专利名称：联合状态最大似然差分检测方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于通信与信息系统的信号检测方法，尤其涉及一种联合状态最大似然差分检测方法。
背景技术：
通信系统中差分检测作为一种非相干检测方案不需要在接收端产生相干参考信号和信道估计，从而避免了相干检测中载波相位难以有效恢复的限制并简化了接收机设计。使其成为很有竞争力的一种检测方案，在通信系统中得到日益广泛的应用。
虽然差分检测避开了相干检测的诸多要求，但付出了性能损失的代价。为了弥补检测性能损失，学者们提出了各种方案。主要为多符号类差分检测算法(MSDD)。其主要分为基于最大似然的差分检测算法(MLDD)和基于判决反馈的差分检测算法(DFDD)。前者将连续L(L＞2)个符号内的最大似然解作为检测结果，其主要又可分为分组检测的MLDD方法和用Viterbi算法实现MLDD的方法(VDD)。与之对应分别出现了减复杂度的分组MLDD算法和减状态的VDD算法(RSVDD)等改进算法。
上述各种多符号检测方法，标准MLDD和VDD等算法检测复杂度随检测的序列长度成指数增加。RSVDD等各种简化算法以牺牲检测性能为代价换取复杂度的降低，而且其复杂度仍以线性或其它关系随L增加。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种保持较低检测复杂度不变的前提下，求得任意长度序列差分检测的联合状态最大似然差分检测方法。
本发明的联合状态最大似然差分检测方法，包含以下步骤第一步构造输入输出联合状态变量，并对其量度初始化；第二步计算各路径的量度累加值和各输入输出联合状态的量度；
第三步对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留；第四步逐符号递归进行步骤二和三，实现网格图的逐级化简；第五步在网格图化简的基础上判决获得检测结果。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点检测复杂度不受序列长度变化影响，保证检测结果为多符号联合检测最大似然解的前提下，克服了现有各种多符号差分检测方法在符号数增加时检测复杂度急剧上升的缺陷。
检测性能相对传统非相干差分检测方法有显著提高。随序列长度增加可以任意逼近多符号最大似然差分检测的理论极限即对差分调制(编码)信号进行相干检测的理论值。本发明同时也为无记忆噪声条件下各种离散有限状态Markov过程的序列估计提供了一种新方案，其在各个领域的应用将日益广泛。
图1是本发明的联合状态最大似然差分检测方法的流程框图。
图2是M-DPSK信号网格图。
图3是M-DPSK信号联合状态量度递归计算和网格图递归化简的说明。
图4是2DPSK信号网格图。
图5是2DPSK信号联合状态量度递归计算和网格图递归化简的说明。
具体实施例方式
本发明的联合状态最大似然差分检测方法，包含以下步骤第一步构造输入输出联合状态变量，并对其量度初始化；第二步计算各路径的量度累加值和各输入输出联合状态的量度；第三步对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留；第四步逐符号递归进行步骤二和三，实现网格图的逐级化简；第五步在网格图化简的基础上判决获得检测结果。
上述输入输出联合状态变量是由调制器的输入和输出共同决定的，调制器每一种输入输出的组合构成一种联合状态，联合状态数为输入和输出二者取值的组合数。
上述当前符号内各路径的量度累加值为该路径当前量度与其继承的联合状态的量度之和。
上述输入输出联合状态的量度通过比较汇聚于该状态的各路径的量度累加值获得，将最小的路径量度累加值作为该联合状态的量度。
上述对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留是在对汇聚于同一联合状态的各路径中保留具有最小量度累加值的一条，舍弃其余的不可能成为最优路径的支路。
上述输入输出联合状态变量量度初始值通过计算参考位置后继第一个符号的对应接收值与其发送端星座图上各点的距离和第一个估计数据与其对应发送端星座图上各点的距离获得。
上述在网格图化简的基础上判决获得检测结果的判决方法可以是块检测，也可以是逐符号检测。
设能量归一化后M相相移键控(MPSK)序列为x，x经过差分调制(编码)后的发送序列为s，对于任意时刻k发送符号sk具有以下形式，sk＝xksk-1(1)其中xk∈{e2πmj/M|k＝1，2，…；m＝0，1，…，M-1}，M为调制相位数，s0为的初始参考信号，可以是差分调制(编码)序列中任意一点。
接收端与s对应的接收信号r可表示为r＝s+n (2)其中n为无记忆噪声。
根据式(1)构造M-DPSK信号网格图，如图2所示。用节点代表输入符号xk，用相邻节点间的转移路径代表输入变化对应的输出符号sk。为简化模型不失一般性，将初始参考信号s0归一化为s0＝1。
第一步，构造输入输出联合状态。
对于M-DPSK信号，对于任意第k个符号，将输出为sk＝e2παj/M，α＝0，1，…，M-1同时输入为xk＝e2πβj/M，β＝0，1，…，M-1的调制器(编码器)状态定义为输入输出联合状态，记为φk，α，β，设其量度值为ηk，α，β。
第二步计算各路径的量度累加值和各输入输出联合状态的量度。
联合状态量度的初始值η1，u，v通过计算f(d(r1，s1)，d(r1/r0，x1))获得，其中f(α，β)为以α，β为自变量的函数，d(α，β)为α，β之间距离函数，包括汉明距离、欧式距离等各种形式的距离。比如用式(3)计算联合状态量度的初始值η1，u，v。
η1，u，v＝d1，u+d1，v(3)其中d1,u=|r1-e2πuj/M|2d1,v=|r1r0-e2πvj/M|2;]]>u，v＝0，1，…，M-1。
M-DPSK信号联合状态量度递归计算和网格图递归化简的说明如图3所示。在递归阶段，根据式(1)在网格图中，xk-1的M种取值中任意一个都汇聚了代表sk-1不同取值的M条路径。同时xk-1和xk有M2种组合方式，所以当k＞2时每符号内共有M3条路径。根据sk和xk不同取值的组合，共有M2种联合状态，且每个联合状态均汇聚了M条路径。
每条路径的量度累加值为其当前输出值与接收信号之间的距离函数值与其继承的联合状态的量度之和。对汇聚于同一联合状态中的各条路径进行量度累加值的比较，将该最小量度累加值赋予该联合状态，作为其量度，供下一符号递归计算，如式(4)所示。
ηk，u，v＝min{ηk-1，m，n+dk，u|mod(m+v，M)＝mod(u，M)}(4)其中m，n，u，v＝0，1，…，M-1；k＞1；mod(α，β)为以β为模对α求余数；dk，u为第k个符号中输出为e2πuj/M的路径的量度，通过计算该路径对应调制器(编码器)的输出值与接收信号之间的距离获得，距离可通过各种距离函数求得，如常用的欧氏距离dk，u＝|rk-e2πuj/M|2、汉明距离等。
程序实现时，对于第k个符号内任意一个联合状态φk，u，v，根据u，v取值求得m，然后遍历n的所有M种取值，比较后选择保留ηk-1，m，n+dk，u最小的取值，并将其赋予ηk，u，v。
第三步对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留。
对汇聚于同一联合状态的各路径，保留具有最小量度累加值的一条，舍弃其余M-1条。每符号内留存M条路径。
第四步逐符号递归进行步骤二和三，实现网格图的逐级化简。
如图3所示，网格图中当前符号内各路径量度和联合状态量度的计算及路径的选择和舍弃，在前一符号各联合状态的量度已求得的基础上进行。逐符号在各联合状态内递归地进行路径的保留与舍弃则实现了整个网格图的化简。
第五步在网格图化简的基础上判决输出。
对接收到的差分调制(编码)序列，逐符号进行前述网格图化简，则可保证每符号内保留的路径数不增加。在此基础上进行判决检测主要有以下两类方法1、块检测，其在判决时刻通过比较该时刻的联合状态量度，选择保留具有最小量度的联合状态，并将其对应的留存路径作为检测结果。也即比较留存路径的量度累加值，取量度累加值最小的一条作为判决结果。2、逐符号检测，其设定固定的译码深度，当收到一个新符号时，对当前各联合状态的量度进行比较，找出具有最小量度的联合状态及其对应的留存序列，回溯到和当前符号距离为译码深度的位置，将其对应信号作为检测结果，当译码深度设定足够长可以保证各联合状态的留存路径能够合并为一条时，可直接回溯到和当前符号位置距离为译码深度的位置进行判决获得检测结果。
使用符号数的增加可以提高多符号联合差分检测的性能，减少系统开销。但是由于检测复杂度会因符号数的增加大幅度上升，无性能损失的多符号联合检测难以工程实现。本发明提出的联合状态检测方法可以维持复杂度不变，同时在任意长度内求得序列的最大似然解。为多符号差分检测性能理论极限的完全逼近提供了一条实用的实现方法。同时也为无记忆噪声条件下离散有限状态Markov过程的序列估计提供了一种新方案。
实施例以2DPSK信号为例对本发明进行举例说明，图4为2DPSK信号网格图。
第一步，构造输入输出联合状态。
对于检测长度为L的2DPSK序列，根据第k-1个符号中sk-1和xk-1取值的4种不同组合构造联合状态φk-1，i，j；i，j＝0，1，如式(5)所示，并在图5中并分别用线型1至4标示。
第二步计算各路径的量度累加值和各输入输出联合状态的量度。
联合状态初始值η1，u，v；u，v＝0，1通过下式获得。
η1，u，v＝d1，u+d1，v(6)其中d1,u=|r1-eπuj|2d1,v=|r1r0-eπvj|2]]>图5为2DPSK信号联合状态量度的递归计算和网格图递归化简的说明，其中k＞2。在第k个符号内继续以这4种线型标示在其基础上延伸出的路径。每条路径都继承了某个状态φk-1，i，j；i，j＝0，1的量度值ηk-1，i，ji，j＝0，1。从网格图中可以看出指向xk的同一取值1或-1均存在4条路径，其中两条代表输出sk＝1，两条代表输出sk＝-1。其中满足状态φk，0，0的为线型1和线型3，满足状态φk，1，0的为线型2和线型4，满足状态φk，0，1的为线型2和线型4，满足状态φk，1，1为线型1和线型3。
路径量度累加值为该路径继承的上一符号的状态量度值与当前量度之和。当前量度通过计算接收符号rk与该路径的输出sk之间欧氏距离获得。对于图4所示2DPSK信号各联合状态的量度可通过下式求得ηk,0,0=min(ηk-1,0,0+d0,ηk-1,0,1+d0)ηk,1,0=min(ηk-1,1,0+d1,ηk-1,1,1+d1)ηk,0,1=min(ηk-1,1,0+d0,ηk-1,1,1+d0)ηk,1,1=min(ηk-1,0,0+d1,ηk-1,0,1+d1)---(7)]]>其中dk,0=|rk-1|2dk,1=|rk-(-1)|2;]]>k＝2，…，L第三步对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留。
在各个φk，i，j；i，j＝0，1内分别进行两条路径的量度累加值比较，保留具有较小量度累加值的路径，舍弃另一条。在保持最大似然检测性能不变的前提下，每符号内只需保留四条路径和四种联合状态的量度。
第四步逐符号递归进行步骤二和三，递归实现网格图的逐级化简。
如图5所示，网格图中，当前符号内各路径量度和联合状态量度的计算及路径的选择和舍弃，在前一符号各联合状态的量度已求得的基础上进行。逐符号在各联合状态内递归地进行路径的保留与舍弃则实现了整个网格图的化简。
第五步在网格图化简的基础上判决输出。
当第L个符号接收完毕后，通过量度比较，选择累积路径量度最小的一条做为判决结果。或设译码深度为0.5L，当收到一个新符号时，对当前各联合状态的量度进行比较，找出具有最小量度的留存序列。回溯到和当前符号距离为译码深度的位置，将其对应信号作为检测结果。
权利要求
1.一种联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，包含以下步骤第一步构造输入输出联合状态变量，并对其量度初始化；第二步计算各路径的量度累加值和各输入输出联合状态的量度；第三步对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留；第四步逐符号递归进行步骤二和三，实现网格图的逐级化简；第五步在网格图化简的基础上判决获得检测结果。
2.根据权利要求1所述的联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，上述输入输出联合状态变量是由调制器的输入和输出共同决定的，调制器每一种输入输出的组合构成一种联合状态，联合状态数为输入和输出二者取值的组合数。
3.根据权利要求1所述的联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，上述当前符号内各路径的量度累加值为该路径当前量度与其继承的联合状态的量度之和。
4.根据权利要求1所述的联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，上述输入输出联合状态的量度通过比较汇聚于该状态的各路径的量度累加值获得，将最小的路径量度累加值作为该联合状态的量度。
5.根据权利要求1所述的联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，上述对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留，是对汇聚于同一联合状态的各路径中保留具有最小量度累加值的一条，舍弃其余的不可能成为最优路径的支路。
6.根据权利要求1所述的联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，上述输入输出联合状态变量量度的初始值通过计算参考位置后继第一个符号对应的接收值与其发送端星座图上各点的距离和第一个估计数据与其对应发送端星座图上各点的距离获得。
7.根据权利要求1所述的联合状态最大似然差分检测方法，其特征在于，上述在网格图化简的基础上判决获得检测结果的判决方法可以是块检测，也可以是逐符号检测。
全文摘要
本发明公开了一种联合状态最大似然差分检测方法，首先构造输入输出联合状态变量；然后计算各路径的量度累加值和各输入输出联合状态的量度；并对汇聚于同一输入输出联合状态的各路径进行选择保留，逐符号递归进行步骤二和三，实现网格图的逐级化简，最后在网格图化简的基础上判决获得检测结果。本方法在检测性能无损失的前提下，实现对差分调制序列检测复杂度不受序列长度变化影响的多符号联合最大似然检测。克服了现有各种检测方法在符号数增加时检测复杂度急剧上升的缺陷，为差分检测性能理论极限的完全逼近提供了一条全新且有效的实现方法。同时也为无记忆噪声条件下各种离散有限状态Markov过程的序列估计提供了一种新方案。
文档编号H04B17/00GK1901521SQ200610088330
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者张彭 申请人:张彭