专利名称：一种Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及采用二进制正交频移键控(Binary Frequency Shift Keying, BFSK)的快速跳频(Fast Frequency Hopping，FFH 通信系统)， 尤其是FFH通信系统中的一种联合解调译码方法。
背景技术：
对于在快速跳频通信系统(Fast Frequency Hopping Communication System)应 用较为广泛的非相干BFSK信号，主要有时域非相干解调和频域非相干解调两种解调方法。 两种解调方法性能一致，但频域非相干软解调具有算法简单的优点，在实际的FHl系统中 更为常用。Turbo 码，又称并行级联卷积码(Parallel Concatenated Convolution Code, PCCC)，它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想。若干次的迭 代译码使TurbO码具有很强的纠错能力，以致逼近最大似然译码。模拟结果表明，Turbo码 在一定条件下具有逼近Shannon限的性能。鉴于其优异的性能，Turbo码被确定为第三代 移动通信系统(IMT-2000)的信道编码方案之一，并且3GPP的三个具有代表性的标准都将 Turbo码作为其信道编码方案。在现有的FFH系统中，常用的编码方法有Reed-Solom0n(RS)编码、卷积编码等。 而在常见的民用系统中，Turbo码因其良好的性能已得到广泛的应用。在AWGN(Additive WhiteGaussian Noise)信道下采用BPSK非相干解调时，在编码效率均为1/2、且码长相当 的条件下，在误码率为10_5处，采用MAP (maximum a posteriori，最大后验概率)译码的 Turbo码比采用维特比译码的卷积码大约有接近IdB的编码增益。MAP译码算法采用了反馈译码的结构，实现了软输入/软输出(soft input, soft output, SIS0)，递推迭代译码，使编译码过程实现了伪随机化，并简化了最大似然译码算 法，使其性能逼近Shannon限。然而，在迭代译码过程中，涉及到信道转移概率(channel transitionprobability)的计算，因此，译码算法和具体的调制解调方法以及信道模型有 关。在现有的技术文献中，只有关于相移键控(Phase Shift Keying，PSK)、正交幅度调制 (Quadracture Amp 1 itudeModu 1 ation, QAM)等调制解调方法的MAP译码算法的相关论述和 推导。在采用Turbo编码的FFH/BFSK系统中，当采用非相干解调时，如何进行正确的MAP 译码，成为一个有待解决的课题。
发明内容
本发明提供一种Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法，以 实现FFH系统中正确进行Turbo译码，实现较常用的卷积码更大的编码增益。本发明详细技术方案如下一种Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法，如图2所示，包括以下步骤步骤1 在发送端，设需要发送的数字化二进制信源数据中一帧数据为U = (U1, U2, ···， ，…叫)，其中k = 1、2、…、N，N为帧大小，信源数据Uk依次经过Turbo编码和 BFSK调制后，通过ra调制器产生跳频信号= Aej{2<f^),+e)，Fh为当前t时刻的跳频频 率。最后经过天线发射出去。步骤2:设发送信号经过频率选择性慢衰落信道，接收信号为B(t)*s(t)+n(t)， 5⑴”⑴+ ；7⑴=⑷一 (2办崎)一+O，其中，A为发送端复信号的幅度，B⑴为复高 斯随机过程，fi(i = 0，1)为BFSK调制的两个调制频点fpfp原始接收信号经解跳后得到 中频信号乂*5(0一(2劝崎+ "(/)。步骤3 对步骤2所得的中频信号+ 进行频域软解调，得到软 解调输出信息Z。具体方法如图3所示，先将中频信号乂 *Β( βΛ2π/'ι+θ) + n ( )分成两路，一路 经中心频率为&的带通滤波和IFFT 12变换后得到功率信号Stl，另一路经中心频率为的 带通滤波和IFFT 12变换后得到功率信号Sl ；然后将两个功率信号Stl和S1相减，得到频域软 解调输出信息 Z，且 Z= (z”z2、-zk,…、zN)，k=l、2、…、N。步骤4 对步骤3所得的频域软解调输出信息Z进行最大后验概率译码，即MAP译 码。设与发送端信源数据帧Uk对应的软解调输出信息Zk中，夂为信道信息，；^为校验信息 1，乂2为校验信息2，其中k= 1、2、…、N，N为帧大小，具体译码过程如图4所示步骤4-1 将信道信息夂与校验信息Iyf1输入第一分量译码器；同时对信道信息父 进行与发送端Turbo编码过程中相同的交织处理，将信道信息父经与发送端Turbo编码过 程中相同的交织处理后的信息与校验信息2 乂2输入第二分量译码器。步骤4-2 设置N位全零的初始化先验信息1，并将先验信息1输入第一分量译码
ο步骤4-3 采用第一分量译码器，联合先验信息1、信道信息乂与校验信息1 乂1进 行分量译码，得到外信息1 ；然后对外信息1进行与发送端TurbO编码过程中相同的交织处 理，得到先验信息2，并将先验信息2输入第二分量译码器。步骤4-4 采用第二分量译码器，联合先验信息2、信道信息乂经与发送端Turbo编 码过程中相同的交织处理后的信息与校验信息2 乂2进行分量译码，得到外信息2和信道信 息乂对应的MAP译码软信息。步骤4-5 判断第一或第二分量译码器对软解调输出信息Z进行分量译码的迭代 次数是否达到预设的迭代次数，如果没有达到，则将步骤4-4得到的外信息2经过与发送端 Turbo编码过程中相对应的解交织处理后的信息作为新的先验信息1，并返回步骤4-3 ；如 果达到，则执行步骤4-6。步骤4-6 将步骤4-4所得信道信息X对应的MAP译码软信息进行解交织、判决，得 到最终译码结果。其中，在步骤4-3和步骤4-4中所述分量译码过程相同，若信道信息CSI (channel stateinformation)为已知，则具体分量译码过程包括以下步骤步骤A 计算步骤3所得的频域软解调输出信息Z的条件对数似然值和条件对数似然比。 由于 Z=(z”z2、
N)，所以计算频域软解调输出信息Z的条件对数似
然值和条件对数似然比就是分别计算Zk(k = 1、2、 A (zk|l)和条件对数似然比L(Zk)；其中
、N)的条件对数似然值Λ (ZkIO)、Λ“|0) 二-镇 + 壶+ InQ j=+
2σ
(1)
(2)
Z(zt) = A(z,|0)-A(z,|l) =
2^Ai2σΙ2zkA22σΙ
-+ In
In
β
Q
I
fi-J
当VO时
当A <0时
(3)上述三式中，Ivh1分别表示在采样时间内，接收信号分别在fpfi处的功率衰落因 子，A2表示发送信号的理想功率，表示一个基带调制频点间隔内的噪声平均功率，u( ·) 表示阶跃函数，QJ ·，·)表示一阶马库姆(Marcum)函数。步骤B 计算分支转移概率Yk(e)和全部的译码软信息L(Uk)
当乂二 0时
η{ =
h^A2vf
、’ ο
P,"
-ln(l+exp(Afl(^)))-
Η,Α1 yt^1A2 n
(4)
当^财
其中 M , = Ing1
M l·
44
2cr
^(yK)^ = ο,ι
u
(^.<),i = 0，lx: =1 — 2.1^;表示第k个信道信息在频点fi+Fh处的功率衰落因子，表示第k个校验信息 在频点fi+Fh处的功率衰落因子，i = 0,l ；<表示信源数据Uk经Turbo编码后的信道信息， <表示信源数据Uk经Turbo编码后的校验信息，乂表示软解调输出信息Zk中的信道信息， ^表示软解调输出信息zk中的校验信息。
L(uk) = a(z； \uk) ^r Ka(uk) + Ae (uk)(5)(5)式等号右边第一项Λ表示信道信息乂对应的MAP译码软信息，第二项 Aa(Uk)表示先验信息，第三项Ae(Uk)为产生的外信息。步骤C 提取外信息八e ( )=丄( )_八( < 丨 )- )。若信道信息CSI (channel state information)为未知，则具体分量译码过程包括 以下步骤步骤D 计算步骤3所得的频域软解调输出信息Z的条件对数似然值和条件对数 似然比。由于Z= (Z1, Z2, -zk,…、zN)，所以计算频域软解调输出信息Z的条件对数似 然值和条件对数似然比就是分别计算Zk(k= 1、2、…、N)的条件对数似然值Λ (ZkIO)、 A (zk| 1)和条件对数似然比L(Zk)；其中
权利要求
一种Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法，包括以下步骤步骤1在发送端，设需要发送的数字化二进制信源数据中一帧数据为U＝(u1，u2，…，uk，…uN)，其中k＝1、2、…、N，N为帧大小，信源数据uk依次经过Turbo编码和BFSK调制后，通过FH调制器产生跳频信号Fh为当前t时刻的跳频频率；最后经过天线发射出去；步骤2设发送信号经过频率选择性慢衰落信道，接收信号为B(t)*s(t)+n(t)，其中，A为发送端复信号的幅度，B(t)为复高斯随机过程，fi(i＝0，1)为BFSK调制的两个调制频点f0、f1；原始接收信号经解跳后得到中频信号步骤3对步骤2所得的中频信号进行频域软解调，得到软解调输出信息Z。具体方法是，先将中频信号分成两路，一路经中心频率为f0的带通滤波和|FFT|2变换后得到功率信号s0，另一路经中心频率为f1的带通滤波和|FFT|2变换后得到功率信号s1；然后将两个功率信号s0和s1相减，得到频域软解调输出信息Z，且Z＝(z1、z2、…zk、…、zN)，k＝1、2、…、N；步骤4对步骤3所得的频域软解调输出信息Z进行最大后验概率译码，即MAP译码；设与发送端信源数据帧uk对应的软解调输出信息zk中，为信道信息，为校验信息1，为校验信息2，其中k＝1、2、…、N，N为帧大小，具体译码过程为步骤4 1将信道信息与校验信息1输入第一分量译码器；同时对信道信息进行与发送端Turbo编码过程中相同的交织处理，将信道信息经与发送端Turbo编码过程中相同的交织处理后的信息与校验信息2输入第二分量译码器；步骤4 2设置N位全零的初始化先验信息1，并将先验信息1输入第一分量译码器；步骤4 3采用第一分量译码器，联合先验信息1、信道信息与校验信息1进行分量译码，得到外信息1；然后对外信息1进行与发送端Turbo编码过程中相同的交织处理，得到先验信息2，并将先验信息2输入第二分量译码器；步骤4 4采用第二分量译码器，联合先验信息2、信道信息经与发送端Turbo编码过程中相同的交织处理后的信息与校验信息2进行分量译码，得到外信息2和信道信息对应的MAP译码软信息；步骤4 5判断第一或第二分量译码器对软解调输出信息Z进行分量译码的迭代次数是否达到预设的迭代次数，如果没有达到，则将步骤4 4得到的外信息2经过与发送端Turbo编码过程中相对应的解交织处理后的信息作为新的先验信息1，并返回步骤4 3；如果达到，则执行步骤4 6；步骤4 6将步骤4 4所得信道信息对应的MAP译码软信息进行解交织、判决，得到最终译码结果。FSA00000286810200011.tif,FSA00000286810200012.tif,FSA00000286810200013.tif,FSA00000286810200014.tif,FSA00000286810200015.tif,FSA00000286810200016.tif,FSA00000286810200017.tif,FSA00000286810200018.tif,FSA00000286810200019.tif,FSA000002868102000110.tif,FSA000002868102000111.tif,FSA000002868102000112.tif,FSA000002868102000113.tif,FSA000002868102000114.tif,FSA000002868102000115.tif,FSA000002868102000116.tif,FSA00000286810200021.tif,FSA00000286810200022.tif,FSA00000286810200023.tif
2.根据权利要求1所述的Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方 法，其特征在于，步骤4-3和步骤4-4中所述分量译码过程相同，若信道信息CSI为已知，则 具体分量译码过程包括以下步骤步骤A 计算步骤3所得的频域软解调输出信息Z的条件对数似然值和条件对数似然比；由于Z= (zi、z2、-zk,…、zN)，所以计算频域软解调输出信息Z的条件对数似然值和 条件对数似然比就是分别计算zk(k = 1、2、…、N)的条件对数似然值Λ (ZkIO)、A (zk| 1) 和条件对数似然比L(Zk)；其中KA八W。)=-笞+态+叫i2σZ(z,) = A(z,|0)-A(zt|l) =22zt | ^2 {h-K) )η 、 2QQ>u(zk)'K)fii S(1)(2)2σ当时当24<0时(3)2σ2ω上述三式中，Ivh1分别表示在采样时间内，接收信号分别在f^A处的功率衰落因子， A2表示发送信号的理想功率，表示一个基带调制频点间隔内的噪声平均功率，u( ·)表 示阶跃函数，Q1 ( ·，·)表示一阶马库姆函数；步骤B:计算分支转移概率Yk(e)和全部的译码软信息L(Uk)η{ =当 二 O时(4)当时其中二 In βMp, =InQxxsk=\-2'Uk\'u(yK=0,1;X22σ 表示第k个信道信息在频点fi+Fh处的功率衰落因子，表示第k个校验信息在频 点fi+Fh处的功率衰落因子，i = 0,l ；χ丨表示信源数据Uk经Turbo编码后的信道信息，<表 示信源数据Uk经Turbo编码后的校验信息，冗表示软解调输出信息Zk中的信道信息，:^表 示软解调输出信息zk中的校验信息；L{uk) = ^zsk )+ A. (uk) + Ae (uk)(5)(5)式等号右边第一项A(^t)表示信道信息乂对应的MAP译码软信息，第二项Aa(Uk)表示先验信息，第三项Ae(Uk)为产生的外信息；步骤 C 提取外信息 Ae (uk) = L(Uk)-K{zsk\uk)-Aa (uk)。
3.根据权利要求1所述的Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方 法，其特征在于，步骤4-3和步骤4-4中所述分量译码过程相同，若信道信息CSI为未知，则 具体分量译码过程包括以下步骤步骤D 计算步骤3所得的频域软解调输出信息Z的条件对数似然值和条件对数似然比；由于Z= (zi、z2、-zk,…、zN)，所以计算频域软解调输出信息Z的条件对数似然值和 条件对数似然比就是分别计算zk(k = 1、2、…、N)的条件对数似然值Λ (ZkIO)、A (zk| 1) 和条件对数似然比L(Zk)；其中ZkΑ(ζ,|0) =-In 4σ 2-Ιη(4σ2ω + 2σ2αΑ2) + -, V ω α。 ) 2σ22σ2αΑ2+2σ2ω2UA(^ll) =-1η(4σ 2)--1η(4σ>2σ^2) +zkzk2σΙ + 2σΙ A2ωQrlΖ(ζ,)=Λ(ζ,|0)-Λ(ζ,| ) =当Zi > 0时当、< 0时当& > 0时当、< 0时Zk Zk 2oi ΚΑ2+2σ (6)Zk(7)叛<00寸(8)步骤Ε:计算分支转移概率Yk(e)和全部的译码软信息L(Uk)Yk (e)Λα ⑷-In (1 + exp(Aa {uk ))) - \η(2σ2ω + 2σ02)-2σ2ω+Μ’0·Α.-\nUal+g\yFk一 In (1 + exp (Λα( )))-In (2σ> )-W2σ2ω+Κ,·Α·y24+*)·"( )，当义=0时； -\η(4σ2ω+§(χ ) 当& =1时；其中I^i0 ^2, χ>0,K χ<0;L{uk) = k{zsk\uk)^r Aa (uk) + Ae (uk)(6)(5)式等号右边第一项A(O)表示信道信息乂对应的MAP译码软信息，第二项Aa(Uk)表示先验信息，第三项Ae(Uk)为产生的外信息；步骤 F 提取外信息 Ae {uk) = L{uk)-K{zsk\uk)-Ka {uk)。
全文摘要
一种Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法，属于无线通信领域。发送端信源数据经Turbo编码、BFSK调制和FH调制后发送到信道，接收端接收信号经中频滤波、频域软解调后进行最大后验概率译码，即MAP译码。本发明提出了适合采用BFSK非相干解调系统的MAP解调译码方法，并且针对接收端是否已知CSI信息，分两种分别给出了具体的分量译码过程。本发明使得采用BFSK调制的系统(比如常见的快速跳频系统)可以采用Turbo码作为其信道编码方案，和原有的卷积码相比，在复杂度相当的情况下，采用本发明提出的译码方法有更大的编码增益。
文档编号H03M13/29GK101969309SQ20101029454
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者李少谦, 程郁凡, 续晓光 申请人:电子科技大学