基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法
2023-09-22 20:33:40 2
專利名稱：基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，更進一步涉及數字通信中一種調製和差錯控制編碼的方法。該方法基於一種非遞歸全響應連續相位調製(Continuous Phase Modulation,CPM) 和Turbo乘積碼相結合的串行級聯編碼調製方法，可用於遙測，衛星通信、深空通信技術領域，可以提高系統的頻譜效率、功率效率和可靠性。
背景技術：
目前，國內外通信系統中，一般採用連續相位調製CPM (Continuous Phase Modulation)作為內碼和性能優異的差錯控制編碼級聯的方法，來提高系統的頻譜效率、功率效率和可靠性。CPM作為內碼和性能優異的差錯控制編碼級聯的方法主要有卷積碼、低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check code，LDPC碼)或Turbo碼以及Turbo乘積碼和遞歸CPM串行級聯的三種方法。第一種方法，卷積碼和遞歸CPM串行級聯的方法。A. Perotti 等人 ^t "Capacity-Achieving CPM Schemes" (IEEE Trans. Inf. Theory，vol. 56，no. 4，pp. 1521-1541, April 2010)提出的一種以遞歸 CPM 為內碼和卷積碼相結合的方法。該方法將卷積碼和遞歸的CPM通過一個比特交織器級聯起來，並將卷積碼和CPM中的連續相位編碼器(Continuous Phase Encoder, CPE)作為一個串行級聯卷積碼來進行優化設計；無記憶調製器(Memoryless Modulator, MM)根據編碼以後的信息比特選擇相應的波形輸出；在接收端，先對接收信號進行解調，之後進行內解碼，內解碼器輸出的軟信息解交織以後送給外解碼器，經過解碼以後，再將外解碼器輸出的軟信息經過交織以後送給內解碼器，如此反覆，在內外碼之間進行迭代解碼，當滿足一定的迭代停止條件後， 則停止迭代，輸出解碼結果。該方法存在的不足之處是在接收端，內外碼之間需要迭代解碼，延時大，迭代解碼算法複雜度高，導致該解碼算法在可編程器件上編程實現困難。第二種方法，LDPC碼或Turbo碼和遞歸CPM串行級聯的方法。Xue Rui 等人在"Power and Bandwidth Efficient LDPC Coded CPM with Iterative Decoding，， (12th IEEE International Conference on Communication Technology (ICCT)，Nanjing, China, 2010 :1019-1022.)提出的 LDPC 碼與遞歸 CPM 的級聯方法。該方法需要預先用理論分析或者計算機搜索來尋找一種最佳的LDPC碼作為外碼。發送端將發送的信息比特經過LDPC碼編碼器編碼後，送給CPM調製器輸出發送波形；在接收端，先對接收到的信號進行解調，之後進行內解碼，內解碼器輸出的軟信息送給外解碼器進行外解碼，再將外解碼器輸出的軟信息送給內解碼器，如此反覆，在內外碼之間進行迭代解碼。該方法存在的不足之處是由於設計LDPC碼的校驗矩陣時為了要避免出現「四環」，所以尋找最佳的LDPC碼比較困難；迭代解碼導致解碼延時大。第三種方法，Turbo乘積碼和兩種特殊的遞歸CPM級聯的方法。K. Damodaran禾口E. Perrins在"Serially Concatenated Codes for Aeronautical Telemetry" (IEEE MILCOM 2008，San Diego CA, Nov. 2008 1-6)中提出了兩種特殊的遞歸 CPM-有形偏移四進位相移鍵控(Shaped-offset Quadrature Phase Shift Keying,
SOQPSK)、脈衝編碼調製 / 調頻(Pulse Code Modulation/Frequency Modulation,PCM/FM) 分別和Turbo乘積碼(Turbo Product Code, TPC)級聯的串行級聯編碼調製方法。該方法在發送端先將信息比特進行TPC編碼，然後把編碼輸出進行CPM調製；接收端，內解碼器對接收信號進行內解碼，輸出發送比特的軟信息，送給外解碼器進行TPC解碼。該方法的不足之處在於調製器僅能夠使用兩種特殊的遞歸CPM，內碼調製參數固定，在頻譜特性、功率利用率和帶寬利用率方面有一定的局限性。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於全響應CPM和 Turbo乘積碼的編碼調製方法，能夠有效地減小解碼時延，降低解碼算法複雜度，同時提高通信系統的頻譜效率、功率效率和可靠性。為了實現上述目的，本發明將需要發送的信息比特序列進行Turbo乘積碼編碼， 編碼輸出通過交織器進行隨機交織，交織後的比特序列轉換為多進位符號序列，再送連續相位編碼器，無記憶調製器根據連續相位編碼器輸出的多進位符號序列輸出相應的波形。本發明實現的具體步驟如下(1) Turbo乘積碼編碼器初始化，Turbo乘積碼編碼器中的Turbo乘積碼行列子碼採用擴展漢明碼的編碼方式完成初始化。(2)讀入信息序列，Turbo乘積碼編碼器讀入需要發送的信息序列，將該信息序列存入編碼緩存器k行k列。(3) Turbo乘積碼編碼，Turbo乘積碼編碼器對編碼緩存的前k行k列進行行編碼、 列編碼，然後輸出已編碼比特。(4)隨機交織器對Turbo乘積碼的編碼輸出進行隨機交織，獲得比特序列。(5)符號映射器將隨機交織器輸出的比特序列按照自然二進位映射方式轉換為多進位符號序列。(6)非遞歸連續相位編碼6a)在非遞歸連續相位編碼前，非遞歸連續相位編碼器將多進位符號寄存器初始化為0;6b)非遞歸連續相位編碼器讀入多進位符號序列的一個多進位符號，用當前讀入的多進位符號減去寄存器中存儲的多進位符號，將運算結果對調製進位數取模後作為當前碼元周期內的第一個多進位符號輸出，寄存器中暫存的符號作為當前碼元周期內的第二個多進位符號輸出；6c)非遞歸連續相位編碼器將當前讀入的多進位符號存入多進位符號寄存器；6d)重複步驟6b、6c，直到處理完所有輸入的多進位符號。(7)無記憶調製無記憶調製器根據非遞歸連續相位編碼器輸出的多進位符號， 計算輸出波形數據。本發明與現有技術相比具有以下優點第一，由於本發明採用了非遞歸連續相位編碼，克服了現有技術中存在的內外碼之間必須進行迭代解碼的不足，使得內外解碼器之間不需要進行迭代解碼就能夠達到較好的誤比特性能，減小了解碼延遲，降低了解碼算法在可編程器件上編程實現的複雜度。第二，由於本發明採用了 Turbo乘積碼作為外碼，克服了現有技術中存在的尋找最佳外碼困難的不足，簡化了外碼設計，提高了系統設計效率。第三，由於本發明採用了非遞歸連續相位編碼和無記憶調製相結合的非遞歸連續相位調製作為內碼，克服了現有技術中存在的內碼調製參數固定的不足，滿足了不同通信系統對功率效率、頻譜效率和可靠性的不同要求。
圖1為本發明的流程圖；圖2為本發明實施例中Turbo乘積碼的結構示意圖；圖3為本發明與未編碼遞歸CPM的誤碼率性能仿真結果對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的描述。參照附圖1本發明的詳細步驟如下步驟1，Turbo乘積碼編碼器中的Turbo乘積碼行列子碼採用擴展漢明碼的編碼方式完成初始化。初始化是指Turbo乘積碼編碼器將η設置為Turbo乘積碼子碼的碼字長度，將k設置為Turbo乘積碼子碼信息位的長度，並將η行η列的編碼緩存初始化為全0。本發明實施例中採用碼字長度η = 32，信息位長度k = 26的擴展漢明碼作為 Turbo乘積碼的子碼。所以，Turbo乘積碼編碼器將32設置為Turbo乘積碼子碼的碼字長度，將沈設置為Turbo乘積碼子碼信息位的長度，並將32行32列的編碼緩存初始化為全 O0步驟2，讀入需要發送的信息序列，Turbo乘積碼編碼器將需要發送的信息序列讀入編碼緩存器的k行k列；本發明實施例中Turbo乘積碼編碼器將需要發送的信息序列以比特為單位讀入編碼緩存器的前26行沈列，讀入的信息序列包含676個比特。步驟3，Turbo乘積碼編碼，其具體步驟如下3a)行編碼編碼器採用Turbo乘積碼子碼的編碼方式對編碼緩存中每一行的k個比特進行編碼，得到η個比特的編碼輸出，並將編碼輸出寫回當前行；3b)列編碼編碼器採用Turbo乘積碼子碼的編碼方式對編碼緩存中每一列的k個比特進行編碼，得到η個比特的編碼輸出，並將編碼輸出寫回當前列。 為了簡化Turbo乘積碼的解碼算法，本發明實施例中，Turbo乘積碼的行列子碼採用相同的編碼方式，Turbo乘積碼的結構示意圖如圖2所示。Turbo乘積碼編碼的步驟為 行編碼、列編碼。編碼完成後，編碼器輸出已編碼比特。行編碼時，編碼器使用(32，26)擴展漢明碼的編碼方式對編碼緩存中每一行的沈個比特進行編碼，得到32個比特的編碼輸出，並將編碼輸出寫回當前行。列編碼時，編碼器使用(32，26)擴展漢明碼的編碼方式對編碼緩存中每一列的沈個比特進行編碼，得到32個比特的編碼輸出，並將編碼輸出寫回當前列。編碼完成後，編碼器輸出已編碼比特。編碼器按列讀取編碼緩存中的32列已編碼比特，並將讀取的已編碼比特輸出。步驟4，隨機交織，隨機交織器採用偽隨機交織器，隨機交織的交織深度為Turbo 乘積碼子碼的碼字長度的平方。本發明實施例中採用交織深度為IOM的偽隨機交織器對編碼輸出進行隨機交織，得到交織後的比特序列；步驟5，符號映射器將交織後的比特序列按照自然二進位映射方式轉換為多進位符號序列，自然二進位映射方式是指將二進位數轉換為多進位數的方法。本發明實施例中，符號映射器將交織後的比特序列按照自然二進位映射方式轉換為四進位符號序列。步驟6，非遞歸連續相位編碼步驟6a)，本發明實施例中，非遞歸連續相位編碼器在開始非遞歸連續相位編碼前，將四進位符號寄存器初始化為0 ；步驟6b)，非遞歸連續相位編碼器讀入四進位符號序列的一個四進位符號，用當前讀入的四進位符號減去寄存器中存儲的四進位符號，將運算結果對四取模後作為當前碼元周期內的第一個四進位符號輸出，寄存器中暫存的符號作為當前碼元周期內的第二個四進位符號輸出；步驟6c)，非遞歸連續相位編碼器將當前讀入的四進位符號存入四進位符號寄存器；步驟6d)，重複步驟6b)、6c)，直到處理完所有輸入的四進位符號。步驟7，無記憶調製器根據非遞歸連續相位編碼器輸出的四進位符號，計算輸出波形數據，輸出波形數據是按照下面的公式計算得到s (m) = cos {2 π hy2+4 π hy^ (m) + π h (M-I) m/N-2 π h (M-I) f (m)}+jsin {2 π hy2+4 π hy^ (m) + π h (M-I) m/N-2 π h (M-I) f (m)}其中，s(m)為一個碼元周期內的第m個波形採樣點的值，m為當前碼元周期內的採樣點序號，h為調製指數，y2為當前碼元周期內非遞歸連續相位編碼器輸出的第二個多進位符號，Y1為當前碼元周期內非遞歸連續相位編碼器輸出的第一個多進位符號，f(m)為相位響應脈衝的第m個採樣點的值，M為調製進位數，N為一個碼元周期內的採樣點總數，j為虛數單位；調製指數h = Q/M，Q是不大於M的奇數。在本發明實施例中，無記憶調製器採用脈衝響應長度為1，調製指數為0. 25，相位響應脈衝為升餘弦脈衝，調製進位數為4，每個碼元周期內取10個採樣點的調製參數。在每個碼元周期內，無記憶調製器根據非遞歸連續相位編碼器輸出的四進位符號，計算輸出當前碼元周期內的每個波形採樣點的值。一個碼元周期內的第m個波形採樣點的值s (m)可以通過下面的公式計算得到s (m) = cos {0. 5 π y2+ π y^ (m) +0. 75 π m/lO—l. 5 π f (m)}+jsin{0. 5 π y2+ π y^ (m) +0. 75 3im/10-l. 5 π f (m)}其中，s(m)為一個碼元周期內的第m個波形採樣點的值，m為當前碼元周期內的採樣點序號，y2為當前碼元周期內非遞歸連續相位編碼器輸出的第二個四進位符號，Y1為當前碼元周期內非遞歸連續相位編碼器輸出的第一個四進位符號，f(m)為升餘弦相位響應脈衝的第m個採樣點的值，j為虛數單位。本發明的效果可通過以下仿真進一步說明本發明的仿真使用Matlab 7. 1仿真軟體，系統參數與實施例中所用到的編碼調製參數一致，傳輸信道為加性高斯白噪聲信道，得到的誤比特率性能曲線如圖3中曲線1 所示，圖3中橫軸表示比特能量和噪聲功率譜密度比，單位dB，縱軸表示誤比特率；使用 Matlab 7. 1仿真軟體，不加外碼和交織，遞歸連續相位調製的調製參數和實施例中的調製參數一致，傳輸信道為加性高斯白噪聲信道，得到的誤比特率性能曲線如圖3中曲線2所
7J\ ο由圖3的仿真結果可見，本發明在誤比特率BER = 2X10_5時，與未編碼的遞歸連續相位調製相比至少有5. 5dB的編碼增益，可見本發明比未編碼的遞歸連續相位調製技術明顯地提高了系統的可靠性。
權利要求
1.一種基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，包括如下步驟(1)Turbo乘積碼編碼器中的Turbo乘積碼行列子碼採用擴展漢明碼的編碼方式完成初始化；(2)讀入信息序列，Turbo乘積碼編碼器讀入需要發送的信息序列，將該信息序列存入編碼緩存器k行k列；(3)Turbo乘積碼編碼，Turbo乘積碼編碼器對編碼緩存的前k行k列進行行編碼、列編碼，然後輸出已編碼比特；(4)隨機交織器對Turbo乘積碼的編碼輸出進行隨機交織，獲得比特序列；(5)符號映射器將隨機交織器輸出的比特序列按照自然二進位映射方式轉換為多進位符號序列；(6)非遞歸連續相位編碼6a)在非遞歸連續相位編碼前，非遞歸連續相位編碼器將多進位符號寄存器初始化為O ；6b)非遞歸連續相位編碼器讀入多進位符號序列的一個多進位符號，用當前讀入的多進位符號減去寄存器中存儲的多進位符號，將運算結果對調製進位數取模後作為當前碼元周期內的第一個多進位符號輸出，寄存器中暫存的符號作為當前碼元周期內的第二個多進位符號輸出；6c)非遞歸連續相位編碼器將當前讀入的多進位符號存入多進位符號寄存器；6d)重複步驟6b、6c，直到處理完所有輸入的多進位符號。(7)無記憶調製無記憶調製器根據非遞歸連續相位編碼器輸出的多進位符號，計算輸出波形數據。
2.根據權利要求1所述的基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，其特徵在於，所述的步驟(1)初始化是指Turbo乘積碼編碼器將η設置為Turbo乘積碼子碼的碼字長度，將k設置為Turbo乘積碼子碼信息位的長度，並將η行η列的編碼緩存初始化為全O。
3.根據權利要求1所述的基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，其特徵在於，所述的步驟(3)中Turbo乘積碼編碼的步驟如下3a)行編碼編碼器採用Turbo乘積碼子碼的編碼方式對編碼緩存中每一行的k個比特進行編碼， 得到η個比特的編碼輸出，並將編碼輸出寫回當前行；3b)列編碼編碼器採用Turbo乘積碼子碼的編碼方式對編碼緩存中每一列的k個比特進行編碼， 得到η個比特的編碼輸出，並將編碼輸出寫回當前列。
4.根據權利要求1所述的基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，其特徵在於，所述的步驟中隨機交織器採用偽隨機交織器。
5.根據權利要求1所述的基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，其特徵在於，所述的步驟(4)中隨機交織的交織深度為Turbo乘積碼子碼碼字長度的平方。
6.根據權利要求1所述的基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，其特徵在於，所述的步驟(5)中自然二進位映射方式是指將二進位數轉換為多進位數的方法。
7.根據權利要求1所述的基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，其特徵在於，所述的步驟(7)的輸出波形數據是按照下面的公式計算得到 s (m) = cos {2 π hy2+4 π hy^ (m) + π h (M-I) m/N-2 π h (M-I) f (m)} +jsin {2 π hy2+4 π hyif (m) + π h (M-I) m/N-2 π h (M-I) f (m)} 其中，s(m)為一個碼元周期內的第m個波形採樣點的值，m為當前碼元周期內的採樣點序號，h為調製指數，y2為當前碼元周期內非遞歸連續相位編碼器輸出的第二個多進位符號，Y1為當前碼元周期內非遞歸連續相位編碼器輸出的第一個多進位符號，f(m)為相位響應脈衝的第m個採樣點的值，M為調製進位數，N為一個碼元周期內的採樣點總數，j為虛數單位；調製指數& = €，Q是不大於M的奇數。
全文摘要
本發明公開了一種基於全響應CPM和Turbo乘積碼的編碼調製方法，解決了現有技術中內外碼之間需要進行迭代解碼、尋找最佳外碼困難和調製參數固定的問題。本發明實現的具體步驟(1)Turbo乘積碼編碼器初始化；(2)讀入信息序列；(3)Turbo乘積碼編碼；(4)隨機交織；(5)符號映射；(6)非遞歸連續相位編碼；(7)無記憶調製。本發明的內外碼之間不需要進行迭代解碼就可以達到很好的誤比特性能，減小了解碼延遲，降低了解碼算法在可編程器件上編程實現的複雜度，簡化了外碼設計。本發明的非遞歸連續相位調製參數靈活可變，能夠滿足不同通信系統對功率效率、頻譜效率和可靠性的不同要求。
文檔編號H04L1/00GK102223204SQ20111014793
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者吳小鈞, 孫錦華, 李夢良 申請人:西安電子科技大學