CN112290958B - 低错误平层的Turbo码译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新的基于信源信息冗余的低错误平层Turbo码译码方法。技术方案是，先进行帧同步过程再对Turbo译码后的信息进行符号出现概率统计。其中译码时，将导航电文分为可预测和不可预测两种类型，分别利用不同公式进行概率计算，将计算结果作为分量译码器的先验信息。计算分量译码器输出的外信息时使用外信息系数。本发明的技术效果是资源消耗量和计算复杂度均较低，适合于导航卫星上行注入接收机对处理器低功耗、低存储和低时延的要求。

Description

低错误平层的Turbo码译码方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是涉及在导航卫星的载荷中，上行注入接收机对上行注入信号接收和译码的方法。

背景技术

Turbo码以其逼近香农极限的性能已广泛应用于深空、水声通信等领域。而在卫星导航领域，通常星地距离两万多公里，未来将大规模使用移动注入平台对导航卫星进行低功率上行注入。为了实现导航卫星的长距离、低功率、稳定可靠的上行电文接收，需要在注入电文中增加高增益的纠错编码。相比LDPC (Low Density Parity Check code，低密度校验码)、Polar码等现代纠错编码，Turbo 码更适合于实现中短信息长度的前向纠错，在传输实时性要求较高、传输条件复杂的导航卫星上行注入信号的接收中将更为适用。

影响Turbo码译码性能的因素，除了译码算法、计算精度、交织长度、尾比特长度等之外，还有错误平层现象。错误平层指的是信号在高信噪比时，译码器输出信息的误码率不再随着信噪比的增加显著降低，而是逐渐趋于平缓，即译码性能随信噪比的增加不再有相应的改善。错误平层现象限制了 Turbo码在一些误码率要求较低场合中的应用。出现错误平层的主要原因是因为在Turbo码中，当少量低重量的码字中出现了错误位时，会引起错误残留，在交织、迭代译码过程中无法纠正。解决错误平层的方法，可以通过特殊设计的译码方法进行解决。现有的译码方法通常是为低重量码字提供更充分的判决信息，如使用串行级联码结构或者增加CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码)校验等，为译码后的信息提供多重判决，但是这种作法会增加译码过程的计算量和资源使用量，从而增加译码过程的复杂度。为了简化译码方法，文献[1]提出了一种对接收信息中的各个符号位出现概率进行估计，为译码器提供判决信息的方法，能有效改善错误平层现象，提高译码性能。然而该方法是在分量译码器中进行符号位出现概率的估计，当分量译码器中出现误码时，对符号位出现概率的估计也会出现错误，从而影响最终译码的判决。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种新的基于信源信息冗余的 Turbo码译码方法，相比现有的方法，本发明利用帧同步后且经过Turbo译码的信息进行符号出现概率统计，能更有效提高符号位概率估计的正确性，有效改善错误平层现象，且资源消耗量和计算复杂度均较低。

本发明的技术方案是：一种新的基于信源信息冗余的低错误平层Turbo码译码方法，其特征在于，先进行帧同步，再对Turbo译码后的信息进行符号出现概率统计。

进一步，将导航电文分为可预测和不可预测两种类型，分别利用不同公式进行概率计算，将计算结果作为分量译码器的先验信息。

进一步，计算分量译码器输出的外信息时使用外信息系数。

本发明的技术效果是：本发明提出一种新的基于信源信息冗余的低错误平层Turbo码译码方法，利用帧同步后且经过Turbo译码后的信息进行符号出现概率的估计，以此估计值作为分量译码器的先验信息，保证了统计信息的正确性。将导航电文分为可预测和不可预测两种类型，分别利用不同公式进行概率计算，将计算结果作为分量译码器的先验信息，使得进入分量译码器的先验信息更为可信。计算外信息时使用了外信息系数，使得外信息的计算在一个更合理范围内，从而较大提升译码性能，有效改善了错误平层现象。本发明不需要进行额外的校验，也不需要额外增加译码器硬件结构，因此资源消耗量和计算复杂度均较低，适合于导航卫星上行注入接收机中对处理器低功耗、低存储和低时延的要求。

附图说明

图1上行注入接收机信号处理的流程图；

图2基于信源信息冗余的低错误平层Turbo译码器实现方法框图；

图3基于信源信息冗余的低错误平层Turbo译码器实现原理图；

图4利用本发明和现有技术进行试验得到的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

首先说明上行注入接收机中对上行注入信号进行接收和译码的处理流程，如图1所示，上行注入接收机首先进行接收信息的解调，解调得到的数据进行帧同步，找到一帧信息的开始，将完整一帧信息进行Turbo译码，将译码得到的信息按照接口协议进行解析，并提取相应位置的信息进行处理，再等待下一帧完整信息解调后，进行译码，如此循环。

本发明提供一种新的基于信源信息冗余的低错误平层Turbo码译码器的实现方法，即将完整一帧信息进行Turbo译码的过程，具体包括下述：

已知Turbo译码器包括第一分量译码器和第二分量译码器，交织器，第一解交织器，第二解交织器、分路器和判决器。上述Turbo译码器为现有的公知译码器。

将上行注入的导航电文分为两类信息：第一类信息包括有规律、可预测的信息，如时间、分帧号、卫星号等信息；第二类信息包括无规律、不可预测的信息，如注入电文中某些指令的内容等。已知上行注入的导航电文中的每一帧每一位符号位属于哪一类信息，通过接口协议可以获知。

对任意一帧电文，设为第M帧电文，M≥1进行下述处理：

第一步，计算第一分量译码器的先验信息

如果M＝1，则利用下式计算输入第一分量译码器中的先验信息；

上式中，u_k表示在对Turbo码进行编码的一帧信息中，输入编码器的第k 个符号位(k＝1,2,…N，N为一帧电文的信息长度)，取值为1或-1，利用本发明进行处理的目的即为对u_k的取值进行估计；L_a,1(u_k)表示进入第一分量译码器的u_k的先验信息；P(u_k＝1)表示u_k取值为1的概率，P(u_k＝-1)表示u_k取值为-1的概率，且P(u_k＝1)+P(u_k＝-1)＝1。在初始化时，认为u_k取值1或-1的概率相等，且为0.5，则L_a,1(u_k)＝0。

如果M＞1，计算第M-1帧电文中每一个符号位出现的概率L_a,1(u_k)，具体过程如下：

如该符号位属于第一类信息，则利用下式计算：

其中A表示信噪比估计中的信息幅度值的对数形式，信噪比越大，A越大，说明信息可信度越高，对应先验信息取值越大。

如果该符号位属于第二类信息，则利用下式计算：

上式中，表示已经译码的M-1帧电文中，第k个符号位u_k一共取值为1的概率。当第i(i＝1,2,M-1)帧中第k个符号位u_k取值1时， p_i(u_k＝1)＝1，否则p_i(u_k＝1)＝0。同理可以定义/>表示已经译码的M-1帧电文中，第k个符号位u_k一共取值为-1的概率。当第i(i＝1,2,…M-1) 帧中第k个符号位u_k取值-1时，p_i(u_k＝-1)＝1，否则p_i(u_k＝-1)＝0。

第二步，计算第一分量译码器中符号位u_k的最大似然比

设第一分量译码器的输入信息为(k＝1,2,…N)和L_a,1，/>和/>表示第M帧电文中第k个信息位和校验位。

利用下式计算符号位u_k的最大对数似然比L₁(u_k)：

其中，p(u_k＝1|R^N)，表示在接收到一帧电文时(长度为N)，符号位u_k取值为1的条件概率，p(u_k＝-1|R^N)，表示在接收到一帧电文时(长度为N)，符号位 u_k取值为-1的条件概率。

第三步，计算第一分量译码器的输出外信息

利用下式计算第一分量译码器输出的外信息L_e,1(u_k)为：

其中，λ为外信息系数，根据实际情况取值，最优可取0.75；L_c为传输信道的信道可信度量值，在本发明中假设传输信道为无衰落的加性高斯白噪声信道，L_c可以由上行注入接收机中的信噪比估计函数计算出来。

第四步，第二分量译码器进行译码；

第一分量译码器输出的外信息L_e,1(u_k)经过交织器的交织后，成为输入至第二分量译码器的先验信息L_a,2(u_k)，交织器输出的信息也输入第二分量译码器，第二分量译码器利用以上的输入信息进行译码，计算第M帧电文中各个符号位的最大对数似然比L₂(u_k)：

利用下式得到输出的外信息L_e,2(u_k)：

综上，完成一次迭代译码过程，当没有达到译码的迭代次数时，第二分量译码器输出的外信息经过解交织后，作为第一分量译码器的先验信息，再次输入至第一分量译码器中进行译码，开始新一轮的迭代译码。

第五步，硬判决得到译码结果；

当两个分量译码器之间的相互输入输出的译码值，计算相互迭代达到规定的次数(通常不超过10次)后，第二分量译码器输出计算得到的最大对数似然比L₂(u_k)，将L₂(u_k)送入第二解交织器进行解交织，解交织后的结果Π[L₂(u_k)]进行符号的硬判决，当Π[L₂(u_k)]≥0时，则得到u_k的估计值否则/>

图4是利用本发明与现有技术进行对比的性能对比图，假设一帧信息有 1808bit，编码器的生成多项式为采用码率1/2的Turbo码编码，编码后的信息使用BPSK调制并在高斯加性白噪声的信道下传输。导航卫星上行注入接收机使用本发明与标准Turbo译码两种方法进行译码，均采用 Max-Log-MAP的译码算法，仿真在接收信号信噪比0-1.8dB范围内译码器输出信息的误码率，统计总的信息量为361600bit。假设每一帧数据中，可预测的信息位数为20bit，不可预测信息出现的概率服从零均值，方差为2的正态分布。如图4(a)所示，横坐标表示输入译码器的信号的信噪比，单位为dB，纵坐标表示译码器输出信息的误码率，带星号的折线表示使用标准Turbo译码方法输出的误码率，带三角的折线表示使用本发明的方法输出的误码率。由图可见，本发明与标准Turbo译码方法相比，在低信噪比下性能差别不大，随着信噪比的增大，本发明由于利用了信源冗余信息作为译码器的先验信息，使得误码率相比标准Turbo方法，出现了显著的降低，有效改善了错误平层现象。如图4(b) 所示是利用本发明与标准Turbo译码方法、文献[1]的方法的性能对比图，横坐标表示输入译码器的信号的信噪比，单位为dB，纵坐标表示译码器输出信息的误码率，带星号的折线表示使用标准Turbo译码方法输出的误码率，带三角的折线表示使用本发明的方法输出的误码率，带十字的折线表示使用文献[1]方法输出的误码率。由图可见，因为文献[1]对信源冗余信息出现概率的估计是在分量译码器译码的过程中，译码器产生的错误会影响概率的估计，另外，本发明在计算外信息时使用了为外信息系数λ，而文献[1]的方法没有使用，因此总体性能上来看，本发明优于文献[1]的方法。

参考文献：

[1]王帅军，李德识.结合残留冗余信息的Turbo码译码方法[J].计算机工程与应用,2018，54(1):107-111。

Claims (3)

1.一种基于信源信息冗余的低错误平层Turbo码译码方法，利用现有的Turbo译码器进行译码，其特征在于，先进行帧同步过程再对Turbo译码后的信息进行符号出现概率统计；

并且，将导航电文分为可预测和不可预测两种类型，分别利用不同公式进行概率计算，将计算结果作为分量译码器的先验信息；

计算导航电文中，每一个符号位出现的概率L_a,1(u_k)，具体过程如下：

如该符号位属于第一类信息，则利用下式计算：

其中A表示信噪比估计中的信息幅度值的对数形式；

如该符号位属于第二类信息，则利用下式计算：

上式中，表示已经译码的M-1帧电文中，第k个符号位u_k一共取值为1的概率；当第i帧中第k个符号位u_k取值1时，p_i(u_k＝1)＝1，否则p_i(u_k＝1)＝0，i＝1,2,…M-1；/>表示已经译码的M-1帧电文中，第k个符号位u_k一共取值为-1的概率；当第i帧中第k个符号位u_k取值-1时，p_i(u_k＝-1)＝1，否则p_i(u_k＝-1)＝0。

2.根据权利要求1所述的一种基于信源信息冗余的低错误平层Turbo码译码方法，其特征在于，计算分量译码器输出的外信息时使用外信息系数。

3.一种Turbo码译码器，其特征在于，采用权利要求1至2中之一所述的译码方法进行译码。