CN1267986A - 叠代微分检测器 - Google Patents

Abstract

一种叠代接收机,用于以Markov过程为模型的M－DPSK信号的检测和解码,它能以相对更低的误码率,对这类信号进行检测和解码。

Description

叠代微分检测器

本发明给出一种检测微分编码信号的方法和装置，更具体说，是给出检测某一范畴的微分编码信号，如M-DPSK信号的方法。

数字通信系统在各种类型通信信道，如空中、同轴电缆、电话线、光纤、或任何熟知的能传播通信信号的媒质上，传送数字信息(即位或位组)。数字信息用熟知的标准发射机和接收机发射和接收。图1画出一种典型的数字通信系统模型，它包括一个发射机，通过一通信信道连接到一个接收机。发射机包括与数字复用器104耦合的卷积编码器102，数字复用器104又与调制器106耦合。输入信号b，通常是按任何熟知格式排列的位串或位组。这些数字位代表发自任何熟知通信设备的任何类型信号(数字的或模拟的)。例如，输入信号能够代表数字化的声音、数字化的视频信号、或来自个人计算机(PC)或计算机系统的数字信号。虽然没有画出，但应当了解，发射机也包含把模拟信号变换为位的电路(如从模拟到数字的变换器；A/D变换器)。此外，发射机包括使用熟知的无线电或其他传输电路，把调制器106输出的数字调制信号发送出去。

调制器106的设计，是为了用熟知的如微分相移键控(DPSK)等频谱有效调制技术，对信号进行数字调制。一般地说，调制器106是个M-DPSK调制器，其中M代表能由数字调制器一次发送的、不同的位组合的总数。例如M＝8时，每种位组合包含N位，这里N＝log₂M。因此，M＝8时，N＝3。然后，调制器106的输出(即符号x_i)，通过由前述无线电传输电路组成的信道108发送。进入调制器106的位，是数字复用器104的输出，而后者的输入信号是c_i。信号c_i是位流，其中每一个常常被称为一码语，出现在卷积编码器102的输出上。

卷积编码器102是熟知的位处理装置与/或位操作元件，从本质上说，它把位加到进入的位流b_i上，在进入的位流中引入冗余度，以便在接收机进行纠错。经卷积编码的位，用被数字复用器104交织后的位流c_i表示。数字复用器104也是熟知的位处理装置与/或位操作元件，它改变以c_i表示的位的时间排序，从而在位流中引入时间分集，不把位加进位流中。虽然卷积编码器102、数字复用器104、和调制器106被描述并画成分离的装置，但也可以是一个信号处理系统与/或以计算机为基础的系统的不同部分。

通信系统模型中的接收机，包括一个以后称为软输出检测器(SOD)110的装置。接收机还包括去交织器112和另一个以后称为软输入解码器(SID)114的装置。SOD耦合至去较织器112，后者又耦合至SID114。容易理解，接收机通常包括多个接收装置，其中每一个被安排接收一个独立的信号。例如，图1所示接收机包括N_a个接收装置(未画出)，这里，N_a是等于或大于1的整数。在接收装置是天线阵列时，图1的通信系统模型，例如可以是一个移动通信系统(即无线通信系统)。在移动(无线)通信系统(及其他通信系统)中，每一天线接收某个频带的信号。接收的信号被下变频(即把信号频率变换到较低频率)并加到一个匹配滤波器上。滤波信号被以大于或等于1/T的速率抽样，这里T表示一个信令间隔(即传送一个特定信号的时间大小)的时间周期。各个抽样(即被抽样的接收信号y_i)被馈送至SOD110。此外，熟知的接收机电路(如放大器、滤波器)，图上没有画出，也用来接收多个在信道108上传输的不同信号。为简单和图示容易，N_a个天线和相关的接收机电路都没有画出。显而易见，接收机可以用任何熟知的、能接收多个独立信号的接收装置(天线除外)实现。但是，只为图示容易，这些接收装置此后单指天线。SOD110是从抽样y_i产生可靠性信息(Ω′_i)的装置。

SOD110产生的可靠性信息(或软输出)，代表接收的信号是调制器106定义的位组集合中某一特定位组的概率，或代表每一传送的符号内，每个单独位的概率。要着重指出，可靠性信息并不代表实际传送的信号，但它给出被传送的最可能信号的指示。SOD110的输出(即Ω′_i)被送至去交织器112。去交织器112执行数字复用器104相反的操作，使信号Ω′_i按它们本来的时间排序重新排列。去交织器112的输出(Ω_i)被加到软输入解码器(SID)114。SID114执行解码操作，把去交织器112的输出解码，变成以b′_i表示的位流。假定发射机有一个卷积解码器，一个与之对应的解码操作的例子是软输入Viterbi解码器，它能施行熟知的Viterbi解码算法；见G.D.Forney，＂The ViterbiAlgorithm，＂Proc.IEEE，March 1973，pp.268-278。

抽样y_i代表经信道108传播之后被传送的符号x_i。信道108有改变被传送符号的熟知的特性(如幅度响应，相位响应，脉冲响应)。在通信理论中熟知，信道是一个畸变源，即，相乘畸变(如相位抖动、振幅恶化、频率平移)直接影响到被传送的符号；这类畸变通常在数学上用统计和概率模型来表示。此外，在接收机上，还要加上噪声分量。噪声分量通常是由接收机电路和其他电路加进去的。噪声的一个例子是加性高斯白噪声(AWGN)。信道特性和噪声，代表信道对被传输的符号序列x_i的作用。噪声信号以n表示。来自信道的相乘畸变以h表示。因而，信道对传输符号(x_i)的总作用，由特性h和噪声n表示。特性h和噪声n合起来考虑时，完整地描述了信道对被传送符号的作用。接收的抽样(y_i)被用来导出可靠性信息。信道状态信息(CSI)是信道特性(h)(即相乘畸变)对被传输符号的总作用。CSI等价于信道的脉冲响应(即在电气工程中熟知的用来充分描述一个电路的函数)。

可靠性信息能用熟知的最大A后验概率(MAP)判据来导出。MAP判据常常以某种算法形式实现。MAP算法选取经过特性以h表示的信道传播的，已知抽样序列y_i的一个码语；就是说，该算法选取概率最大化的码语，此概率指已知输入接收机的序列是y_i而被传送的序列是c_i的概率。关于卷积码的MAP解码，在例如L.R.Bahl，J.Cocke，F.Jelinek，J.Raviv，“Optimal decoding of linear codes for minimizingsymbol error rate，”IEEE Trans.Info.Theory，March 1974.中有叙述。要最大化的概率是条件概率，写为： $\left(1\right)---P\left(\underset{-}{c}\right|\underset{=}{y},\underset{=}{h})$

方程(1)和在本申请中出现的所有其他方程，都遵从如下约定：双下画线的变量代表矩阵，单下画线的变量代表矢量。在信号序列经过特性为h和噪声为n的信道传播后，被接收机接收，此信号序列常常写为： $\left(2\right)---\underset{=}{y}=\underset{=}{\mathrm{hx}}+\underset{=}{n}$

因此，对有N_a个天线与信道108耦合的接收机，其中每一天线在时间上按速率1/T，在N_k个(N_k是等于或大于1的整数)不同点抽样，那么方程(2)可以写成如下形式：

信道108的特性h可以被测量，然后以方程(3)所示矩阵形式存储起来。符号(x_i)以对角矩阵 表示，其中每个对角元是由调制器106产生的一个特定符号。对角矩阵

，矩阵 和矩阵

的各个元都是复数。

和

的复共轭用星号标记，即

实际上，调制器106把位d_i映射成符号。所用的特定映射(如Gray映射)产生有限数目的不同符号。能够由调制器106产生的所有不同符号，都存储在对角矩阵

中。如方程(3)所示，被传送的符号x_i被

乘，然后加上噪声。方程(3)表示，在一个通信系统中(如移动或无线通信系统)，一个被传送的符号序列，经过特性由矩阵

表示的无线电信道，并被有N_a个元素的天线阵列俘获。在无线电移动通信系统中(即无线通信系统)，畸变由通常被称为衰落的快速变化的振幅和相位显示出来。

许多通信系统，比如时分多址联接(TDMA)无线通信系统，使用微分调制方案在信道108上传送符号x_i。微分调制方案的一个例子是前述的M-DPSK技术。

M-DPSK调制

再参考图1，当调制器106是一个微分调制器时，它完成的处理过程，是把输入的位空间d_k，i变换为输出的复符号空间x_i；在数学上表示为：

，其中_k是在时刻k的相位。应当指出，x_k振幅任意设定为1。

ξ_k是在时刻k的相位跃迁，而x是时刻k的微分编码信号。相位跃迁是因把N个原始的位映射到M-DPSK的星座点时得到的。例如在图2A，对M＝2，4，8画出这种映射。微分调制是把N＝logM位的数据块分组，成为复数符号，然后用前面的微分编码符号乘该符号。就一个符号的相位来说，M-DPSK调制器可以认为是从信息位d的空间，到复数符号x的空间的一种变换(有记忆的)：

(5)_k＝f(_k-1，d_k，0......，d_k，N-1)＝f(_k-1，δ_k)＝_k-1+δ_k

这里_k表示符号在时刻k(即相位下标，一个整数)的相位，而δ_k表示相位在时刻k和时刻k-1(即跃迁相位下标)之间的变化：

(6)δ_k＝_k-_k-1    对_k≥_k-1

      ＝M+_k-_k-1    对_k＜_k-1

被传送的复符号由 给出。一种称为格式结构的图，被用来表示一个M-DPSK符号序列的时间演变。该图有M个状态(即相位)，各个状态有支线伸出，表示从所有状态的任一个到其他任一个状态的跃迁。一个4-DPSK的格式结构示于图2。格式结构也可以用一个跃迁矩阵

描述。每个矩阵元T(i，j)是一跃迁相位下标，给出相位＝i的信号到相位＝j的信号的跃迁。M-DPSK调制器把进来的位d_k，i，对i＝0，...，(log₂M-1)，映射(如Gray映射)到相应的相位跃迁下标。对某个特定的输入的位d_k，i＝b，有

个可能跃迁相位下标。跃迁相位下标的集合可以用一矩阵

(b)表示。一个矩阵元G_b(i，j)，这里i＝0，......，N-1和j＝0，......， 表示位d_k，i＝b的第j个跃迁相位下标。

集合D(d_m，i)包括序列x_k，其中k＝0，......，m-2和k＝m+1，......，N_k-1，但x_m-1，x_m属于由矩阵

和 规定的集合。M-DPSK调制的一个例子是在IS-136 TDMA无线通信系统中使用的π/4 DQPSK。IS-136是已建立的在北美使用的TDMA无线通信系统标准。

接收机

许多通信系统使用M-DPSK调制方案，其接收机结构与图1所画的类似。接收机包括与去交织器112耦合的SOD110，去交织器112又耦合至软输入解码器114。软输出，即SOD110的输出，由去交织器112去交织，去交织器112的输出由SID114解码。SID114的输出信号(b＇_i)，假定与加于卷积编码器102的信息位相同。因为信道108存在畸变(在发射机和接收机电路中也存在)，由SID114解码得到的位不会与信息的位b精确一致，就是说，被解码的位流通常都含有差错。一种接收机(比如图1所画那种)利用某种算法，企图使出现的差错最小化。差错出现的程度通常用误码率表示；误码率(即位差错率或BER)是错误位的数目与位的总数之比。一个位数据块定义为帧，帧包含确定数目的位；错误的帧数(即帧中至少有一个错误位)与传输的总帧数之比，是帧误差率或FER。在许多数字通信系统—特别是用M-DPSK调制的无线通信系统(如TDMA IS-136系统)中—数据传输的速率不断提高，又要求相对更低的差错率。通常M-DPSK信号用微分检测解调，见J.Proakis，Digital Communications，3^rdedition，McGraw Hill，1995。微分检测是用接收的前一抽样的复共轭乘时刻k接收的抽样(即y_k ^*y^* _k-1＝z_k)。对被传送符号的最后判定，是取与z_k最近的星座点。使用微分检测对微分调制信号进行检测和解码，很快就变得不适用于许多要求差错率相对更低的通信系统。因此需要一种方法和装置，它能使接收机对微分调制的符号进行检测和解码，而其差错率要相对低于用微分检测的接收机。

本发明为接收机给出一种装置和方法，它以相对更低的差错率，对微分调制符号进行叠代检测和解码。本发明的方法和装置，要计算外在的和先验的信息，并用这种信息对符号运载的信息进行更准确的检测和解码。首先，接收代表至少一个符号的一个抽样数据块。然后从接收的至少一个抽样数据块和任何可用的先验信息，计算可靠性信息(或软输出)。从计算的可靠性信息获得外在信息和更新的先验信息，接着，再用这一先验信息和外在信息叠代计算可靠性信息。叠代计算得到的可靠性信息，最终用来对该至少一个抽样数据块运载的信息解码。

图1是一个通信系统的简化方块图，图中通信系统的接收机有软输出检测器；

图2是4-DPSK调制的格式结构图；

图3是一个通信系统的简化方块图，图中通信系统用了本发明的叠代接收机；

图4是本发明的叠代接收机或叠代微分检测器的更详细图解；

图5是流程图，表明本发明方法的步骤。

本发明给出叠代接收机的一种方法和装置，它用从微分调制器如M-DPSK调制器接收的符号，叠代计算可靠性信息，而这一叠代计算以先验的和外在的信息为基础。微分调制器是一种装置，它的输出信号是基于当前被调制的信号和前一被调制信号之差。先验和外在信息都是本发明的方法和装置所用的概率值(或L-值)。一个先验概率值是一个任意规定的值，或推测的值，它作为一个已建立的值而被接受，简而言之，它是一个给定的值。外在信息是各个后验概率值。各个后验概率值是根据已知的或给定的各个概率值(如各个先验概率)，以及各个被计算过的概率值。本发明的叠代接收机是作为一个软输入软输出(SISO)装置而配置的；就是说，它产生软输出并能接收软输入(即各种概率值)。软输入和软输出也称为L-值。

本发明叠代接收机的结构和方法，使之能以相对其他接收机更低的差错率，对信息进行检测和解码。本发明的接收机，其方法和结构的设计，所依据的前提是，接收的微分调制信号是按Markov链来处理的。一个Markov链是一个随机过程(一个随机变数的集合)，其中，给定一个变数前一状态某个确定值(即该变数的状态)时，该随机变数的条件概率完全依赖于该前一状态，而不依赖于更早的状态，这样一种随机过程也叫Markov过程。一个Markov微分调制器产生的符号序列，能够以Markov过程为模型。因此，M-DPSK调制器产生一个M个状态的时间离散的Markov过程。在时刻k的状态在此记为S_k∈{0，……，M-1}。参考后面的方程(9)，M-DPSK Markov过程可以用跃迁概率表示为： $\left(7\right)---p_k\left(x_k\right|x_{k-1})=P(S_k=x_k|S_{k-1}=x_{k-1})=P({\mathrm{\ξ}}_k=\frac{x_k}{x_{k-1}}{|S}_{k-1}=x_{k-1})$

方程(16)用相位指数表示为：

(8)p_k(_k|_k-1)＝P(δ_k＝_k-_k-1|S_k-1＝_k-1)    如果_k≥_k-1

＝P(δ_k＝M+_k-_k-1|S_k-1＝_k-1) 如果_k＜_k-1

对一个M-DPSK Markov过程，调制器输出与变数状态一致。跃迁概率与信息位的先验概率有关，而信息位假定互相间是统计独立的。因此，跃迁概率能够写成 $\left(9\right)---p_k\left(x_k\right|x_{k-1})=P(S_k=x_k|S_{k-1}=x_{k-1})=P(d_{k,0},......,d_{k,N-1})=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Π}}}P$ (d_k，i)

一个M-DPSK Markov调制器能够用M个态的格式结构图表示(见图2A，图中M＝4)。每一支线，从态S_k-1到S_k，能够或是用相位跃迁ξ_k标记，或是用相位跃迁下标δ_k或编码位d_k，i标记。跃迁概率，即方程(7)或(8)，或先验概率的积，即方程(9)，与每一支线相联系。

现在参考图3，图上画出一种通信系统200的模型，其中利用本发明的叠代接收机300，接收符号x_i的抽样y_i，符号x_i是调制器206按符合Markov过程产生的，并经过信道208传播；因此，符号x_i代表一个Markov链。通信系统200有一个发射机部分，由卷积编码器202、数字复用器204、和调制器206组成。容易看出，画出一个发射机和一个接收机只是为了便于说明；通信系统200，按其最普遍的形式，包括多个发射机和接收机，并能够使用Markov微分调制器而不是M-DPSK调制器。

现在参考图4，图上画出本发明的方法和装置更为详细的图示。叠代接收机300包括一个MAP微分检测器(MAP-DD)310，它经过一个数字复用器314和一个去交织器312，耦合至一个MAP解码器316(MAP-DEC)。去交织器312和数字复用器314的每一个都有一个输入和一个输出。MAP-DD 310和MAP-DEC 316规定用作后验概率计算器；就是说，它们按给定的软输入序列而计算软输出。与软输出一样，软输入也是些概率值。软输出L_a(d_i)和L_a(c_i)分别是数字复用器314和去交织器312的输出，这些软输出由下式定义

(10)L_a(d_i)＝Int{L_e(c_i)}这里Int表示交织操作。

(11)L_a(c_i)＝Deint{L_e(d_i)}这里Deint表示去交织操作。

L_a(d_i)和L_a(c_i)，是根据接收机前一次叠代的软数值和外在信息而获得的。MAP-DD 310应用熟知的MAP算法，计算软输出LMAP-DD 310的任务是，在给定观测序列 和利用M-DPSK内在存储的信道状态信息

以及对被编码的位如图3的L_a(d_i)的先验信息的情况下，估算Markov微分调制器的被编码的位的后验概率。具体说，MAP-DD 310对给定的信道观测序列，确定一个对数似然函数： $\left(12\right)---L\left(d_{k,i}\right)=\ln \frac{P(d_{k,i}=+1|\underset{=}{y},\underset{=}{h})}{P(d_{k,i}=-1|\underset{=}{y},\underset{=}{h})}=\ln \frac{\underset{(S_k,S_{k-1})\∈D_i(+1)}{\mathrm{\Σ}}p(S_k,S_{k-1},\underset{=}{y},\underset{=}{h})}{\underset{(S_k,S_{k-1})\∈D_i(-1)}{\mathrm{\Σ}}p(S_k,S_{k-1},\underset{=}{y},\underset{=}{h})}$

这里(S_k，S_k-1)∈D_i(b)是以d_k，i＝b为标记的所有可能跃迁的集合。该集合D_i(b)是由调制器采用的特定映射构作出来的。

类似地，MAP-DEC 316也用此熟知的逐个符号的MAP算法，它的一个例子见C.Berrou，A.Glavieux，P.Thitimajshima，＂NewShannon Limit error Correcting coding and decoding turbo codes＂ICC1993，pp.1064-1070。本发明的叠代接收机，其方法和装置，使用软输出与先验信息的代数组合，推导出外在信息，又利用这一外在信息作为反馈系统的一部分，以比通常的接收机(如微分检测器)相对更低的差错率，对接收的抽样(y_i)进行检测和解码。代数组合是用装置322和324完成的，这些装置可以是硬件、固体组件、软件、或它们的任何组合构成的任何加法或组合装置。外在信息L_e(d_i)和L_e(c_i)定义如下 $\left(13\right)---L_e\left(d_i\right)=L\left(d_i\right|\underset{=}{y},\underset{=}{h})-L_a\left(d_i\right)$

(14)L_e(c_i)＝L(c_i)-L_a(c_i)

因此，第一外在信息(方程13)是MAP-DD 310与数字复用器314的软输出的代数组合，而第二外在信息是MAP-DEC 316和去交织器312软输出的代数组合。L_s(b_i)表示对于信息源的位b_i的先验信息；这一信息能用来，比如，根据该信息源的位所代表的各种信号(如声音、视频、数据)的统计性质，估算信息源的位的值。

参考图5，图上画出本发明方法的步骤。在步骤500，接收至少一个N_k个抽样的数据块，这里N_k是每方程(3)的抽样数。在步骤502，MAP-DD 310把MAP算法施加于接收的至少一个抽样数据块和先验信息L_a(d_i)(如有的话)上，获得属于同一数据块的被编码的位的软输出(即可靠性信息)L(d_i|y)。应当指出，在第一次叠代中，不存在可供使用的先验信息，因此假定所有被编码的位都是独立的且均匀分布。否则，对每方程(10)都要向MAP-310提供L_a(d_i)。在步骤504，对每方程(13)计算外在信息L_e(d_i)；即把L(d_i|y)与L_a(d_i)作代数组合。在步骤506，获得L_a(c_i)并馈送至数字复用器314和MAP-DEC 316。MAP-DEC 316对作为输入的数据块L(c_i)以及信号源的位的先验信息(如果有的话)，进行MAP算法运算，获得被编码的位的软输出L(c_i)，以及信息位的软输出L(b_i)。把L(b_i)加到判定电路(未画出)，获得信息位。信息位就是原先由卷积编码器编码的位。被解码的位的误码率，或FER，用任何熟知的方式测量。在步骤508，对每方程(14)，把L(c_i)与L_a(c_i)作代数组合，获得外在信息L_e(c_i)，把这一外在信息L_e(c_i)加到数字复用器314，由此向MAP-DD 310提供一个估算的先验信息。叠代执行得越多，性能越佳(即BER或FER下降)。当测得的BER或FER不再下降时，停止叠代；也可以用别的判据，决定何时停止叠代过程。

TDMA无线通信系统

本发明的叠代接收机的方法和装置，能在一个TDMA无线通信系统的设备环境中实现。具体说，用一个与IS-136兼容的TDMA系统来演示这一特定的应用。众所周知，在IS-136的TDMA系统中，一帧的长度是40毫秒(msec)，分成六(6)个相等的时隙。帧规定为一个时间周期，系统的用户在此时间周期内发送并接收信息。对某种特定的运行模式，每一用户每帧分配2时隙。例如，用户1被分配时隙1和3。每一用户在用户指定的时隙间隔内发送某确定数量的位。被发送的位在时间上是交织的；就是说，用户在一帧的某一时隙内发送的位的一部分，TDMA系统实际上是在下一帧的对应时隙内发送的。在使用时间交织的TDMA系统中，应用本发明的叠代接收机时，因为信息反馈过程，也因为可能发生的多次叠代，会出现超长的延时。

图6-9给出本发明的方法在TDMA(IS-136)设备环境中实现的四种可能的方案。在图6-9的每一个中有四列，每一列表示在20msec内执行的不同步骤。现在参看图6，图上给出了信息位b。下一步骤，对信息位编码。然后，被编码的信息位重新排序，即改变位的原先排序。重排序的编码位在时间上交织；就是说，当前20msec时间间隔的重排序信息位的一部分(cc′)，与前一20msec时间间隔的重排序信息位交织(未画出)。而当前20msec时间间隔的重排序信息位的剩余部分(cc＂)，则与下一20msec时间间隔的重排序信息位交织。交织的位被调制并发送。

下面，是按照本发明的方法和装置运行并构作的叠代接收机，在IS-136 TDMA系统的设备环境中的运行步骤。传送的符号被一个MAP-DD装置检测。经过MAP微分检测后，获得编码位的L-值。然后，编码位被去交织和重新排序，产生输入L-值，送至MAP信道解码器。在解码器的输出，经重新排序和去交织之后，获得要在另一个MAP微分检测步骤中使用的输入L-值(先验信息)。例如在图6，MAP-DD在时隙0和时隙1完成运算，收集编码位在时隙0的L-值。图7，在第一次叠代中，MAP-DD的操作是在时隙0和时隙1进行的，以收集编码位在时刻0的L-值，这些L-值被MAP-DEC在时隙0和时隙1用于叠代。在图8，每一次叠代，MAP-DD和MAP-DEC在时隙0和时隙1都要运算。在图9，MAP-DD在时隙0、时隙1、和时隙2运算。由此收集编码位在时隙-1(未画出)、时隙0、和时隙1的L-值。然后MAP-DEC在时隙0、时隙1、和时隙2运算。

Claims (1)

1.一种对微分调制符号进行检测和解码的方法，该方法包括的步骤为：

接收至少一个抽样数据块；

其特征在于步骤：

为属于该至少一个抽样数据块中的位，计算可靠性信息；

    为属于该至少一个抽样数据块中的位，提供先验信息，并从

属于该至少一个抽样数据块中的位，计算出外在信息；和

    使用先验信息，再为属于该至少一个抽样数据块中的位，再

计算可靠性信息。

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