则准循环LDPC码，分块大小为168，其母矩阵如下 

[-1,-1,91,-1,-1,46,145,-1,-1,-1,98,-1,-1,-1,-1,41,-1,-1;-1,-1,-1,-1,-1,145,-1,45,-1,98,45,-1,-1,-1,-1,108,-1,-1;-1,-1,-1,-1,-1,116,45,-1,-1,-1,-1,16,-1,-1,-1,-1,-1,-1;-1,157,-1,-1,116,-1,166,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,132,-1,-1,-1;157,-1,-1,116,-1,-1,-1,45,-1,-1,-1,41,-1,-1,-1,-1,-1,-1;-1,-1,116,-1,166,-1,-1,-1,16,-1,-1,-1,132,-1,-1,-1,-1,-1; -1,-1,45,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,108,132,164,150,-1,-1,101,-1;-1,45,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,108,-1,-1,150,-1,-1,-1,98,-1;-1,-1,-1,-1,82,-1,-1,-1,108,-1,-1,-1,-1,163,-1,98,61,-1;-1,98,-1,82,-1,-1,-1,108,132,164,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,167;98,-1,-1,16,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,61,-1,-1,155;45,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,61,153,-1,-1,104;] 

然后对编码后的二进制编码数据进行分组交织。采用分组交织方式，即将编码后的信息逐行写入一个N行M列（要求M×N=S）的存储表，然后逐列输出。N、M的选择取决于通信体制设计具体要求，建议N的取值范围为30至60之间。本例中取N=48，M=84。 

每列输出的N个数据作为一帧。为每帧数据添加P个辅助数据，即在每帧数据前添加P个数据0。P的取值建议在2至5之间，P过短性能较差，过长帧效率损失较大。本例中取P=3。例如一帧数据为[1,1,0,1,1,0,0,1,1,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,1,0,0,0,1]， 

添加辅助数据后得到[0,0,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,1,0,0,0,1]。 

添加辅助数据后每帧的长度为T=P+N。接着将各帧数据分别进行PSK调制。调制方式如下 

x_n=exp(jπw_n)   （1） 

exp表示指数运算，j表示虚数，π表示圆周率，w_n为一帧中的第n个数据，n的取值范围为0至T-1。 

步骤二、PSK信号经过一个分块非相干高斯白噪声信道送给接收端，具体如下。 

信号按照调制后逐帧地发送到信道。信道为分块非相干高斯白噪声信道。该信道特点如下，信号在信道中传输时，受到均值为0，方差为σ²的高斯白噪声干扰。 每帧信号相位固定，但是随机且未知。接收信号可以表示为 

r_n=Aexp(jθ)x_n+η_n   （2） 

式中r_n为接收到的一帧信号中n个信号，A是一个表征传输衰减大小的参数。θ是传输过程中的相位旋转度数，在区间[0,2π]内随机均匀分布，在每帧接收信号内θ保持不变，各帧接收信号的θ独立不相关，η_n为高斯白噪声信号。 

步骤三、接收端进行联合迭代解调译码，具体步骤如下： 

3-1）相位旋转。 

将相位在区间[0,2π]内L等分，得到

l的取值为0到L-1，然后将接收到的信号r_n逐帧进行相位旋转。本例中选择L=32。信号旋转后的表达式如下 

$r_{l,n}=r_n\exp \left(j{\widehat{\mathrm{\θ}}}_l\right)---\left(3\right)$

将一帧接收信号相位旋转2πl/L后得到得到的数据分组称为第l组数据，即数据组[r_l,0,r_l,1...r_l,T-1]。 

3-2）权重计算 

即计算步骤一中得到的各组数据权重。权重计算公式如下 

${\mathrm{\ω}}_l=\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)+\underset{n=P}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)+e_n|---\left(4\right)$

Re表示取实部。e_n为外信息，第一次迭代运算时取值为0，之后为前一次迭代时LDPC译码器输出的外信息值。然后对ω_l进行排序，得到最大值ω_max及其对应的分组编号

即相位旋转为的分组权重最大。与该最大权重分组相位相差π的分组的编号为

mod为取模运算。将该分组的权重记为ω_min。 

3-3）解调 

计算除辅助信息对应的P个数据外的解调值，计算方法如下 

$d_n=\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)(1-\exp (-|\frac{{\mathrm{\ω}}_{\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\min }}\left|\right))---\left(5\right)$

式中

表示最大权重分组中的第n个数据，由于辅助数据不需要进行解调，此处n的取值为P至T-1。通过解调可以得到M帧长度为N的解调值。 

3-4）解交织 

为将解调值恢复到与LDPC编码器输出数据相同的顺序，需要在译码之前进行解交织。即将得到的解调值逐行计入一个M行N列的数列，然后逐列输出，得到长度为S的译码器输入解调信息序列。将第s个解调值记为μ_s。此处记入和输出顺序正好与发送端交织的顺序相反，从而恢复了原来信息序列的顺序。进行交织和解交织的目的是降低相邻数据之间的相关性。 

3-5）LDPC译码 

由于本发明中的解调值不是最大似然判决值，因此不能使用BP译码等概率译码方法，而需要采用一些与信道信噪比无关的译码方法。本例中采用修正最小和译码方法。该译码方式是一种通用算法，可在各类LDPC码相关书籍中得到详细的描述。译码后得到各比特信息对应的软判决值γ_s和硬判决值m_s。 

$m_s=\left\{\begin{array}{cc}0,& {\mathrm{\&gamma;}}_s\&GreaterEqual;0\\ 1,& {\mathrm{\&gamma;}}_s<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

此外，还可以得到外信息e_s，计算公式如下 

e_s=γ_s-μ_s   （7） 

当达到最大迭代次数时，输出硬判决值。本例中最大迭代次数设定为60次。 

3-6）交织 

此处交织方式与编码时交织方式相同，将e_s逐行计入一个N行M列的数列，然后逐列输出。每列输出的数据前添加P个0得到e_n。 

第3-6步之后返回第3-2步，如此循环直到达到预定迭代次数。预定迭代次数取值在50到80之间。迭代次数小时性能略差，迭代次数多时性能较好但是解调译码时延比较大，需要根据实际信息传输系统设计要求而定。 

迭代结束后，将最有一次译码得到的硬判决信息m_s输出，即可得到接收信 息序列，完成整个信息传输过程。 

采用本方法得到性能曲线如图2所示，图中三种基于不同解调译码算法的信息传输方法都采用了相同的LDPC编译码方法，仅解调方法不同。可见，相对采用传统差分解调方法性能改善了约2.9dB，较相干解调方法仅差0.3dB。 

Claims (6)

1.一种基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、在发送端，进行编码和调制,步骤如下：

1-1）编码，将需要传输的二进制比特信息序列送入LDPC编码器，得到长度为S的编码信息序列；

1-2）交织，将编码后得到的编码信息序列逐行记入一个N行M列的数列，其中M×N=S；

1-3）添加辅助数据，将上一步中每列数据作为一帧，在每帧数据前添加P个0作为辅助数据，得到长度为T=P+N的数据帧；

1-4）调制，将长度为T数据帧逐帧进行PSK调制，得到PSK信号x_n，调制方式如下：

x_n=exp(jπw_n)

w_n为一帧中的第n个数据，n的取值范围为0至T-1，j表示虚数；

步骤2、PSK信号x_n经过一个分块非相干高斯白噪声信道后被接收端接收，接收信号r_n为

r_n=Aexp(jθ)x_n+η_n

A是一个表征传输衰减大小的参数；θ是传输过程中的相位旋转度数，在区间[0,2π]内随机均匀分布，在每帧接收信号内θ保持不变，各帧接收信号的θ独立不相关；η_n为高斯白噪声信号；

步骤3、在接收端进行解调和译码，具体步骤如下：

3-1）相位旋转，将接收到的信号r_n相位依次旋转2πl/L度，从而得到L组具有不同相位旋转量的信号，其中L为相位离散化数量，l取值从0到L-1；

3-2）确定权重，根据旋转后信号的实部Re(r_ln)和交织后的译码外信息e_n确定各组信号的权重ω_l，并找到权重最大的分组和权重最小的分组，其中e_n初始值为0；

3-3）解调，将权重最大分组信号的实部乘以修正因子α，得到解调值d_n；

3-4）解交织，将解调值逐行记入一个M行N列的数列，然后逐列输出解交织后的解调值；

3-5）译码，采用修正最小和译码算法对解调值进行译码，得到译码过程中各个比特对应的软判决值γ_s、硬判决信息以及译码得到的外信息e_s；

3-6）交织，将译码得到的外信息e_s逐行记入一个N行M列的数列，在每列数据前添加P个0得到交织后的译码外信息e_n，然后逐列输出，之后返回到步骤3-2，直至达到预定迭代次数后，将译码得到的硬判决信息输出，即可得到发送的信息序列。

2.根据权利要求1所述的基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，其特征在于：步骤3-2中权重ω_l公式如下：

${\mathrm{\&omega;}}_l=\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)+\underset{n=P}{\overset{T-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}|\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)+e_n|$

其中n是一个分组中第几个数据的索引号，取值为0到T，r_l,n表示第l个相位旋转后的分组中的第n个数据。

3.根据权利要求1所述的基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，其特征在于：步骤3-3中修正因子α，

其中ω_max是第二步中得到的最大权重，ω_min是与最大权重分组反相的分组的权重。

4.根据权利要求1或2所述的基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，其特征在于，步骤3-3中解调值d_n：

$d_n=\mathrm{Re}\left(r_{l,n}\right)(1-\exp (-|\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{\max }}{{\mathrm{\&omega;}}_{\min }}\left|\right))$

式中表示最大权重分组中的第n个数据。

5.根据权利要求1所述的基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，其特征在于：步骤3-5中，译码得到的外信息e_s

e_s=γ_s-μ_s

其中μ_s为步骤3-4解交织后输出的第s个解调值。

6.根据权利要求1所述的基于PSK信号与LDPC码联合迭代解调译码的信息传输方法，其特征在于：步骤3-6中记载的预定迭代次数为50-80次。

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