CN114301473B - 一种基于csk调制的多进制ldpc译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，通过对接收的导航射频信号进行射频前端处理得到数字中频信号，并对其进行载波剥离，通过匹配滤波模块进行CSK解调，将CSK解调后的相关值及对应的比特数据传递到译码模块进行LDPC译码运算得到译码后的电文数据，利用CSK调制的是相互正交的符号且CSK解调输出的是软判决信息，来改善多进制LDPC译码性能，LDPC译码时采用CSK解调输出结果来初始化接收符号的置信度向量，避免了初始化过程中待译码信息的重新计算，因而具有较小的计算复杂度和存储复杂度，解决了现有多进制LDPC译码方法在译码性能和复杂度之间的均衡问题。

Description

一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法

技术领域

本发明涉及通信导航技术领域，具体涉及一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法。

背景技术

在现代化的卫星导航系统中，LDPC码广泛应用于导航电文的信道编码，例如GPS系统中现代化的信号L1C采用二进制LDPC编码，北斗卫星导航系统中的信号B1C、B2a采用64进制LDPC编码，能够保证电文数据传输可靠性。LDPC(低密度奇偶效验)码是一类性能可逼近香农极限的纠错码，在过去的二十年里二进制LDPC码因其出色的性能引起了相当大的关注并得到快速发展，而多进制LDPC码可以获得比二进制LDPC码更大的性能增益，但代价是更高的计算复杂度和存储资源，因此阻碍了多进制LDPC码的实际应用和发展。

另一个方面，为了提升导航信息的播发速率而不改变扩频码速率及扩频增益，在传统扩频信号基础上，最新的卫星导航系统中引入了码移键控(Code-Shift-Keying，CSK)调制信号，例如QZSS系统的L6信号。CSK调制是一种新型的多进制正交调制方式，它通过传送多种不同的伪码波形信号来表示比特信息，其中每一种波形都由一个基本伪码通过循环移位得到，这样相比传统的PSK调制方式能大大地提升信息传输效率。

相对于CSK信号的调制播发，在接收端对CSK信号的解调处理则相对复杂，其运算复杂度随调制数据的比特数(N)成指数增长(q＝2^N)。其次，就CSK解调之后的多进制LDPC译码而言，目前使用较多的译码算法是基于有限域GF(q)的反向传播(BP)算法和对数域置信传播(LLR-BP)算法，这些算法相比二进制LDPC译码算法都具有很高的复杂度。因此，从信号接收的角度来看，CSK调制和多进制LDPC编码的结合将会对新型卫星导航信号的接收机设计带来巨大的挑战，而设计一类具有较低运算复杂度且不带来性能损失的解调译码方法则有着十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术的计算复杂度高，目的在于提供一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，具有高性能低复杂度，能够确保实时处理高速率的CSK调制信号的解调和高可靠性的多进制LDPC码的译码。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，包括以下步骤：

S1、接收导航射频信号，对所述导航射频信号进行射频前端处理，得到数字中频信号；

S2、生成本地载波，所述本地载波包括同相载波信号和正交载波信号，利用同相载波信号和正交载波信号对所述数字中频信号进行载波剥离，得到载波剥离后的信号；

S3、根据CSK调制方式确定的码相位生成多路本地伪随机码序列，将生成的多路本地伪随机码序列与所述载波剥离后的信号进行匹配相关计算，得到多路相关值和对应的比特数据，对多路相关值和对应的比特数据进行CSK解调；

S4、将所述CSK解调后的相关值及对应的比特数据进行多进制LDPC译码运算，得到译码后的电文数据。

本发明通过对接收的导航射频信号进行前端处理得到数字中频信号，并对其进行载波剥离。通过匹配滤波模块进行CSK解调，将CSK解调后的相关值及对应的比特数据传递到译码模块进行LDPC译码运算得到译码后的电文数据，利用CSK调制的是相互正交的符号且CSK解调输出的是软判决信息，来改善多进制LDPC译码性能。LDPC译码时直接采用CSK解调输出结果来初始化接收符号的置信度向量，避免了初始化过程中待译码信息的重新计算，因而具有较小的计算复杂度和存储复杂度，解决了现有多进制LDPC译码方法在译码性能和复杂度之间的均衡问题，并且还因采用了CSK调制得到了提升信息传输效率的益处，能够确保实时处理高速率的CSK调制信号的解调和高可靠性的多进制LDPC码的译码，从而能有效地降低实现复杂度。

作为本发明的进一步限定，所述射频前端处理包括：对所述导航射频信号进行滤波、下变频和模数转换。

作为本发明的进一步限定，所述载波剥离具体包括：利用所述同相载波信号和所述数字中频信号相乘得到同相支路信号，利用所述正交载波信号和所述数字中频信号相乘得到正交支路信号。

作为本发明的进一步限定，所述CSK解调的方法具体包括以下步骤：

S31、根据预设CSK调制方式产生多路本地伪随机码序列；

S32、将所述载波剥离后的信号分别与多路本地伪随机码序列进行匹配相关计算，得到多路相关值；

S33、将多路相关值按大小进行排序，并分别将对应的码相位转换为比特数据；

S34、截取排序后的部分相关值及对应比特数据，对截取排序后的部分相关值及对应比特数据进行CSK解调，并作为LDPC译码模块输入。

作为本发明的进一步限定，所述本地伪码序列包含多路码相位相互正交的伪码序列，所述多路码相位对应原始比特数据，所述匹配相关计算得到的匹配相关值代表接收到的原始比特数据的软判决信息。

作为本发明的进一步限定，所述CSK调制的符号比特数，与所述多进制LDPC编码的符号比特数对应一致，所述CSK解调输出向量截短长度与多进制LDPC译码运算的置信度向量的截短长度对应一致。

作为本发明的进一步限定，所述多进制LDPC译码的方法具体包括以下步骤：

S41、设置最大迭代次数，并初始化当前迭代次数，根据CSK解调输出相关值和比特数据，初始化接收符号的置信度向量，以及由变量节点传递给校验节点的置信度向量；

S42、对各变量节点，根据变量节点更新规则计算判决符号和由变量节点传递给校验节点的置信度向量；

S43、利用校验矩阵计算校验和，若校验和为零，则声明译码成功，将判决符号序列作为译码输出并终止译码，否则执行下一步；

S44、对各校验节点，根据校验节点更新规则计算从校验节点传递给变量节点的置信度向量；

S45、当前迭代次数加一，若当前迭代次数达到最大迭代次数，则终止译码并声明失败，否则转至步骤S42。

作为本发明的进一步限定，所述多进制LDPC译码方法的变量节点更新规则为：

迭代译码初始化时，取CSK解调后输出的r个比特数据及对应相关值，构成截断的接收信息的置信度向量L_j,r＝(x_r,LLR(x_r))，其中x_r为r个有限域元素，LLR(x_r)为对应的对数似然比(LLR)值；

将变量节点VN_j传递给校验节点CN_f的置性度向量V2C_j→i初始化为L_j′_,r：V2C_j→i＝L′_j,r＝L_j,r·h_i,j＝(x_r·h_i,j,LLR(x_r))，其中h_i,j为校验矩阵H中的元素；

在迭代译码过程中，设C2V_f→j是相连校验节点CN_f传递给变量节点VN_j的长度为r的置性度向量，利用VN_j收到的所有置信度向量C2V_f→j(f≠i)，计算VN_j传递给CN_i的置信度向量其中有限域元素是h_f,j的逆元，(·)_r操作表示将置信度向量中的元素进行排序并截取前r个元素。

作为本发明的进一步限定，所述多进制LDPC译码方法在每次迭代译码过程中，变量节点在每次迭代时都进行一次判决，选取置信度向量中置信度最大的有限域元素作为判决值，判决公式为：

作为本发明的进一步限定，所述多进制LDPC译码方法的校验节点更新规则为：

对每个校验节点CN_i，接收所有与之相连的变量节点传递的置信度向量V2C_j→i，计算置信度向量C2V_i→j：

其中每次加法运算定义为校验节点基本计算：输入两个长为r的置信度向量，对来自不同置信度向量的有限域元素做加法得到候选元素并计算对应的LLR值，将所有候选元素的LLR值排序，截取前r个LLR值及对应的有限域元素构成输出置信度向量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.选择CSK调制的符号比特数与多进制LDPC编码的符号比特数相同，可确保在整个解调和译码过程中都是将N比特信息的当作一个符号单元来处理，能有效避免信息-比特转换引入的信息量损失。

2.CSK解调输出的是排序后的相关值及对应比特信息，与常规CSK解调仅输出相关峰值对应的硬判决比特信息相比，保留了更完整的软判决信息量。这种CSK解调的输出结果可直接输入LDPC译码模块用作置信度向量的初始化，由于CSK调制的符号之间是相互正交的，因此也能确保多进制LDPC译码的输入符号为正交的，从而能够加快译码迭代收敛速度，有效地改善现有多进制LDPC译码算法在瀑布域的性能损失。

3.LDPC译码模块直接采用CSK解调输出结果来初始化接收符号的置信度向量，避免了初始化过程中待译码信息的重新计算；CSK解调输出向量和LDPC译码过程所有置信度向量长度都截短为r，r≤q,因此本技术方案具有较小的计算复杂度和存储复杂度，解决了现有多进制LDPC译码方法在译码性能和复杂度之间的均衡问题，并且还因采用了CSK调制得到了提升信息传输效率的益处。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中的基于CSK调制的多进制LDPC译码方法的流程图；

图2为本发明实施例中的匹配滤波模块实现CSK解调的框图；

图3为本发明实施例中的多进制LDPC译码模块实现框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，包括以下步骤：

S1、接收导航射频信号，对导航射频信号进行射频前端处理，得到数字中频信号；

S2、生成本地载波，本地载波包括同相载波信号和正交载波信号，利用同相载波信号和正交载波信号对数字中频信号进行载波剥离，得到载波剥离后的信号；

S3、根据CSK调制方式确定的码相位生成多路本地伪随机码序列，将生成的多路本地伪随机码序列与所述载波剥离后的信号进行匹配相关计算，得到多路相关值和对应的比特数据，对多路相关值和对应的比特数据进行CSK解调；

S4、将CSK解调后的相关值及对应的比特数据进行多进制LDPC译码运算，得到译码后的电文数据。

射频前端处理包括：对导航射频信号进行滤波，下变频和模数转换；通过对接收的导航射频信号进行前端处理得到数字中频信号，并对其进行载波剥离，载波剥离具体包括：利用同相载波信号和数字中频信号相乘得到同相支路信号，利用正交载波信号和数字中频信号相乘得到正交支路信号。通过匹配滤波模块对载波剥离后的信号进行CSK解调，将CSK解调后的相关值及对应的比特数据传递进行LDPC译码运算得到译码后的电文数据，LDPC译码时直接采用CSK解调输出结果来初始化接收符号的置信度向量，避免了初始化过程中待译码信息的重新计算，因而具有较小的计算复杂度和存储复杂度，解决了现有多进制LDPC译码方法在译码性能和复杂度之间的均衡问题，并且还因采用了CSK调制得到了提升信息传输效率的益处，能够确保实时处理高速率的CSK调制信号的解调和高可靠性的多进制LDPC码的译码。

在一些可能的实施例中，导航射频信号中包含的CSK调制信号每个符号所包含的比特数N，与基于有限域GF(q)的多进制LDPC编码中每个符号所包含的比特数相匹配，因此在整个解调译码过程中都是将信息中的N个比特当作一个符号单元来处理，可有效避免信息-比特转换引入的信息量损失，最大限度地发挥CSK调制的优势，CSK解调输出的是排序后的相关值及对应比特信息，与常规CSK解调仅输出相关峰值对应的硬判决比特信息相比，保留了更完整的软判决信息量。这种CSK解调的输出结果可直接输入LDPC译码模块用作置信度向量的初始化，由于CSK调制的符号之间是相互正交的，因此也能确保多进制LDPC译码的输入符号为正交的，从而能够加快译码迭代收敛速度，有效地改善现有多进制LDPC译码算法在瀑布域的性能损失。LDPC译码模块直接采用CSK解调输出结果来初始化接收符号的置信度向量，避免了初始化过程中待译码信息的重新计算；CSK解调输出向量和LDPC译码过程所有置信度向量长度都截短为r，因此本技术方案具有较小的计算复杂度和存储复杂度，解决了现有多进制LDPC译码方法在译码性能和复杂度之间的均衡问题，并且还因采用了CSK调制得到了提升信息传输效率的益处。

如图2所示，将载波剥离后的信号根据CSK调制方式确定的码相位生成多路本地伪随机码序列，与载波剥离后的信号进行匹配相关计算，得到多路相关值和对应的比特数据，完成CSK解调，CSK解调的方法具体包括以下步骤：

S31、根据预设CSK调制方式产生多路本地伪随机码序列；

S32、将载波剥离后的信号分别与多路本地伪随机码序列进行匹配相关计算，得到多路相关值；

S33、将多路相关值按大小进行排序，并分别将对应的码相位转换为比特数据；

S34、截取排序后的部分相关值及对应比特数据，对截取排序后的部分相关值及对应比特数据进行CSK解调，并作为LDPC译码模块输入。

本地伪码序列包含多路码相位相互正交的伪码序列，多路码相位对应原始比特数据，匹配相关计算得到的匹配相关值代表接收到的原始比特数据的软判决信息，CSK调制的符号比特数与多进制LDPC编码的符号比特数对应一致，CSK解调输出向量截短长度与多进制LDPC译码运算的置信度向量的截短长度对应一致，选择CSK调制的符号比特数与多进制LDPC编码的符号比特数相同，可确保在整个解调译码过程中都是将N比特信息的当作一个符号单元来处理，有效避免信息-比特转换引入的信息量损失。

在一些可能的实施例中，多进制LDPC译码的方法具体包括以下步骤：

S41、设置最大迭代次数，并初始化当前迭代次数，根据CSK解调输出相关值和比特数据，初始化接收符号的置信度向量，以及由变量节点传递给校验节点的置信度向量；

S42、对各变量节点，根据变量节点更新规则计算判决符号和由变量节点传递给校验节点的置信度向量；

S43、利用校验矩阵计算校验和，若校验和为零，则声明译码成功，将判决符号序列作为译码输出并终止译码，否则执行下一步；

S44、对各校验节点，根据校验节点更新规则计算从校验节点传递给变量节点的置信度向量；

S45、当前迭代次数加一，若当前迭代次数达到最大迭代次数，则终止译码并声明失败，否则转至步骤S42。

实施例2

如图3所示，多进制LDPC码由有限域GF(q)下的校验矩阵H_m×n定义，H矩阵的每一行对应一个校验节点CN_i，每一列对应一个变量节点VN_j，具体实现方式如下：

设置最大迭代次数itr_max，当前迭代次数itr＝0。利用CSK解调输出的每个符号的r个相关值和比特数据，初始化接收符号的置信度向量L_j(0≤j＜n)，以及各变量节点VN_j(0≤j＜n)传递给各校验节点CN_i(0≤i＜m)的置信度向量V2C_j→i，其中传递的置信度向量包含的有限域元素个数为r，r≤q；

对各变量节点VN_j，根据变量节点更新规则计算判决符号与置信度向量V2C_j→i；

利用校验矩阵H，计算校验和若s＝0，则声明译码成功，将判决符号序列作为译码输出并终止译码；否则执行下一步；

对各校验节点CN_i，根据校验节点更新规则计算从校验节点CN_i传递给变量节点VN_j的置信度向量C2V_i→j；

令itr＝itr+1。若itr＝itr_max，则终止译码并声明失败；否则转至对各变量节点VN_j，根据变量节点更新规则计算判决符号与置信度向量V2C_j→i；

上述变量节点的具体更新规则为：

若当前迭代次数itr＝0，取CSK解调后输出的r个比特数据及对应相关值，构成截断置信度向量L_j,r＝(x_r,LLR(x_r))，其中x_r为有限域元素，LLR(x_r)为对应的对数似然比(LLR)值。将V2C_j→i初始化为L′_j,r：V2C_j→i＝L′_j,r＝L_j,r·h_i,j＝(x_r·h_i,j,LLR(x_r))，其中h_i,j为校验矩阵H中的元素；

若当前迭代次数itr＞0，设C2V_f→j是相连校验节点CN_f传递给变量节点VN_j的长度为r的置性度向量，利用VN_j收到的所有置信度向量C2V_f→j(f≠i)，计算VN_j传递给CN_i的置信度向量V2C_j→i：其中有限域元素是h_f,j的逆元，(·)_r操作表示将置信度向量中的元素进行排序并截取前r个元素。

此外，每个变量节点在每次计算时都进行一次判决，选取置信度向量中置信度最大的有限域元素作为判决值，判决公式为：

上述校验节点的具体更新规则为：

对每个校验节点CN_i，接收所有与之相连的变量节点传递的置信度向量V2C_j→i，计算置信度向量C2V_i→j：其中每次加法运算定义为校验节点基本计算：输入两个长为r的置信度向量，对来自不同置信度向量的有限域元素做加法得到候选元素并计算对应的LLR值，将所有候选元素的LLR值排序，截取前r个LLR值及对应的有限域元素构成输出置信度向量。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接收导航射频信号，对所述导航射频信号进行射频前端处理，得到数字中频信号；

S2、生成本地载波，所述本地载波包括同相载波信号和正交载波信号，利用同相载波信号和正交载波信号对所述数字中频信号进行载波剥离，得到载波剥离后的信号；

S3、根据CSK调制方式确定的码相位生成多路本地伪随机码序列，将生成的多路本地伪随机码序列与所述载波剥离后的信号进行匹配相关计算，得到多路相关值和对应的比特数据，对多路相关值和对应的比特数据进行CSK解调；

所述CSK解调的方法具体包括以下步骤：

S31、根据预设CSK调制方式产生多路本地伪随机码序列；

S32、将所述载波剥离后的信号分别与多路本地伪随机码序列进行匹配相关计算，得到多路相关值；

S33、将多路相关值按大小进行排序，并分别将对应的码相位转换为比特数据；

S34、截取排序后的部分相关值及对应比特数据，对截取排序后的部分相关值及对应比特数据进行CSK解调，并作为LDPC译码模块输入；

其中，所述CSK调制的符号比特数与所述多进制LDPC编码的符号比特数对应一致，所述CSK解调输出向量截短长度与多进制LDPC译码运算的置信度向量的截短长度对应一致；

S4、将所述CSK解调后的相关值及对应的比特数据进行多进制LDPC译码运算，得到译码后的电文数据；

所述多进制LDPC译码的方法具体包括以下步骤：

S41、设置最大迭代次数，并初始化当前迭代次数，根据CSK解调输出相关值和比特数据，初始化接收符号的置信度向量，以及由变量节点传递给校验节点的置信度向量；

S42、对各变量节点，根据变量节点更新规则计算判决符号和由变量节点传递给校验节点的置信度向量；

S43、利用校验矩阵计算校验和，若校验和为零，则声明译码成功，将判决符号序列作为译码输出并终止译码，否则执行下一步；

S44、对各校验节点，根据校验节点更新规则计算从校验节点传递给变量节点的置信度向量；

S45、当前迭代次数加一，若当前迭代次数达到最大迭代次数，则终止译码并声明失败，否则转至步骤S42。

2.根据权利要求1所述的基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，所述射频前端处理包括：对所述导航射频信号进行滤波、下变频和模数转换。

3.根据权利要求1所述的基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，所述载波剥离具体包括：利用所述同相载波信号与所述数字中频信号相乘得到同相支路信号，利用所述正交载波信号与所述数字中频信号相乘得到正交支路信号。

4.根据权利要求1所述的基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，所述本地伪随机码序列包含多路码相位相互正交的伪码序列，所述多路码相位对应原始比特数据，所述匹配相关计算得到的匹配相关值代表接收到的原始比特数据的软判决信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，所述多进制LDPC译码方法的变量节点更新规则为：

迭代译码初始化时，取CSK解调后输出的r个比特数据及对应相关值，构成截断的接收信息的置信度向量，其中x _r 为r个有限域元素，LLR(x _r )为对应的对数似然比（LLR）值；

将变量节点传递给校验节点的置信度向量初始化为：，其中为校验矩阵H中的元素；

在迭代译码过程中，设是相连校验节点传递给变量节点的长度为r的置信度向量，利用收到的所有置信度向量，计算传递给的置信度向量：，其中有限域元素是的逆元，(•) _r 操作表示将置信度向量中的元素进行排序并截取前r个元素，r≤q。

6.根据权利要求1所述的一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，所述多进制LDPC译码方法在每次迭代译码过程中，变量节点在每次迭代时都进行一次判决，选取置信度向量中置信度最大的有限域元素作为判决值，判决公式为：

。

7.根据权利要求1所述的一种基于CSK调制的多进制LDPC译码方法，其特征在于，所述多进制LDPC译码方法的校验节点更新规则为：

对每个校验节点，接收所有与之相连的变量节点传递的置信度向量，计算置信度向量：；

其中每次加法运算定义为校验节点基本计算：输入两个长为r的置信度向量，对来自不同置信度向量的有限域元素做加法得到候选元素并计算对应的LLR值，对所有候选元素的LLR值排序，截取前r个LLR值及对应的有限域元素构成输出置信度向量。