CN105450236B - 一种单层迭代联合解调译码结构及其算法 - Google Patents

一种单层迭代联合解调译码结构及其算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单层迭代联合解调译码结构及其算法，包括依次连接的MAP解调器、第一解交织器、内译码器、第二解交织器和外译码器，还包括第一交织器和第二交织器，第一交织器输入端与内译码器的输出端连接，输出端与MAP解调器输入端连接，第二交织器的输入端与外译码器的输出端连接，输出端与内译码器的输入端连接。待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，MAP解调器和内码译码器分别利用内码译码器和外码译码器输出的码字符号软信息作为先验信息进行译码。本发明的优点在于相比双层迭代结构，降低了复杂度；相比传统差分解调，其在信噪比较高条件下可得到一定的性能增益。

Description

一种单层迭代联合解调译码结构及其算法
技术领域
本发明属于信道解调译码领域，具体涉及一种单层迭代联合解调译码结构及其算法，适用于差分串行级联(SCCC)型Turbo码。
背景技术
无线信道中，载波信息的精确获取较为困难，相比PSK调制，基于非相干解调的DPSK由于解决了载波相位模糊，但相比PSK相干解调存在较大的性能损失。M.Peleg,SShamai.Iterative decoding of coded and interleaved non-coherent multiplesymbols detected DPSK([J].Electron Lett,1997,33:1018-1020)，提出了一种迭代解调译码的方法，将Turbo码软信息迭代的思想应用到DPSK调制的卷积码的联合解调译码上，极大提高了卷积码的译码性能，但未针对Turbo码提出迭代解调译码结构。因此，Turbo DPSK迭代解调译码技术引起了国内外众多学者的关注，文献《丁旭辉.低信噪比环境下基于低码率Turbo码的可靠通信传输技术研究》(成都.西南交通大学[D].2011)基于上述串行级联卷积码结构提出了Turbo码差分调制的联合解调译码结构。然而该结构为一种双层迭代解调译码的结构，虽说在解调译码性能上相比传统差分软判决解调译码法提升不少，但系统运算量也相对较大。
本发明基于迭代解调译码在DPSK调制SCCC型Turbo编码系统中的应用，针对解调译码过程中存在的双层迭代，提出了一种简化的单层迭代译码结构及基于此结构的算法，在一次迭代过程中，同时进行解调器与两个信道子译码器之间的的软信息更新。相比双层迭代解调译码结构及其算法，减小了运算复杂度；相比传统差分解调，其在信噪比较高条件下可得到一定的性能增益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单层迭代联合解调译码结构及其算法，解决双层迭代解调译码结构运算复杂度高、以及传统差分解调性能较低的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种单层迭代联合解调译码结构，适用于差分SCCC型Turbo码，包括依次连接的MAP解调器、第一解交织器、内译码器、第二解交织器和外译码器，其特征在于：还包括第一交织器和第二交织器，第一交织器输入端与内译码器的输出端连接，输出端与MAP解调器输入端连接，第二交织器的输入端与外译码器的输出端连接，输出端与内译码器的输入端连接。
将待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)；将内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，并译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)；同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，将其输入外译码器，并译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)和外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)，同时输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)；判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码器输出的信息符号软信息Λ(u；O)进行判决，得到最终的译码结果；否则返回MAP解调器，结合其中的先验信息，重新进行迭代。
所述MAP解调器中采用最大后验概率译码算法。
所述内译码器中采用最大后验概率译码算法。
所述外译码器中采用最大后验概率译码算法。
一种基于单层迭代联合解调译码结构的算法，方法步骤如下：
步骤1、待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)。
步骤2、将上述内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)，同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器。
步骤3、上述内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)在第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，并将其输入外译码器，译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)和外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)，输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)。
步骤4、判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)进行判决，得到最终的译码结果；否则返回步骤1，将序列Y联合MAP解调器和内译码器中的先验信息，重新进行迭代。
所述MAP解调器、内译码器和外译码器中的算法均为最大后验概率译码算法。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将传统DPSK调制SCCC型Turbo码的迭代解调译码结构中的两层迭代结构简化为单层迭代结构，减少了Turbo译码过程，从而降低了复杂度；(2)相比传统差分解调，其在信噪比较高条件下可得到一定的性能增益。
附图说明
图1为本发明的单层迭代联合解调译码结构的示意图。
图2为本发明的基于单层迭代联合解调译码结构的算法流程图。
图3为本发明的基于单层迭代联合解调译码结构、双层迭代结构、传统差分软判决法解调译码性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种单层迭代联合解调译码结构，适用于差分SCCC型Turbo码，包括依次连接的MAP解调器、第一解交织器、内译码器、第二解交织器和外译码器，其特征在于：还包括第一交织器和第二交织器，第一交织器输入端与内译码器的输出端连接，输出端与MAP解调器输入端连接，第二交织器的输入端与外译码器的输出端连接，输出端与内译码器的输入端连接。
将待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，MAP解调器采用最大后验概率译码算法，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)；将内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，内译码器采用最大后验概率译码算法，译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)；同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，并将其输入外译码器，外译码器采用最大后验概率译码算法，译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)，同时输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)；两次反馈的先验信息Λ(cl；I)和Λ(u1；I)将被用于下一次迭代过程，通过将待译码的SCCC型Turbo码序列Y与先验信息联合解调译码，可以让解调译码输出值更加精确。迭代次数的增加也可以提高整体性能，但性能增益达到一定值后再增加迭代次数性能增益将不再明显，反而会增加运算量，所以，通过设置一个合适的迭代次数，可以在运算量较低的情况下，达到一定的性能，而这个迭代次数是根据实际仿真的性能要求来设置的。判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码器输出的信息符号软信息进行判决得到最终的译码结果；否则返回MAP解调器，结合其中的先验信息，重新进行迭代。
结合图2，一种基于单层迭代联合解调译码结构的算法，其具体实施步骤如下：
步骤1、待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，MAP解调器采用最大后验概率译码算法，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)。
步骤2、将步骤1中内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，内译码器采用最大后验概率译码算法，译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)，MAP解调器先验信息Λ(cl；I)将被用于下一次迭代过程，通过与序列Y联合迭代解调译码，可以使译码输出更加精确；同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器。
步骤3、上述内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)在第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，将其输入外译码器，外译码器采用最大后验概率译码算法，译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)和外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)，输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)；内译码器先验信息Λ(u1；I)也将被用于下一次迭代过程，通过与序列Y联合迭代解调译码，可以使译码输出更加精确。
步骤4、判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码器输出的信息符号软信息进行判决得到最终的译码结果；否则返回步骤1，将序列Y联合MAP解调器和内译码器中的先验信息，重新进行迭代运算。迭代次数的增加也可以提高系统性能，但性能增益达到一定值后再增加迭代次数性能增益将不再明显，反而会增加运算量，所以，通过设置一个合适的迭代次数，可以在运算量较低的情况下，达到一定的性能，而这个迭代次数是根据实际仿真的性能要求来设置的。
实施例1
结合图1～图3，一种单层迭代联合解调译码结构，适用于差分SCCC型Turbo码，包括依次连接MAP解调器、第一解交织器、内译码器、第二解交织器和外译码器，将第一交织器输入端与内译码器的输出端连接，输出端与MAP解调器输入端连接，第二交织器的输入端与外译码器的输出端连接，输出端与内译码器的输入端连接。
序列Y为已经进行差分调制串行级联Turbo码编码的序列，Turbo码内码采用码率为1/2的(7，5)递归系统卷积码，外码采用(7，5)非递归卷积码，信息序列帧长为100，仿真信道选用AWGN信道，信噪比范围为3dB到6dB。
步骤1、将待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，MAP解调器采用最大后验概率译码算法(MAP)，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)。
步骤2、将步骤1中内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，内译码器采用最大后验概率译码算法(MAP)，译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)，MAP解调器先验信息Λ(cl；I)将被用于下一次迭代过程，通过与序列Y联合迭代解调译码，可以使译码输出更加精确。同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器。
步骤3、上述内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)在第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，将其输入外译码器，外译码器采用最大后验概率译码算法(MAP)，译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)和外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)，输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)；内译码器先验信息Λ(u1；I)也将被用于下一次迭代过程，通过与序列Y联合迭代解调译码，可以使译码输出更加精确。
步骤4、迭代次数的增加也可以提高系统性能，但性能增益达到一定值后再增加迭代次数性能增益将不再明显，反而会增加运算量，所以，通过设置一个合适的迭代次数，可以在运算量较低的情况下，达到一定的性能，而在该仿真条件下迭代次数为8时，可以达到较高性能且保持较低运算量，所以设置迭代次数为8。判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码器输出的信息符号软信息进行判决得到最终的译码结果；否则返回步骤1，将序列Y联合MAP解调器和内译码器中的先验信息，重新进行迭代运算。
统计上述1-4步骤中MAP解调器、内译码器、外译码器运算次数，与双层迭代结构中各个模块运算次数相比，其运算量可表示如表1，对其性能进行仿真，并与双层迭代结构和差分软判决解调两种方式进行对比，可得到不同信噪比条件下的误码率表示如图3。
表1 单层迭代结构和双层迭代结构各模块运算次数对比
表1给出了单层迭代联合解调译码结构与双层迭代解调译码结构的算法性能对比。其中，双层迭代结构的外层迭代次数为3，单层迭代联合解调译码迭代次数为8。通过图3可以看到，在误比特率10-2～10-5区间内，单层迭代结构与双层迭代结构二者的性能差距很小。从复杂度上来讲，以本文的仿真条件为例，传统的双层迭代解调译码方法需要进行3次MAP解调和3次信道译码过程，信道译码器中的内、外码译码模块均需要执行24次。而改进的单层迭代结构仅仅需要在信道译码的每次迭代中加入一个MAP解调模块，所以只需要MAP解调器、内译码器、外译码器各运行8次即可完成解调译码。MAP模块的运算复杂度主要由网格图的状态数与编码长度决定，因此，MAP解调模块的复杂度与内码译码器复杂度可近似视为同一量级。通过表1给出的各模块运算量比较可知，单层的迭代解调译码可以在保持性能增益的同时，减少一半以上的运算复杂度。同时，通过图1对比传统差分软判决解调算法，迭代解调译码算法可以有效改善差分解调带来的性能损失，在误比特率为10-4时，可以得到约0.5dB的性能增益，本发明提出的单层迭代算法同样可以达到此性能，并且能减少一半以上的运算复杂度。

Claims (4)

1.一种单层迭代联合解调译码结构，其特征在于：适用于差分SCCC型Turbo码，包括依次连接的MAP解调器、第一解交织器、内译码器、第二解交织器和外译码器，其特征在于：还包括第一交织器和第二交织器，第一交织器输入端与内译码器的输出端连接，输出端与MAP解调器输入端连接，第二交织器的输入端与外译码器的输出端连接，输出端与内译码器的输入端连接；
将待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)；将内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，并译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)；同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，将其输入外译码器，并译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)和外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)，同时输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)；判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码器输出的信息符号软信息Λ(u；O)进行判决，得到最终的译码结果；否则返回MAP解调器，结合其中的先验信息，重新进行迭代；
所述MAP解调器中采用最大后验概率译码算法；
所述内译码器中采用最大后验概率译码算法。
2.根据权利要求1所述的单层迭代联合解调译码结构，其特征在于：所述外译码器中采用最大后验概率译码算法。
3.一种基于单层迭代联合解调译码结构的算法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、待译码的SCCC型Turbo码序列Y输入MAP解调器解调，解调后输入第一解交织器中解交织，得到内译码输入编码符号软信息Λ(c1；I)；
步骤2、将上述内译码输入码符号软信息Λ(c1；I)输入内译码器，译码得到内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)和内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)，并将内译码输出编码符号软信息Λ(c1；O)经第一交织器后反馈到MAP解调器并作为其先验信息Λ(cl；I)，同时将内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)输入第二解交织器；
步骤3、上述内译码输出信息符号软信息Λ(u1；O)在第二解交织器中解交织，得到外译码输入符号软信息Λ(c2；I)，并将其输入外译码器，译码得到外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)和外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)，输出外译码输出编码符号软信息Λ(c2；O)至第二交织器，经第二交织器交织后，反馈到内译码器并作为其先验信息Λ(u1；I)；
步骤4、判断迭代次数是否达到外译码器中设置的迭代次数，若达到，对外译码输出信息符号软信息Λ(u；O)进行判决，得到最终的译码结果；否则返回步骤1，将序列Y联合MAP解调器和内译码器中的先验信息，重新进行迭代。
4.根据权利要求3所述的基于单层迭代联合解调译码结构的算法，其特征在于：所述MAP解调器、内译码器和外译码器中的算法均为最大后验概率译码算法。
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