CN111030710A - 一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，通过利用E5信号译码具有解分组交织编码按列写入矩阵然后按行读出所形成的编码符X，按照分组原则将所述编码符X中的全部码元顺序分成i个组，得到子编码符X1～Xi，i为大于1的整数，为所述子编码符X1～Xi以一对一方式配置i个Viterbi译码器，依次为Viterbi译码器1～Viterbi译码器i，所述i个Viterbi译码器以并行方式进行译码得到i个子比特流x1～xi，将所述x1～xi中的全部译码按顺序排列得到译码比特流x，所述x通过CRC校验后翻译成导航数据，相比于串行，本发明的并行译码能够在不降低误码率的前提下，大大提升译码速度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航电文译码技术，特别是一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，通过利用E5信号译码具有解分组交织编码按列写入矩阵然后按行读出所形成的编码符X，按照分组原则将所述编码符X中的全部码元顺序分成i个组，得到子编码符X1～Xi，i为大于1的整数，为所述子编码符X1～Xi以一对一方式配置i个Viterbi译码器，依次为Viterbi译码器1～Viterbi译码器i，所述i个Viterbi译码器以并行方式进行译码得到i个子比特流x1～xi，将所述x1～xi中的全部译码按顺序排列得到译码比特流x，所述x通过CRC校验后翻译成导航数据，相比于串行，本发明的并行译码能够在不降低误码率的前提下，大大提升译码速度。
背景技术
伽利略(Galileo)卫星导航系统是欧洲以民用为目的而独立自主设计的一个全球卫星导航定位系统(GNSS)。根据标称中心载波频率的不同，Galileo系统主要包含3个信号，E1,E5,E6。E5信号由于其本身的特性以及特殊的调制方式，使其成为了GNSS中一个最为神奇的带宽信号。E5信号调制了以导航为目的的自由导航(F/NAV)电文和以导航和完好性判断为目的的完好性(I/NAV)电文。虽然，目前由于各方面的原因导致Galileo导航系统发展比较缓慢，但是随着全球导航系统的快速发展和定位设备与人们生活的密切联系，可以预测Galileo导航系统将在未来的全球定位系统服务中扮演着重要的角色。为了使导航数据更有利于传播，在卫星播发之前对导航电文进行了一系列的处理，加密，扩频，编码，交织，载波调制等，而在接收端为了获得准确的信息需要对接收到的信号进行相关逆处理，解调，解交织，解码，解扩，解密等。随着社会的发展，人们对定位的即时性和定位的准确性要求越来越高，这就对导航数据的准确性和及时性有了更高的要求。目前，E5信号译码的流程包括以下步骤：步骤1，输入E5信号每一页完成同步后除同步码外的编码符；步骤2，解分组交织，将编码符写入相应矩阵并读出，列写入，行读出得编码符序列；步骤3，利用一个Viterbi译码器对整个编码符进行串行译码得到比特流；步骤4，进行CRC校验(CRC即循环冗余校验，Cyclic Redundancy Check)，校验未通过则译码失败，校验通过则译码成功；步骤6，将译码比特流翻译成导航数据。
关于步骤1中的同步：接收机接收到卫星信号，完成捕获，跟踪。通过同步码完成编码符同步。由于同步过程与本发明关系不大，这里就不对其详细叙述。关于步骤2中的解分组交织：交织编码分为两种：分组交织编码和卷积交织编码。E5信号采用的分组交织编码。Galileo导航系统对经卷积编码后的每一页前向纠错(FEC)导航电文数据编码再进行分组交织编码。以E5信号中F/NAV为例，每一页中除同步码以外进行卷积编码后为488位编码符，将488位编码符先按行写入61*8的矩阵中，然后在按列读出，即完成分组交织编码。接收机中，完成同步后进行解交织，将每一页中除同步码外的编码符先按列写入，再按行读出，即完成解交织。设分组交织编码器的矩阵为M*N，卷积编码后的每一页前向纠错(FEC)导航电文数据编码为X＝{x1,x2…xp}，则p＝M*N。令M＝3，N＝3，分组交织和解交织的实现流程示意见图1和图2。由图(2)可知，编码符进行分组交织后，经信道播发，如遇突发错误，如(x1 x2x3)发生错误，如不进行交织，则在下一步Viterbi译码中由于是连续有记忆的错误，使译码错误率大大增加；如进行交织，由于信道中错误发生位置不变，发生错误的符号则为(x1 x4x7)，解交织后发生错误的符号间至少相距2位，则即使前后符号有错误的，但彼此之间是相互独立的，这样在译码过程中大大地降低译码的误比特率。
不过交织编、解码将突发错误分解为单个独立的错误能力是有一定限制的：1.突发性差错长度l<＝M，交织变换后，成为至少被N-1位隔开后的一些单个独立差错；2.突发性差错长度l>M，交织变换后，可将长突发错误变为短突发错误，其突发错误长度为l0＝mod(l,M),mod()为取模运算。
关于Viterbi译码：Viterbi算法译码是一种最大似然译码的实现方式，也是目前用于解卷积编码最常用的译码方式。主要由以下几个模块组成：分支度量计算模块，加比选模块，幸存路径存储模块，回溯模块等。设卷积编码的参数为(n,k,L)，n为编码的输出端码元数，k为编码器的输入端的码元数，L为编码器的约束长度。则此时译码器的状态数为：
StateNum＝2(L-1)*k (1)
由Viterbi译码算法可知Viterbi译码器的计算量和复杂度主要由状态数和输入编码符的长度决定的，同时也决定了接收机系统的计算量和复杂度。Viterbi译码的纠错能力，一般以自由距离作为度量，而自由距离又与编码器的约束长度和编码器的输出码元数有关。
关于CRC校验：CRC校验是数据通信领域中最常见的差错校验码。完成Viterbi译码后，计算指定数据比特码的CRC校验值，与译码得到的CRC值序列比较。如相同，则译码成功；否则译码失败。Galileo导航系统E5信号的卷积编码器的参数为(2,1,7),则寄存器的个数m＝6,由式(1)可知，Viterbi译码器的状态数为64，这使得用于解E5信号的编码器较为复杂，同时由于F/NAV和I/NAV每一页较长，如果按目前的译码方式，即采用一个译码器顺序译码，译码的速度较为缓慢。这与目前对实时定位的需求相矛盾。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，通过利用E5信号译码具有解分组交织编码按列写入矩阵然后按行读出所形成的编码符X，按照分组原则将所述编码符X中的全部码元顺序分成i个组，得到子编码符X1～Xi，i为大于1的整数，为所述子编码符X1～Xi以一对一方式配置i个Viterbi译码器，依次为Viterbi译码器1～Viterbi译码器i，所述i个Viterbi译码器以并行方式进行译码得到i个子比特流x1～xi，将所述x1～xi中的全部译码按顺序排列得到译码比特流x，所述x通过CRC校验后翻译成导航数据，相比于串行，本发明的并行译码能够在不降低误码率的前提下，大大提升译码速度。
本发明技术方案如下：
一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，通过利用E5信号译码具有解分组交织编码按列写入矩阵然后按行读出所形成的编码符X，按照分组原则将所述编码符X中的全部码元顺序分成i个子编码组，得到子编码符X1～Xi，i为大于1的整数，为所述子编码符X1～Xi以一对一方式配置i个Viterbi译码器，依次为Viterbi译码器1～Viterbi译码器i，所述i个Viterbi译码器以并行方式进行译码得到i个子比特流x1～xi，将所述x1～xi中的全部译码按顺序排列得到译码比特流x，所述x通过CRC校验后翻译成导航数据。
所述E5信号以页为单位，每一页完成同步后除同步码外的编码符进行所述解分组交织编码。
所述分组原则为每个子编码符中所包含的码元个数均相等。
所述分组原则为i＝所述矩阵的行数。
如果所述x未通过CRC校验，则判断是否i＝1，若是则译码失败，若否则返回重新分成i-1个子编码组。
本发明的技术效果如下：本发明一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，通过仿真确认，在不明显降低误码率的前提下，Galileo导航系统E5信号采用分组、并行译码的速度比目前的串行译码速度有很大的提升。实际上，本发明采用分组并行译码不仅对于Galileo系统E5信号的译码能够大大地提升译码速度，同时本发明也适合所有进行交织编码的帧结构译码以提高译码速度。
附图说明
图1是Galileo导航系统E5信号涉及分组交织编码的原理示意图。图1中将9个顺序码元按行写入3*3矩阵(3行顺序号分别为：1、2、3；4、5、6；7、8、9)，按列从3*3矩阵中读出(写出)，得到交织码元序列号为1、4、7、2、5、8、3、6、9。
图2是对图1中分组交织编码进行解分组交织的原理示意图。图2中将交织交织码元序列号为1、4、7、2、5、8、3、6、9按列写入3*3矩阵，按行从3*3矩阵中读出(写出)，得到解交织码元序列号为1、2、3、4、5、6、7、8、9。
图3是实施本发明一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法流程示意图。图3中流程包括以下步骤：步骤1，输入E5信号每一页完成同步后除同步码外的编码符；步骤2，解分组交织，将编码符写入相应矩阵，并读出，得编码符X，原则：列写入，行读出；步骤3，将编码符X分组X1，X2…Xi,每组的长度满足相应分组原则；步骤4，利用Viterbi译码器1对子编码符序列X1译码得到子比特流x1，利用Viterbi译码器2对子编码符序列X2译码得到子比特流x2，……，利用Viterbi译码器i对子编码符序列Xi译码得到子比特流xi；步骤5，将子比特流x1,x2...xi按顺序组合得到每一页的译码后的比特流；步骤6，进行CRC校验(CRC即循环冗余校验，Cyclic Redundancy Check)，校验未通过则判断是否i＝1，若是则译码失败，若否则返回至步骤3，校验通过则译码成功；步骤7，将译码比特流翻译成导航数据。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图3)对本发明进行说明。
图1是Galileo导航系统E5信号涉及分组交织编码的原理示意图。图2是对图1中分组交织编码进行解分组交织的原理示意图。图3是实施本发明一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法流程示意图。参考图1至图3所示，一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，通过利用E5信号译码具有解分组交织编码按列写入矩阵然后按行读出所形成的编码符X，按照分组原则将所述编码符X中的全部码元顺序分成i个子编码组，得到子编码符X1～Xi，i为大于1的整数，为所述子编码符X1～Xi以一对一方式配置i个Viterbi译码器，依次为Viterbi译码器1～Viterbi译码器i，所述i个Viterbi译码器以并行方式进行译码得到i个子比特流x1～xi，将所述x1～xi中的全部译码按顺序排列得到译码比特流x，所述x通过CRC校验后翻译成导航数据。所述E5信号以页为单位，每一页完成同步后除同步码外的编码符进行所述解分组交织编码。所述分组原则为每个子编码符中所包含的码元个数均相等。所述分组原则为i＝所述矩阵的行数。如果所述x未通过CRC校验，则判断是否i＝1，若是则译码失败，若否则返回重新分成i-1个子编码组。
导航电文在传播过程中经常遇到突发性错误，使得连续编码符发生错误，而且错误之间相互联系。采用Viterbi算法译码时，必须按编码符顺序译码，否则会大大增加译码误比特率。为了解决这种问题本发明提出了一种分组、并行译码的译码策略。分组块交织的前提是，电文以固定编码符的帧结构的形式输入。Galileo导航系统E5信号的电文是以固定的页结构进行播发的，结构参见Galileo导航系统ICD文件。由Galileo导航系统ICD文件可知，E5信号电文采用了分组块交织，使得其在传播过程中产生的突发性差错转变为了独立性差错。这为编码符分组、并行译码提供了可能。本发明的流程如图3所示：步骤1，输入E5信号每一页完成同步后除同步码外的编码符；步骤2，解分组交织，将编码符写入相应矩阵，并读出，得编码符X，原则：列写入，行读出；步骤3，将编码符X分组X1，X2…Xi,每组的长度满足相应分组原则；步骤4，利用Viterbi译码器1对子编码符序列X1译码得到子比特流x1，利用Viterbi译码器2对子编码符序列X2译码得到子比特流x2，……，利用Viterbi译码器i对子编码符序列Xi译码得到子比特流xi；步骤5，将子比特流x1,x2...xi按顺序组合得到每一页的译码后的比特流；步骤6，进行CRC校验(CRC即循环冗余校验，Cyclic RedundancyCheck)，校验未通过则判断是否i＝1，若是则译码失败，若否则返回至步骤3，校验通过则译码成功；步骤7，将译码比特流翻译成导航数据。
参考图3，将完成同步后每一页除同步码外的编码符输入该系统。首先，对编码符进行解块交织，关于解交织的原理参考图2及其说明。
设导航数据编码的卷积编码器参数为(n,k,L)，编码效率为k/n.其中,n为输出码元的个数；k为输入码元的个数；L为编码的约束长度，编码器的寄存器的个数为m＝L-1。
1.分组：设解交织后的编码符为X，Xi为分组后第i组子编码符，则应当满足以下关系：
mod(length(X),n)＝0 (2)
mod(length(Xi),n)＝0 (3)
X＝[X1,X2,...,Xi] (4)
其中，i为正整数，实际应中一般先设定一个估计值，不宜太大。子编码符间的长度不一定相同。
2.并行Viterbi译码：将分组后的子编码符序列X1,X2,…Xi，分别输入到译码器1，译码器2…译码器i译码，得子比特流x1,x2,…,xi。因为各组译码是同时进行的，使得在不降低误码率的前提下,大大提升了译码速度。
3.自适应校验：将子比特流x1,x2,…xi,按分组顺序组合为每一页的比特流x。计算数据的比特的CRC值，与译码得到的CRC值比较。如相同，则分组译码成功；否则判断目前子编码符的组数，如大于1，则组数减1，则进行重新分组；如组数等于1，则最终译码失败。
现以Galileo导航系统E5信号中的F/NAV电文的译码过程为例进一步说明该发明的可行性。由Galileo导航系统的ICD文件可知，F/NAV电文以页为播发单元，编码以后每一页除同步码外共有488位编码符。卷积编码器参数为(2,1,7)，分组交织器的矩阵大小为61*8。
接收机根据同步码完成同步，每一页将除同步码以外的488位编码符送入译码模块，其处理流程参考图3。
1.解交织：将一页F/NAV电文除同步码的488位编码符，输入解交织器中。交织器对应的矩阵为61*8，交织编码时是按行写入，按列写出；解交织时是按列写入，按行写出。具体实现方式见图(2),如果突发性错误长度l小于61，则将突发性错误分解为间隔至少为7位的独立性错误；如果突发性错误长度l大于61，则将突发性错误缩短为mod(l,61)。
2.分组：根据每一页编码符的长度和Viterbi译码的回溯长度分析，组数初始值为4，即每组有122位编码符，卷积编码的输出码元数为2。设F/NAV每一页除同步码外的编码符为X，长度为488，则初始分组情况为：
X1＝X(1：122)
X2＝X(123：244)
X3＝X(245：366)
X4＝X(367：488)
则有，
mod(488,2)＝0
mod(122,2)＝0
X＝[X1,X2,X3,X4]
满足分组规则。
3.并行Viterbi译码：将X1，X2，X3，X4同时输入四个Viterbi译码器中并行译码，得到长度为61的四组比特序列x1,x2,x3,x4。为了仿真的方便，此时Viterbi译码时采用的是硬判决。但在实际应用中，一般采用软判决，而软判决的性能一般比硬判决的性能好1.5-2dB。
4.自适应校验：将得到的四组比特序列x1,x2,x3,x4，按照约定的顺序组合得到长度为244的比特序列x，x＝[x1,x2,x3,x4]。
由F/NAV的电文结构可知，x的前214比特为页码6bits+导航数据208bits。后30bits中前24bits为，编码前前214bits的CRC校验值，后6bits为全为0的尾码。计算比特序列x的前214比特的CRC校验值，与解出的CRC校验值比较，如相同，则说明译码成功，否则说明此分组法译码失败，组数减1重复分组，译码判断，直到译码成功或译码最终失败。通过仿真得到，在不明显降低误码率的前提下，Galileo导航系统E5信号采用分组、并行译码的速度比目前的串行译码速度有很大的提升。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (5)
1.一种自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，通过利用E5信号译码具有解分组交织编码按列写入矩阵然后按行读出所形成的编码符X，按照分组原则将所述编码符X中的全部码元顺序分成i个子编码组，得到子编码符X1～Xi，i为大于1的整数，为所述子编码符X1～Xi以一对一方式配置i个Viterbi译码器，依次为Viterbi译码器1～Viterbi译码器i，所述i个Viterbi译码器以并行方式进行译码得到i个子比特流x1～xi，将所述x1～xi中的全部译码按顺序排列得到译码比特流x，所述x通过CRC校验后翻译成导航数据。
2.根据权利要求1所述的自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，所述E5信号以页为单位，每一页完成同步后除同步码外的编码符进行所述解分组交织编码。
3.根据权利要求1所述的自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，所述分组原则为每个子编码符中所包含的码元个数均相等。
4.根据权利要求1所述的自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，所述分组原则为i＝所述矩阵的行数。
5.根据权利要求1所述的自适应提高Galileo导航系统E5信号译码速度的方法，其特征在于，如果所述x未通过CRC校验，则判断是否i＝1，若是则译码失败，若否则返回重新分成i-1个子编码组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200417 |