专利名称：一种相干通信机用的比特-符号信号处理方法
技术领域：
本发明涉及信号处理技术，特别涉及一种适用于自适应判决反馈均衡器与译码器级连、迭代信号处理的比特-符号信号处理方法。
背景技术：
水声信道是一多途、时变和色散的信道。由于多途效应，发射端发射一个声脉冲，在接收端可以接收到多个脉冲，产生了时延扩散。又由于载体运动，以及信道界面和介质的运动，多种运动使这些脉冲产生了多普勒频移，并产生了多普勒扩散。水中的声速在约为1500m/s，上述这些运动速度与声速相比是不能够忽略的，这使多普勒扩散相当严重。由于上述原因，水声信道常称为时延和多普勒双扩散信道。并且，水声信道的特性随时间、地点的不同在变化，它的有效传输带宽有限，这些都使在水声信道中传输信息更加困难。
为了在水声信道中高速传输信息，一般都采用水声相干通信技术，在发射端发射多相移键控(MPSK)或多正交幅度调制(MQAN)信号，它们的带宽利用率高。在接收端采用自适应均衡器或者编码信号的译码器来克服水声信道的影响，但是，单独采用其中一种技术都难以达到克服水声信道影响的良好效果。近数年来，人们开始把自适应均衡器与译码器级连，进行迭代信号处理运算，自适应均衡器的输出符号信息送入译码器，译码器的输出比特信息反馈输入自适应均衡器，如此迭代，达到某一标准后，停止迭代。比如F.A.Blackman等人2004年11月16日获得美国专利“Iterative decision feedback adaptive equalizer”，专利号为US 6819630B1和M.Marandian等人2001年发表的文章“Low complexity iterative decisionfeedback equalizer for 8PSK modulation in time dispersive channel”，IEEEInternational Symposium，vol.1.30sept.-3oct.2001.pp A102-A106”中公开的技术。上述文献中公开了判决反馈自适应均衡器与译码器级连，进行迭代运算，但没有提到如何把译码器输出的比特信息转换成判决反馈自适应均衡器需要的符号信息。
事实上，在进行上述迭代运算时译码器输出的比特信息必须转换成符号信息，因为自适应均衡器只对符号信息进行运算，在实际应用中，就存在比特信息转换为符号信息的信号处理问题。
现有技术中，水声相干通信系统的关键技术是判决反馈自适应均衡器与Turbo-TCM(Trellis Coded Modulation)译码器级连，并进行迭代运算。Turbo-TCM译码器的软输出为系统比特的概率信息，由它生成传输符号的估计值，已有的技术是对系统比特概率信息的硬判决重新编码，这种编码方法是公知的，比如文献“Proakis，J.G.，Digital Communications，Beijing，Publishing House ofElectronics Industry，2001”中公开的技术。如果译码器的输出达到零误比特率，则这种重新编码的方法性能良好，且易于实现。但是，实际应用中，译码器的输出常常出现错误比特，在重新编码时，这些错误比特信息会使网格图中状态转移路径发生变化，生成众多与发射符号不同的符号序列，从而在均衡器和译码器联合迭代时产生大量的错误传输。因此，现有技术中比特信息转换为符号信息的信号处理方法虽然比较易于实现，但是性能较差。
综上所述，由于现有技术存在的不足，就需要一种性能好的将译码器输出的比特信息转换成判决反馈自适应均衡器需要的符号信息的信号处理方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种相干通信机用的比特-符号信号处理方法。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种相干通信机用的比特-符号信号处理方法，包括如下步骤 1)确定与通信机接收的符号的后验概率最大对应的表达式如下 其中pt(st)是先验概率，rt，I和rt，Q分别为t时刻接收符号的虚部和实部，st，Ii和st，Qi分别为信号星座图中对应信号的虚部和实部； 2)根据SOVA算法，使步骤1)的表达式值最大，从而使通信机接收的符号的后验概率最大，得到符号的软判决； 3)根据SOVA算法，使步骤1)的表达式值最大，从而使通信机接收的符号的后验概率最大，得到符号的硬判决。
进一步地，所述步骤2)具体包括如下步骤 (1)根据SOVA算法，确定分量卷积码网格图中转移路经的分支度量； (2)确定路径度量； (3)对于MPSK调制方式，确定生存路径的度量值，确定与信号点对应的竞争路径的度量值； (4)确定系统比特分别为0和1的先验概率； (5)确定时刻t接收符号rt与星座图中各点间的欧氏距离； (6)由上一步骤(5)，根据星座图，得t时刻校验位的概率； (7)得到星座图中各符号点的概率，成为符号的软判决，用于判决反馈自适应均衡器和译码器的软迭代信号处理。
进一步地，步骤3)具体包括如下步骤 (1)根据SOVA算法，确定分量卷积码网格图中转移路经的分支度量； (2)确定路径度量； (3)对于MPSK调制方式，确定生存路径的度量值，确定与信号点对应的竞争路径的度量值； (4)确定系统比特分别为0和1的先验概率； (5)确定时刻t接收符号rt与星座图中各点间的欧氏距离； (6)由步骤5)，根据星座图，得t时刻校验位的概率； (7)判决t时刻所传输的符号，如果Λ(sti)最小，则该时刻传输的符号为si，形成符号的硬判决。
一种相干通信机用的比特-符号信号处理方法，包括如下步骤 1)确定与通信机接收的符号的后验概率最大对应的表达式如下，通过该表达式使通信机接收的符号的后验概率最大； 其中rt，l和rt，Q分别为t时刻接收符号的虚部和实部。
2)根据SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法，确定分量卷积码网格图中转移路经的分支度量为 3)对于转移路径X，确定路径度量为 4)对于MPSK调制方式，在任一时刻生存路径都对应M-1条竞争路径，确定生存路径的度量值为 确定与信号点s1，s2，……sM-1对应的竞争路径的度量值为 其中，t时刻与生存路径对应的是星座图中的符号s0，M-1条竞争路径此时分别对应信号点s1、s2、……sM-1，μt，si，i＝1，2，……M-1为与信号点s1，s2，……sM-1对应的竞争路径的度量值；且lsi′，代表相邻时刻的状态，MS为网格图中的状态数，μt-1f(lsi′)是t-1时刻前向生存路径度量值，μtb(lsi)为t时刻反向生存路径的度量值，vtsi(lsi′，lsi)为t时刻生成符号si的状态转移分支度量； 5)确定星座图中各符号点的概率为 6)确定系统比特ct分别为0和1的先验概率为 其中，先验概率估计Λ(ct)为译码器输出的系统比特概率软信息； 7)确定时刻t接收符号rt与星座图中各点间的欧氏距离分别为 8)由步骤7)，根据星座图，得t时刻校验位的概率 9)由步骤6)、步骤7)和步骤8)的结果，根据星座图，得到pt(st)； 10)由步骤4)、步骤5)和步骤9)的结果得到p(t＝si)，成为符号的软判决，用于判决反馈自适应均衡器和译码器的软迭代信号处理。
在上述技术方案中，进一步地，还包括步骤11)由步骤4)和步骤9)，直接判决t时刻所传输的符号，如果Λ(sti)最小，则该时刻传输的符号为si，形成符号的硬判决，应用于判决反馈自适应均衡器和译码器的硬迭代信号处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于 1)本发明基于SOVA(SOft Output Viterbi Algorithm)算法实现对比特信息转换为符号信息的信号处理，性能良好，在译码器输出存在错误比特的情况下，本发明实现比特信息转换为符号信息的误符号率比现有技术性能好两个数量级，这将会明显提高判决反馈自适应均衡器与译码器级连、迭代信号处理的性能。
2)本发明的信号处理主要部分是采用SOVA算法，SOVA算法已广泛应用于译码器中，所以本发明适用范围广。
图1是本发明的比特-符号信号处理方法流程图； 图2是本发明的比特-符号信号处理方法在相干通信中应用的示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述 本发明将译码器输出的比特信息转换成判决反馈自适应均衡器需要的符号信息的信号处理方法在应用中可称为“比特-符号转换器”模块。本发明根据Turbo-TCM译码器输出的系统比特概率信息，采用基于SOVA(SOft Output Viterbi Algorithm)算法的方法，由它可以求得接收机接收符号的估计值。本发明常常使错误符号很少，性能优良。本发明所涉及的运算复杂性类同SOVA算法，在实际应用中适用范围广。
Turbo译码器中常常采用SOVA算法，此时，比特-符号转换中也应采用SOVA算法。而且译码器由SOVA算法得到的系统比特概率估计(又称系统比特对数似然比)的绝对值不太大，在进行指数运算时不会发生溢出现象。
为了描述的方便，下面以QPSK调制信号为例详细介绍本发明的比特-符号信号处理方法。当然，本发明也适用于所有的MPSK调制信号。
相干通信机接收端接收的符号的后验概率为 由此求得 其中S＝{s1，s2，…，sT}，代表所求的符号序列，r1T代表均衡器输给译码器的从时刻1到时刻T的符号序列。要使后验概率最大，对于一组等概率符号序列，只需pr(S，r1T)最大。对式(2)两边求对数，得到 假设传输信道的噪声为独立的高斯噪声，则式(3)表示为 其中rt，I和rt，Q分别为t时刻接收符号的虚部和实部，st，Ii和st，Qi分别为信号星座图中对应信号的虚部和实部，i＝0，1，2，3。pt(st)是先验概率。n是分量码的长度。任一给定时刻的符号与信号星座图中各点对应的信号不同，则要使后验概率最大化，只需最大化下式 根据SOVA算法，定义分量卷积码网格图中转移路径的分支度量为 对于转移路径X，定义路径度量为 对于QPSK调制方式来说，在任一时刻生存路径都对应3条竞争路径，假设t时刻与生存路径对应的是星座图中的符号s0，则三条竞争路径此时分别对应信号点s1、s2和s3。定义μT，min为生存路径的度量值，μt，si，i＝1，2，3为与信号点s1，s2，s3对应的竞争路径的度量值，由(7)式可求出对应的路径度量为 上式中各量由下面的公式表示 其中lsi′， 代表相邻时刻的状态，MS为网格图中的状态数。网格图中竞争路径在t-1时刻从状态lsi′，i＝1，2，3，转移到状态lsi，i＝1，2，3，生成符号si，i＝1，2，3，μt-1f(lsi′)是t-1时刻前向生存路径度量值，μtb(lsi)为t时刻反向生存路径的度量值，vtsi(lsi′，lsi)为t时刻生成符号si的状态转移分支度量。星座图中各符号点的概率p(＝si)为 因为式(6)中用到了符号的先验概率，应由译码器输出的系统比特概率和当前接收机接收的符号校验位的概率求得星座图中各点的先验概率。译码器输出的系统比特概率软信息为先验概率估计Λ(ct)，由下式表示 则得到系统比特ct分别为0和1的先验概率为 SOVA算法得到的Λ(ct)的绝对值不大，它的指数不会溢出。MAP算法得到的Λ(ct)的绝对值比较大，它的指数会溢出。若时刻t接收符号为rt，则该符号与星座图中各点间的欧氏距离分别为 则t时刻校验位的概率分别为 可以认为每个码字中各个比特是相互独立的，所以，当前传输符号为星座图中各点的先验概率分别为 这样就得到了式(6)中所需的符号先验概率pt(st)。
式(6)至式(15)给出了比特-符号转换信号处理的算法。
由式(8)、(9)、(10)和(15)容易求得p(t＝si)，成为符号的软判决，也可以根据式(8)、(9)和(15)直接判决t时刻所传输的符号，如果Λ(sti)最小，则该时刻传输的符号为si，形成符号的硬判决。上述符号软判决和硬判决分别应用于判决反馈自适应均衡器和译码器的软和硬迭代算法。
本发明对MPSK调制信号适用，下面从本发明的信号处理流程来描述，如图1所示用QPSK为例来说明。译码器输出的软信息为先验概率估计Λ(ct)，输入到比特-符号转换器100的运算块101中，用式(12)得p(ct)。接收机接收到的数据流r1T输入到运算块104中，由式(13)得L(si)。L(si)输入到运算块103中得p(Check)。r1T、p(ct)和p(Check)输入到运算块102中，用(15)式得p(st)。{rt}和p(st)输入运算块105中，由公式(6)得vtst。vtst输入运算块106中，用式(7)得μtx。μtx送入运算块107，用式(9a)和(9b)得μT，min和μt，st，由此得到Λ′(sti)，用于判决反馈自适应均衡器和译码器的硬迭代算法。μT，min和μt，st输入运算块108，由(10)式得p(t＝si)，用于判决反馈自适应均衡器和译码器的软迭代算法。运算块105、106、107和108组成了运算块109，它是SOVA算法。需要说明的是，上述运算块既可以用软件来实现，也可以用电路器件来实现。本发明可推广应用于MQAM调制信号。
下面比较由译码器输出比特流获得传输符号流的两种方法的性能，一种为比特-符号转换器输出，另一种为重新编码输出。用分量码生成多项式为{23，35，33}的8PSK Turbo-TCM编码信号进行测试，帧长为1936，对编码输出加σ2＝0.07的高斯白噪声，译码器迭代次数为0(不进行迭代运算，直接输出)。表1给出了任意选出的10帧数据的输出结果。可以看到，当译码器输出的误比特率为0时，重新编码输出的性能稍好于比特-符号转换器，此时的比特-符号转换器输出可能会有少许几个错误符号，而重新编码输出的误符号率为0。一旦译码器输出存在错误比特，重新编码输出的误符号率急剧变大，而比特-符号转换器输出要好得多，后者要比前者性能好两个数量级。这是因为当译码器输出存在错误比特时，若用这些比特重新编码，会使编码器的状态转移路径发生错误，从而导致众多的错误符号。对编码输出加不同的白噪声时结果类似。
表1由译码器输出比特流获得传输符号流的两种方法的性能比较 下面结合图2来描述本发明在自适应判决反馈均衡器与译码器级连中的应用。见图2。均衡器输出的数据流r1T分为两路，一路直接输入第一比特-符号转换器201，另一路经交织器203输入第二比特-符号转换器204。译码器200的输出先验概率估计Λ(ct)分为两路，一路经解交织器202输入第一比特-符号转换器201，另一路输入第二比特-符号转换器204。第一比特-符号转换器201的输出和第二比特-符号转换器204经解交织器205的输出经过删除运算，得Λ′(sti)或者p(t＝si)，经过硬或软判决206后得到所要的符号估计{t}。
最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照具体实施方式
对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种相干通信机用的比特-符号信号处理方法，包括如下步骤
1)确定与通信机接收的符号的后验概率最大对应的表达式如下
其中pt(st)是先验概率，rt，I和rt，Q分别为t时刻接收符号的虚部和实部，st，Ii和st，Qi分别为信号星座图中对应信号的虚部和实部；
2)根据SOVA算法，使步骤1)的表达式值最大，从而使通信机接收的符号的后验概率最大，得到符号的软判决；
3)根据SOVA算法，使步骤1)的表达式值最大，从而使通信机接收的符号的后验概率最大，得到符号的硬判决。
2.根据权利要求1所述相干通信机用的比特-符号信号处理方法，其中，所述步骤2)具体包括如下步骤
(1)根据SOVA算法，确定分量卷积码网格图中转移路经的分支度量；
(2)确定路径度量；
(3)对于MPSK调制方式，确定生存路径的度量值，确定与信号点对应的竞争路径的度量值；
(4)确定系统比特分别为0和1的先验概率；
(5)确定时刻t接收符号rt与星座图中各点间的欧氏距离；
(6)由上一步骤(5)，根据星座图，得t时刻校验位的概率；
(7)得到星座图中各符号点的概率，成为符号的软判决，用于判决反馈自适应均衡器和译码器的软迭代信号处理。
3.根据权利要求1所述相干通信机用的比特-符号信号处理方法，其中，步骤3)具体包括如下步骤
(1)根据SOVA算法，确定分量卷积码网格图中转移路经的分支度量；
(2)确定路径度量；
(3)对于MPSK调制方式，确定生存路径的度量值，确定与信号点对应的竞争路径的度量值；
(4)确定系统比特分别为0和1的先验概率；
(5)确定时刻t接收符号rt与星座图中各点间的欧氏距离；
(6)由步骤5)，根据星座图，得t时刻校验位的概率；
(7)判决t时刻所传输的符号，如果Λ(sti)最小，则该时刻传输的符号为si，形成符号的硬判决。
4.一种相干通信机用的比特-符号信号处理方法，包括如下步骤
1)确定与通信机接收的符号的后验概率最大对应的表达式如下
其中pt(st)是先验概率，rt，I和rt，Q分别为t时刻接收符号的虚部和实部，st，Ii和st，Qi分别为信号星座图中对应信号的虚部和实部；
2)根据SOVA算法，确定分量卷积码网格图中转移路经的分支度量为
3)对于转移路径X，确定路径度量为
4)对于MPSK调制方式，在任一时刻生存路径都对应M-1条竞争路径，
确定生存路径的度量值为
确定与信号点s1，s2，……sM-1对应的竞争路径的度量值为
其中，t时刻与生存路径对应的是星座图中的符号s0，M-1条竞争路径此时分别对应信号点s1、s2、……sM-1，μt，si，i＝1，2，……M-1为与信号点s1，s2，……sM-1对应的竞争路径的度量值；且lsi′，代表相邻时刻的状态，MS为网格图中的状态数，μt-1f(lsi′)是t-1时刻前向生存路径度量值，μtb(lsi)为t时刻反向生存路径的度量值，vtsi(lsi′，lsi)为t时刻生成符号si的状态转移分支度量；
5)确定星座图中各符号点的概率为
i＝0，1，2，……M-1
6)确定系统比特ct分别为0和1的先验概率为
其中，先验概率估计Λ(ct)为译码器输出的系统比特概率软信息；
7)确定时刻t接收符号rt与星座图中各点间的欧氏距离分别为
8)由步骤7)，根据星座图，得t时刻校验位的概率
9)由步骤6)、步骤7)和步骤8)的结果，根据星座图，得到pt(st)；
10)由步骤4)、步骤5)和步骤9)的结果得到成为符号的软判决，用于判决反馈自适应均衡器和译码器的软迭代信号处理。
5.根据权利要求4所述相干通信机用的比特-符号信号处理方法，其特征在于，还包括
步骤11)由所述步骤4)和所述步骤9)，判决t时刻所传输的符号，如果Λ(sti)最小，则该时刻传输的符号为si，形成符号的硬判决。
全文摘要
本发明公开了一种适用于自适应判决反馈均衡器与译码器级连、迭代信号处理的比特-符号信号处理方法，该方法包括1)确定与通信机接收的符号的后验概率最大对应的表达式；2)根据SOVA算法，使步骤1)的表达式值最大，从而使通信机接收的符号的后验概率最大，得到符号的软判决；3)根据SOVA算法，使步骤1)的表达式值最大，从而使通信机接收的符号的后验概率最大，得到符号的硬判决。
文档编号H04B13/00GK101119177SQ20061008913
公开日2008年2月6日 申请日期2006年8月4日 优先权日2006年8月4日
发明者朱维庆, 敏 朱 申请人:中国科学院声学研究所