CN116318242B - 一种提高编码lfm系统传输速率的软解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法，涉及无线通信技术领域，其技术方案是：在发送端，索引比特决定发送信号的调频斜率；在接收端，将接收信号经过不同调频斜率的下啁啾信号进行解啁啾操作，接着将经解啁啾操作后的信号分别进行傅里叶变换运算和取模操作，再经过解调器，对索引比特和数据比特分别进行软解调得到解调软信息，最后再将这些解调软信息送到译码器中即可恢复出原始的数据比特流。本发明与现有的Turbo‑LFM方案相比，具有更高的频谱效率和传输速率，且具有超过4dB的性能增益。在实际操作中，所述傅里叶变换运算可采用FFT运算，以较低的实现复杂度实现本发明方案。

Description

一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法。
背景技术
2019年，T.Elshabrawy和J.Robert提出了交织啁啾扩频(interleaved chirpspreading，ICS)技术来提高LFM系统的传输速率和频谱效率，该方案以牺牲0.8dB的性能为代价最高获得了14.28％的数据速率增益。
2021年，Muhammad Hanif等人提出了斜移键控(slope shift keying，SSK)-LFM调制方案，该方案通过引入下啁啾信号来扩展信号集，因此在一个符号周期内可以多传输1比特。
2022年，A.Mondal和M.Hanif提出的SSK-ICS调制，使用上行啁啾、下行啁啾、交织上行啁啾和交织下行啁啾来扩展信号集，因此每个传输符号可以携带更多比特。对于相同的扩频因子和带宽消耗，所提出的方案能够将传统LFM系统的数据速率提高28.6％。
同年，S.An和Z.Lu等人提出了一种Turbo编码的LFM-Index调制方案，该方案实质上就是一种斜移键控调制方案，但是引入了性能优异的Turbo码作为编码方案，因此该方案相较于传统的SSK-LFM系统获得了很好的BER性能的提升，然而该方案只能一次多传输1bit，对传输速率的提升相对有限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法，可用于提升编码LFM系统的传输速率和未编码系统的误码性能。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法，包括以下步骤：
步骤1：设定信源产生的二进制比特流经过编码之后为b0,...,bSF-1,bSF,...,bSF+x-1，其中SF表示扩频因子，x表示在一个符号周期内多传输的比特数；bSF,...,bSF+x-1为索引比特，索引比特决定调制信号的调频斜率μ，因此需要设定W＝2x个不同的调频斜率μ0,...,μW-1；
步骤2：利用Gary映射，由所述索引比特唯一确定调频斜率μ，μ∈{μ0,...,μW-1}；
步骤3：利用所述调频斜率μ，得到SSK-CSS索引调制序列；
步骤4：利用所述SSK-CSS索引调制序列通过加性高斯白噪声信道得到接收信号r(l)；
步骤5：利用所述接收信号r(l)分别与所述调频斜率μ的下啁啾信号进行解啁啾操作，得到解啁啾信号r0(l):rW-1(l)；
步骤6：利用所述解啁啾信号r0(l):rW-1(l)进行傅里叶变换运算和取模操作，将得到的结果记为的最大值记为Fk，其中k＝0,...,W-1；
步骤7：利用Fk，得到索引比特流的解调软信息Λ(bSF),...,Λ(bSF+x-1)；
步骤8：利用得到数据比特流的解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF-1)；
步骤9：将解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF+x-1)送入译码器，得到译码比特流。
在本发明的一个实施例中，所述SSK-CSS索引调制序列表示为：
其中，s(l)为一个符号周期内第l个啁啾对应的SSK-CSS索引调制序列，M＝2SF，M为正交啁啾数，j为虚数单位，m表示二进制数据比特流b0,...,bSF-1按照自然映射规则转换成的十进制符号，μ∈{μ0,...,μW-1}，μ为调频斜率，其取值由所述索引比特bSF,...,bSF+x-1按照Gary映射决定。
在本发明的一个实施例中，所述接收数据信号r(l)表示为：
其中，n(l)是均值为0、方差为σ2＝N0/2的复高斯随机变量，N0为噪声单边功率谱密度。
在本发明的一个实施例中，所述解啁啾信号r0(l):rW-1(l)表示为：
其中，k＝0,...,W-1，
在本发明的一个实施例中，所述傅里叶变换运算采用DFT运算或FFT运算。
在本发明的一个实施例中，步骤6包括：
6a)对解啁啾信号rk(l)通过M点的DFT运算和取模操作得到
其中，q＝0,...,M-1，
6b)利用得到最大值Fk：
在本发明的一个实施例中，所述解调软信息Λ(bSF),...,Λ(bSF+x-1)表示为：
其中，Γ0,n∈{0,1,...,2x-1}和Γ1,n∈{0,1,...,2x-1}分别表示按照Gary映射的十进制数0,1,...,2x-1所对应的二进制比特表示中第n个位置为0的索引集合和第n个位置为1的索引集合。
在本发明的一个实施例中，所述步骤8包括：
8a)求F0:FW-1最大值的索引h：
8b)令得到数据比特流b0,b1,...,bSF-1的解调软信息：
其中，用Ω0,i∈{0,1,...,2SF-1}和Ω1,i∈{0,1,...,2SF-1}分别表示按照自然映射的十进制数0,1,...,2SF-1所对应的二进制比特表示中第i个位置为0的索引集合和第i个位置为1的索引集合。
本发明的有益效果：
1.与现有的Turbo码级联LFM-index调制方案相比，本发明提出的方案在一个符号周期内可以传输更多比特，软解调算法更加通用；
2.本发明提出的方案与现有的Turbo编码的LFM系统相比，具备更高的频谱效率和传输数据速率；
3.与现有的硬解调方案相比，本发明提出的软解调方法具有超过4dB的性能增益，可大大提高在自由空间下的通信距离。
4.本发明使用的傅里叶变换运算可采用DFT运算或FFT运算，其中FFT运算能够以较低的实现复杂度实现本发明方案。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明的传输链路系统模型；
图2是本发明实施例SF＝7时本发明的性能仿真图；
图3是本发明实施例SF＝9时本发明的性能仿真图；
图4是本发明实施例不同SF下的传输数据速率图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
参照图1，图1是本发明实施例的传输链路系统模型。不失一般性，这里以x＝2，编码方案选择Turbo码为例，对本发明进行详细说明。
步骤1：设定信源产生的消息序列经过Turbo编码器之后得到二进制比特流为b0,b1,...bSF-1bSF,bSF+1。其中，SF表示扩频因子，bSF,bSF+1为索引比特，索引比特决定调制信号的调频斜率μ，因此这里需要设定W＝22＝4个不同的调频斜率μ1,μ2,μ3,μ4，其中，μ1＝1，μ2＝1.05，μ3＝1.1，μ4＝1.15。
步骤2：利用Gary映射，由索引比特bSF,bSF+1按照表1唯一确定调频斜率μ；
2a)索引比特bSF,bSF+1和调频斜率μ的映射关系如表1所示：
表1
bSF,bSF+1 调频斜率μ
[0 0] μ1＝1.00
[0 1] μ2＝1.05
[1 1] μ3＝1.10
[1 0] μ4＝1.15
步骤3：利用调频斜率μ，得到SSK-CSS索引调制序列s(l)；
3a)SSK-CSS索引调制序列表示为：
其中，s(l)为一个符号周期内第l个啁啾对应的SSK-CSS索引调制序列，M＝2SF，M为正交啁啾数，SF为扩频因子，j为虚数单位，m表示数据比特流b0,...,bSF-1按照自然映射规则转换成的十进制符号，μ∈{μ0,μ1,μ2,μ3}为调频斜率，其取值由索引比特bSF,bSF+1按照表1的映射关系决定。
步骤4：利用调制序列s(l)通过加性高斯白噪声(AWGN)信道得到接收信号r(l)；
4a)接收数据信号r(l)表示为：
其中，n(l)是均值为0、方差为σ2＝N0/2的复高斯随机变量，N0为噪声单边功率谱密度。
步骤5：利用接收信号r(l)分别通过调频斜率为μk(k＝0,1,2,3)的下啁啾信号进行解啁啾操作，得到解啁啾信号rk(l)；
其中，
步骤6：利用解啁啾信号r0(l):rW-1(l)进行傅里叶变换运算、取模操作得到的结果记为对应的最大值记为/>k＝0,1,2,3。
具体的，傅里叶变换运算可采用DFT运算或FFT运算。其中，DFT运算，是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换频域的采样。FFT运算，是离散傅里叶变换的快速算法，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。其中，FFT运算的时间复杂度优于DFT运算，计算浮点精度损失小于DFT运算，因此当傅里叶变换运算采用FFT运算时能够以较低的实现复杂度实施本方案。DFT运算和FFT运算均属于现有的成熟算法，因此不对其原理作过多赘述。
在本实施例中，以傅里叶变换运算采用DFT运算为例，步骤6具体包括如下步骤：
6a)对解啁啾信号rk(l)分别通过M点的DFT运算、取模操作得到
其中，q＝0,...,M-1，
6b)利用得到最大值Fk：
步骤7：利用Fk，得到索引比特流的解调软信息Λ(bSF),Λ(bSF+1)；
7a)索引比特流的解调软信息：
其中，Γ0,0＝{0,1}，Γ0,1＝{2,3}，Γ1,0＝{0,3}，Γ1,1＝{1,2}。
步骤8：利用得到数据比特流的解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF-1)；
8a)求F0:FW-1中最大值的索引h：
8b)令得到数据比特流b0,b1,...,bSF-1的解调软信息：
其中，用Ω0,i∈{0,1,...,2SF-1}和Ω1,i∈{0,1,...,2SF-1}分别表示按照自然映射的十进制数0,1,...,2SF-1所对应的二进制比特表示中第i个位置为0的索引集合和第i个位置为1的索引集合。
步骤9：将解调软信息送入Turbo码译码器，即可得到译码比特流。
通过上述步骤，本发明基于傅里叶变换，可以分别得到索引比特和信息比特的解调软信息，使得该传输方案可以级联LDPC码和Turbo码等现代高增益编码方案，仿真结果表明，Turbo码的引入获得了超过4dB的性能增益。
为了进一步说明本发明的有益效果，下面通过仿真实验进行对比说明。
仿真1
1.1仿真条件
一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法，仿真参数如表2。
表2传输方案一的仿真参数
1.2仿真结果与分析
表2列出了本发明提出的传输方案所使用到的仿真参数，相应地，图2～图3给出了基于SSK-CSS技术的LFM系统软解调方法的误码性能。
图2中以星形标记的实线表示在AWGN信道下，SF＝7时未编码LFM系统的误码性能。
图2中以圆圈形标记的虚线表示在AWGN信道下，x＝2，SF＝7时未编码LFM系统的误码性能。
图2中以圆圈形标记的实线表示在AWGN信道下，x＝2，SF＝7时Turbo编码的LFM系统的误码性能。
图3中以星形标记的实线表示在AWGN信道下，SF＝9时未编码LFM系统的误码性能。
图3中以圆圈形标记的虚线表示在AWGN信道下，x＝2，SF＝9时未编码LFM系统的误码性能。
图3中以圆圈形标记的实线表示在AWGN信道下，x＝2，SF＝9时Turbo编码的LFM系统的误码性能。
图4中以叉形标记的曲线表示x＝2时本发明在不同扩频因子下的传输数据速率曲线。
图4中以星形标记的曲线表示现有的Turbo-LFM系统在不同扩频因子下的传输数据速率曲线。
由图2和图3的仿真结果可知，相较于未编码系统，本发明有着超过4dB的性能提升，可大大提高在自由空间下的通信距离。从图4可以看出，与现有的Turbo-LFM系统相比，传输数据速率和频谱效率都有显著提高。传统的LFM系统的数据速率为R·B·SF/2SF，其中B为系统带宽，R为系统码率。通过本发明的方案，可将传输速率提升至R·B·(SF+x)/2SF。具体的，当码率和系统带一致，SF＝7，x＝2时，传输数据速率提高了约29％；当SF＝9，x＝2时，传输数据速率提高了约22％。
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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种提高编码LFM系统传输速率的软解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设定信源产生的二进制比特流经过编码之后为b0,...,bSF-1,bSF,...,bSF+x-1，其中SF表示扩频因子，x表示在一个符号周期内多传输的比特数；bSF,...,bSF+x-1为索引比特，索引比特决定调制信号的调频斜率μ，因此需要设定W＝2x个不同的调频斜率μ0,...,μW-1；
步骤2：利用Gary映射，由所述索引比特唯一确定调频斜率μ，μ∈{μ0,...,μW-1}；
步骤3：利用所述调频斜率μ，得到SSK-CSS索引调制序列；
步骤4：利用所述SSK-CSS索引调制序列通过加性高斯白噪声信道得到接收信号r(l)；
步骤5：利用所述接收信号r(l)分别与所述调频斜率μ的下啁啾信号进行解啁啾操作，得到解啁啾信号r0(l):rW-1(l)；
步骤6：利用所述解啁啾信号r0(l):rW-1(l)进行傅里叶变换运算和取模操作，将得到的结果记为 的最大值记为Fk，其中k＝0,...,W-1；
步骤7：利用Fk，得到索引比特流的解调软信息Λ(bSF),...,Λ(bSF+x-1)；
步骤8：利用得到数据比特流的解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF-1)；
步骤9：将解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF+x-1)送入译码器，得到译码比特流；
所述SSK-CSS索引调制序列表示为：
其中，s(l)为一个符号周期内第l个啁啾对应的SSK-CSS索引调制序列，μ为调频斜率，M＝2SF，M为正交啁啾数，j为虚数单位，m表示二进制数据比特流b0,...,bSF-1按照自然映射规则转换成的十进制符号；
所述接收信号r(l)表示为：
其中，μ为调频斜率，n(l)是均值为0、方差为σ2＝N0/2的复高斯随机变量，N0为噪声单边功率谱密度；
所述解啁啾信号r0(l):rW-1(l)表示为：
其中，k＝0,...,W-1，
所述傅里叶变换运算采用DFT运算或FFT运算；
所述步骤6包括：
6a)对解啁啾信号rk(l)通过M点的DFT运算和取模操作得到
其中，q＝0,...,M-1，
6b)利用得到最大值Fk：
所述解调软信息Λ(bSF),...,Λ(bSF+x-1)表示为：
其中，Γ0,n∈{0,1,...,2x-1}和Γ1,n∈{0,1,...,2x-1}分别表示按照Gary映射的十进制数0,1,...,2x-1所对应的二进制比特表示中第n个位置为0的索引集合和第n个位置为1的索引集合；
所述步骤8包括：
8a)根据Fk，求F0:FW-1中最大值的索引h；
8b)利用最大值的索引h，得到数据比特流的解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF-1)；
所述数据比特流的解调软信息Λ(b0),...,Λ(bSF-1)表示为：
其中，Ω0,i∈{0,1,...,2SF-1}和Ω1,i∈{0,1,...,2SF-1}分别表示按照自然映射的十进制数0,1,...,2SF-1所对应的二进制比特表示中第i个位置为0的索引集合和第i个位置为1的索引集合。
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