CN104767537B

CN104767537B - 一种用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法

Info

Publication number: CN104767537B
Application number: CN201510122820.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: CN104767537A

Abstract

本发明公开了一种用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法，所述Turbo译码方法针对的译码器包括两个子译码器，所述两个子译码器进行串行的迭代译码；各子译码器中的迭代译码过程包括以下步骤：步骤1，在迭代译码之前，计算条件转移概率并存储；步骤2，分块及添加状态度量预处理比特；步骤3，首次迭代译码及存储边界状态度量信息；步骤4，非首次迭代译码：利用上一次迭代存储的边界状态度量信息，初始化M个原译码单元的状态度量值，对M个原译码单元并行地进行译码，输出似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特，存储此次迭代的边界状态度量信息；步骤5，判断是否停止迭代。本发明中的Turbo译码方法在保证译码性能的同时能有效地降低译码时延。

Description

一种用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法

【技术领域】

本发明涉及电力线载波系统通信，尤其涉及信道编码Turbo译码的方法实现。

【背景技术】

近年来，随着通信行业的发展，电力线网络因具有广阔的覆盖面积，无需另外铺设专用的网路，且接入方便灵活等特点使得基于电力线系统上的通信技术逐渐引起人们的普遍重视。但由于电力线上分支较多，使得信道呈现多径效应，导致频率选择性衰落，此外电力线上的负载较多，且可以随时、随地的随意切入，形成了多种噪声干扰，包括突发噪声，异步噪声等，噪声的复杂性必定对通信信号造成严重的干扰。通过对电力线信道的分析，发现必须选择一种强大的通信方式来对抗这种复杂的信道环境。而OFDM技术就具有这样的优势，OFDM在实现高速数据传输的同时，通过将数据调制到多个并行子载波上，降低每个子载波的数据传输率，从而对抗频率选择性衰落，同时每个符号前加入了保护间隔，使其大于信道的最大时延，消除符号间干扰。同时为了提高在复杂的电力线信道下信息传输的可靠性，需要将OFDM技术同一种高性能的信道编码方式相结合实现电力线信道下数据的高速，有效传输。1993年提出的Turbo码，它巧妙的将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了伪随机编码，同时译码采用SISO(软输入，软输出)迭代译码来逼近最大似然译码，因此具有很强的纠错能力，使得Turbo编码在LTE、WCDMA、802.16m、HomePlug中都得到了广泛的应用，但因Turbo计算复杂，多次迭代使得译码时延较大，很难满足目前对高速率数据传输的要求，因此减少译码时延成为Turbo译码研究的主要问题之一。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出了一种用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法，译码实时性好，译码时延较短。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法，所述Turbo译码方法针对的译码器包括两个子译码器，所述两个子译码器进行串行的迭代译码；各子译码器中的迭代译码过程包括以下步骤：步骤1，计算条件转移概率并存储：在迭代译码之前，子译码器并行计算输入的待译码的序列的每个时刻分支度量中的条件转移概率，并存储；步骤2，分块及添加状态度量预处理比特：子译码器分别将输入的待译码的序列划分成M个具有N个比特对长度的译码单元，并为M个译码单元分别添加前向、后向状态度量预处理比特，得到M个更新译码单元；其中，M由用户设定，N为译码序列长度/M；步骤3，首次迭代译码及存储：子译码器利用步骤1中存储的条件转移概率，对步骤2中M个更新译码单元并行地进行译码，输出对应M个原译码单元起始时刻到终止时刻之间的似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特；存储M个原译码单元起始时刻的有关后向度量的信息和终止时刻的有关前向度量的信息，作为边界状态度量信息；步骤4，非首次迭代译码：利用上一次迭代存储的边界状态度量信息，初始化M个原译码单元的状态度量值，对M个原译码单元并行地进行译码，输出似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特，存储此次迭代的边界状态度量信息；步骤5，判断是否停止迭代：判断迭代次数是否等于最大迭代次数，如果是，则停止迭代，否则，判断当前子译码器的本次迭代输出的硬判决比特与另一个子译码器的上次迭代或本次迭代输出的硬判决比特是否一致，如果是，则停止迭代，否则返回步骤4，进入下一次迭代译码过程。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方案中，在迭代之前即将分支度量中的状态转移概率提取并存储，相对于现有的在迭代过程中进行提取计算的方式，可减少每次迭代分支度量中的条件转移概率的重复计算，降低计算量。同时，迭代终止判断时，是判断比较两个子译码器的硬判决输出比特是否完全一致，实现迭代的终止判断，相比传统的迭代终止判断中是判断单一子译码器的前后两次迭代输出比特，本发明能减少子译码器的一次迭代，降低迭代次数，加快译码结果的输出。综上，本发明从降低计算量和减少迭代次数两方面，提高了译码速度，译码实时性较好，时延较短。

【附图说明】

图1是本具体实施方式中各子译码器中的迭代译码流程图；

图2是本具体实施方式中步骤2)中对译码序列添加状态预处理比特的优选方式示意图；

图3是现有的Turbo译码方法中状态预处理比特的添加方式示意图；

图4是本具体实施方式中步骤3)中进行首次迭代译码的流程图；

图5是本具体实施方式中步骤4)中根据简化信息进行初始化的示意图；

图6是本具体实施方式中的Turbo译码方法与传统的译码方法的性能比较结果图；

图7是本具体实施方式中Turbo译码方法所针对的译码器的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本具体实施方式的用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法，其参数设置如表1所示：

表1

参数	取值
		编码方式	HomePlug协议中的(2,1,3)卷积码
信道	AWGN
		调制方式	QPSK
码率	1/2
		译码序列长度	PB520(520*8bit)
译码单元个数	4
		预处理比特长度	48bit

本具体实施方式的Turbo译码方法，针对的译码器的结构如图7所示，包括两个子译码器DEC1和DEC2，两个子译码器进行串行的迭代译码。子译码器DEC1根据接收到的信息比特对软值y_kay_kb和校验比特软值计算分支度量中的条件转移概率；子译码器DEC2根据交织后的信息比特对软值y_k′_ay_k′_b和校验比特软值计算分支度量中的条件转移概率。子译码器DEC1利用自身存储的条件转移概率以及从子译码器DEC2传递过来的先验信息进行译码，译码后输出信息比特的后验对数似然比L_i(u_k)，基于LLR的硬判决比特，及外信息经过交织后传递给子译码器DEC2做先验信息。然后子译码器DEC2利用自身存储的条件转移概率以及从DEC1传递的先验概率进行译码，译码过程与子译码器DEC1一样，但子译码器DEC2输出的需进行解交织后传递给子译码器DEC1做先验信息。这样经过多次迭代译码，在第i次迭代译码过程中(i>1)，对于每个子译码器译码完成后进行迭代终止判决，如果满足终止条件则终止迭代,输出硬判决结果，得到译码输出比特，否则，进行下次迭代译码。

如图1所示，本具体实施方式的Turbo译码方法中，各子译码器中的迭代译码过程包括5个步骤：

1)子译码器计算并存储输入译码序列的条件转移概率。

该步骤中，子译码器对条件转移概率的计算是根据分支度量公式：公式中第一项表示计算和保存。

为了优化分支度量的计算复杂度，每一时刻仅计算条件转移概率中的2^(m+n)个不同值。在本具体实施方式中，子编码器的输入比特m＝2，输出校验n＝1，因此对于每个时刻的条件转移概率，优选地仅需计算32个转移概率中的8个不同值，相对于全部计算出32个转移概率值的方案，可总计减少加法运算1547520次，乘法计算量2063360次，从而可降低由计算量造成的时延。

2)将输入的待译码划分为M个译码单元具有N个比特对长度的译码单元，并为M个译码单元分别添加前向、后向状态度量预处理比特，得到M个更新译码单元；其中，M由用户设定，N为译码序列长度/M。

该步骤中，添加预处理比特为下一步的首次迭代译码作准备。本具体实施方式中设定M＝4，从而是每个译码单元具有N＝520个比特对的译码单元。

优选地，如图2所示，基于对编码器的编码初始状态和终止状态一致时，对译码序列添加状态预处理比特可按照如下具体步骤进行：

复制每个译码单元前L个比特，添加到前一个译码单元的尾部，作为所述前一个译码单元的后向状态度量预处理比特。复制每个译码单元的后L个比特，添加到后一个译码单元的头部，作为所述后一个译码单元的前向状态度量预处理比特：其中，设定第一个译码单元是第M个译码单元的后一个译码单元，L取编码器约束长度的5～8倍。本具体实施方式中L取6倍，即48个比特。

通过这种优选设置，可以有效的提高第一次迭代过程中第一个译码单元的前向度量准确度，第M个译码单元的后向度量的准确度，即在保证整个译码序列内部的边界度量准确的同时，也提高了在首次迭代过程中的整个译码序列的边界状态度量精度。而现有的Turbo译码技术预处理的添加方式，如图3所示，在第一次迭代过程中通过对译码单元模块间的边界状态交互，只保证了整体译码序列内部的边界状态度量精度，忽视了整体译码序列的边界状态度量。因此通过本发明中的对第一个译码单元的前向度量预处理比特，第M个译码单元的后向度量预处理比特的设置，在保证相同译码性能的情况下，结合迭代准则可有效降低迭代次数，从而降低译码时延。

3)首次迭代译码，利用步骤1中存储的条件转移概率，对步骤2中M个更新译码单元并行地进行译码。同时，存储M个原译码单元起始时刻的有关后向度量的信息和终止时刻的有关前向度量的信息，作为边界状态度量信息。

具体步骤如下，如图4所示：

步骤31)，M个译码单元边界状态的初始化。

该步骤中所述的初始化，可以是用等概率或某一预定值对前向、后向状态度量的初始化。例如在本具体实施方案中，对4个译码单元前向状态预处理比特进行前向状态度量等概率的初始化：

lnα_k,0(s)＝log(1/8) s＝0,1,...7；k＝1,..4

对4个译码单元后向状态预处理比特进行后向状态度量等概率的初始化：

lnβ_k,48(s)＝log(1/8) s＝0,1,...7；k＝1,..4

需要注意的时，本步骤中的对添加了预处理比特的译码单元的初始化，并不局限于上述具体步骤。

步骤32)，根据编码器的网格图，利用已存储的条件转移概率，对M个译码单元完成首次译码。

在对译码单元进行译码时，可采用目前已有的各种译码方式，如滑窗译码，分段并行译码，或双向并行译码，并不局限于某一种译码结构的译码方法。在本具体实施方式中，以双向并行译码为例进行如下具体说明。

双向并行译码的具体步骤如下：

步骤321)，根据编码器的网格转移表如表2所示，利用步骤1中存储的条件转移概率，对M个新译码单元同时进行前向递归计算前向状态度量，后向递归计算后向状态度量。当前向递归至原译码单元开始时刻，后向递归至原译码单元终止时刻时，即完成了利用前向状态度量预处理比特和后向状态度量预处理比特对原译码单元的边界状态的初始化，去除状态度量预处理比特。

表2

步骤322)，在步骤321)完成的对原译码单元的边界状态的初始化基础上，对M个原译码单元同时进行双向、并行译码，如图4所示：首先对4个译码单元，同时进行前N/2时刻的前向递归和后N/2时刻的后向递归运算，并保存两部分的前向、后向状态度量值；然后以N/2-1为起点依次后向递归的计算后向状态度量值，并利用已存储的对应时刻前向状态度量，分支度量进行似然比的计算，并完成基于似然比的硬判决，同时以N/2为起点依次前向递归的计算前向状态度量值，并利用已存储的对于时刻的后向状态度量，分支度量进行似然比的计算，并完成基于似然比的硬判决。需注意的是，在进行前N/2时刻的后向递归，后N/2时刻的前向递归计算中，重复利用16个内存单元完成对当前时刻的状态度量值进行存储，在进行完似然比的计算后，同时对整个译码单元的输出似然比利用前半段的前向状态度量内存和后半段的后向状态度量内存进行存储，减少资源损耗。

步骤32)完成首次迭代译码后，进入步骤33)：存储M个原译码单元起始时刻的有关后向度量的信息和终止时刻的有关前向度量的信息，作为边界状态度量信息。

该步骤中，有关后向度量的信息和有关前向度量的信息可分别为后向度量值、前向度量值。此处存储的信息较为全面，但缺点是占据的资源消耗较大。优选地，有关后向度量的信息和有关前向度量的信息为如下简化的信息：

简化的各译码单元的前向度量信息和后向度量信息：所述有关后向度量的信息包括后向状态信息和后向度量差值信息；所述有关前向度量的信息包括前向状态信息和前向度量差值信息；所述前向度量差值信息为：终止时刻最大前向状态度量与第二大前向状态度量的差值所述后向度量差值信息为：开始时刻最大后向状态度量与第二大后向状态度量的差值其中，分别为终止时刻最大前向状态度量对应的状态值、开始时刻最大后向状态度量对应的状态值，分别为终止时刻第二大前向状态度量对应的状态值、开始时刻第二大后向状态度量对应的状态值。

通过对各译码单元的边界度量信息的简化保存，可以在保证译码性能的同时，使用于保存个边界状态度量信息的寄存器由64个寄存单元，减少到16个寄存单元。随着译码序列划分的译码单元个数的增加，通过简化边界度量信息降低的资源消耗，会更加明显。

4)非首次迭代：对原译码单元进行译码，同时，存储此次迭代的边界状态度量信息。

该步骤中，非首次迭代译码的具体步骤如下：利用上一次迭代存储的边界状态度量信息，初始化M个原译码单元的状态度量值，对M个原译码单元并行地进行译码，得到对应M个原译码单元的前向度量值和后向度量值，输出似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特。当上一次存储的是后向度量值、前向度量值时，此次即根据后向度量值、前向度量值进行初始化后译码。如下，参见图5，以上一次存储的是简化后的信息的优选设置为前提，进行如下具体说明。图5中，斜线填充的方框表示前向状态度量预处理比特，交叉线填充的方框表示后向状态度量预处理比特。实线箭头表示前向状态度量传递，虚线箭头表示后向状态度量传递。

利用上次迭代存储的状态信息和前、后向度量差值信息进行初始化时，其具体操作如下：

i＝1，....，MaxIter

其中，i为迭代次数，MaxIter为最大迭代次数，k为译码单元的序号，s表示状态，分别表示第i次迭代译码中，第K个译码单元m时刻在状态S下的前向状态度量值、后向状态度量值。m＝0,1,…..N，当m＝0时为译码单元的开始时刻；m＝N时为译码单元的终止时刻。其中，设定第一个译码单元是第M个译码单元的后一个译码单元。

由上式可以看出，在非首次迭代译码中，对每一个译码单元，其前向度量的初始化，需要利用前一次迭代译码中，上一个译码单元保存的简化后向度量信息；其后向度量的初始化，需要利用前一次迭代译码中，后一个译码单元保存的简化前向度量信息，从而实现迭代过程中，译码单元的边界交互，提高译码性能。

利用上述初始化的边界状态度量值进行迭代译码，输出对应M个原译码单元起始时刻到终止时刻之间的似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特。译码时，可采用译码性能较好的max_log_MAP译码方式。

5)判断是否停止迭代：判断迭代次数是否等于最大迭代次数，如果是，则停止迭代，否则，判断当前子译码器的本次迭代输出的硬判决比特与另一个子译码器的上次迭代或本次迭代输出的硬判决比特是否一致，如果是，则停止迭代，否则返回步骤4，进入下一次迭代译码过程。

该步骤，在图7的译码器结构中，进行迭代停止判决的具体步骤如下：

步骤51)，进行迭代次数的判断。

对于第一个子译码器，不需要进行迭代次数的判断，直接进行步骤52)。

对于第二个子译码器，如果判断后，迭代次数等于最大迭代次数，则终止迭代，否则进行步骤52)。

步骤52)，判断比较两个译码器中输出的比特是否一致。

对于第一子译码器本次迭代输出的硬判决比特，是与第二子译码器上次迭代输出的硬判决比特进行比较判断。

对于第二子译码器本次迭代输出的硬判决比特，是与第一子译码器本次迭代输出的硬判决比特进行比较判断。如果完全一致，则停止迭代，若不同，则进行下次迭代。

按照步骤5)的迭代停止准则设置，相比传统HAD迭代停止准则：比较同一个子译码器的两次迭代的译码输出比特进行迭代准则的判断，可以减少迭代次数。如，假设第一个子译码器，第二个子译码器已正确译出，且为首次正确译出，在本具体实施方式中只需当第二个子译码器译码完成后比较两个子译码器的输出，即可终止迭代。

而对于传统的HAD准则，存在两种情况：

情况1)若依据第一个子译码器的输出，在完成第二个子译码器的正确译码后，还需要进行下次迭代，第一个子译码器的译码，从而造成第一个子译码器增加了一次多余的译码过程。

情况2)若依据第二个子译码器的输出，在完成第二个子译码器的正确姨妈后，还需要进行下次迭代，完成第一个子译码器和第二子译码器的译码，才能用此次迭代译码第二个译码器的输出比特与第二个译码器上次迭代输出比特进行比较，从而终止迭代，从而对每个子译码器增加了依次迭代。

通过以上本具体实施方式的迭代停止准则和传统HAD迭代停止准则的比较，可以明确本具体实施方式的迭代停止准则，可以减少迭代次数，从而降低译码时延。

为了更加直观的说明本发明的性能，将本具体实施方式的Turbo译码方法与传统的Turbo译码方法进行比较。传统的Turbo译码方法是对整个译码序列进行译码，子译码器先以开始时刻为起点进行分支度量和前向递归运算，在完成前向递归后以终止时刻为起点进行后向递归计算和最大后验似然比的计算。比较时，本具体实施方式和传统方式中的译码算法都采用在高斯信道下，译码序列为PB520，QPSK调制下的max_log_MAP译码算法，比较得到的结果图如图6所示。从图6可以看出，以10-7为门限，本具体实施方式的Turbo译码性能很接近传统的max_log_MAP算法性能，只有0.2dB的差异。因此本具体实施方式在实现降低译码计算复杂度和减少内存消耗的情况下，能保证系统的译码性能，是一种较为优异的译码方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于OFDM电力线通信系统的Turbo译码方法，所述Turbo译码方法针对的译码器包括两个子译码器，所述两个子译码器进行串行的迭代译码；其特征在于：各子译码器中的迭代译码过程包括以下步骤：

步骤1，计算条件转移概率并存储：在迭代译码之前，子译码器并行计算输入的待译码的序列的每个时刻分支度量中的条件转移概率，并存储；

步骤2，分块及添加状态度量预处理比特：子译码器分别将输入的待译码的序列划分成M个具有N个比特对长度的译码单元，并为M个译码单元分别添加前向、后向状态度量预处理比特，得到M个更新译码单元；其中，M由用户设定，N为译码序列长度/M；所述Turbo译码方法对应的Turbo编码过程中，Turbo编码器的子编码器的初始状态与终止状态一致，该步骤2中，按照如下方式添加状态度量预处理比特，复制每个译码单元的前L个比特，添加到前一个译码单元的尾部，作为所述前一个译码单元的后向状态度量预处理比特；复制每个译码单元的后L个比特，添加到后一个译码单元的头部，作为所述后一个译码单元的前向状态度量预处理比特；其中，设定第一个译码单元是第M个译码单元的后一个译码单元，L为所述Turbo编码过程中的约束长度的5～8倍；

步骤3，首次迭代译码及存储：子译码器利用步骤1中存储的条件转移概率，对步骤2中M个更新译码单元并行地进行译码，输出对应M个原译码单元起始时刻到终止时刻之间的似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特；存储M个原译码单元起始时刻的有关后向度量的信息和终止时刻的有关前向度量的信息，作为边界状态度量信息；

步骤4，非首次迭代译码：利用上一次迭代存储的边界状态度量信息，初始化M个原译码单元的状态度量值，对M个原译码单元并行地进行译码，输出似然比，外信息值和基于似然比的硬判决比特，存储此次迭代的边界状态度量信息；

步骤5，判断是否停止迭代：判断迭代次数是否等于最大迭代次数，如果是，则停止迭代，否则，判断当前子译码器的本次迭代输出的硬判决比特与另一个子译码器的上次迭代或本次迭代输出的硬判决比特是否一致，如果是，则停止迭代，否则返回步骤4，进入下一次迭代译码过程；

其中，所述步骤5中，对于迭代次数的判决：只针对第二个子译码器，对于第一个子译码器，直接进入硬判决比特的比较；

对于硬判决比特的比较：针对第一子译码器本次迭代输出的硬判决比特，是与第二子译码器上次迭代输出的硬判决比特进行比较判断；针对第二子译码器本次迭代输出的硬判决比特，是与第一子译码器本次迭代输出的硬判决比特进行比较判断。

2.根据权利要求1中所述的Turbo译码方法，其特征在于：

所述步骤1中，计算分支度量中的条件转移概率时，每一时刻仅计算条件转移概率中的2^(m+n)个不同值，其中，m和n分别表示译码所针对的编码过程的输入信息位数和输出校验位数。

3.根据权利要求1所述的Turbo译码方法，其特征在于：

所述步骤3中，所述有关后向度量的信息为后向度量值，所述有关前向度量的信息为前向度量值；

所述步骤4中，初始化时，利用上一次迭代存储的后向度量值和前向度量值，初始化M个原译码单元的状态度量值；存储时，存储此次迭代的边界状态度量值。

4.根据权利要求1所述的Turbo译码方法，其特征在于：

所述步骤3中，所述有关后向度量的信息包括后向状态信息和后向度量差值信息；所述有关前向度量的信息包括前向状态信息和前向度量差值信息；所述前向度量差值信息为：终止时刻最大前向状态度量与第二大前向状态度量的差值所述后向度量差值信息为：开始时刻最大后向状态度量与第二大后向状态度量的差值其中，分别为终止时刻最大前向状态度量所对应的状态值、开始时刻最大后向状态度量所对应的状态值，分别为终止时刻第二大前向状态度量所对应的状态值、开始时刻第二大后向状态度量所对应的状态值；

所述步骤4中，初始化时，利用上一次迭代存储的状态信息和差值信息，初始化M个原译码单元的状态度量值；存储时，存储此次迭代的简化的边界状态度量值。

5.根据权利要求3所述的Turbo译码方法，其特征在于：

所述步骤4中，利用位置信息和差值信息进行初始化时，按照如下公式进行：

i＝1,....,MaxIter

其中，i为迭代次数，MaxIter为最大迭代次数，k为译码单元的序号，s表示状态，分别表示第i次迭代译码中，第K个译码单元m时刻在状态S下的前向状态度量值、后向状态度量值；m＝0,1,…..N，当m＝0时为译码单元的开始时刻，m＝N时为译码单元的终止时刻；其中，设定第一个译码单元是第M个译码单元的后一个译码单元。

6.根据权利要求1所述的Turbo译码方法，其特征在于：

所述步骤4中，对M个原译码单元并行地进行译码时，采用max_log_MAP译码方式。