专利名称：编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法
技术领域：
本发明涉及无线和卫星通信技术领域，尤其涉及一种极低信噪比下编码调制信号 的迭代解调解码方法及装置。
背景技术：
无线和卫星通信系统中，传输比特受信道随机噪声的影响而产生随机错误。理论 和实践证明，通过引入冗余度来提供传输可靠性的纠错编码方法是一类行之有效的手段。 而近年来引入的Turbo码和LDPC码是至今发现的纠错能力最强的编码方案之一。Turbo 码由 C. Berrou 等于 1993 年提出[C. Berrou, A. Glavieux, andP. Thitimajshima, "Near Shannon limit error-correcting coding and decoding Turbo-codes,，，in ICC’ 93, Geneva, Swithzerland, May, 1993, pp. 1064-1070]，它 被认为是近年来编码理论取得的最大进展之一。在高斯白噪声(Additive White GaussianNoise-AWGN)信道下Turbo码在误码率为1(T5时以0. 7dB的信噪比逼近于信道 容量极限。LDPC (Low-Density Parity Check)码由Gallager首先于1961年提出，但却长 期被人们遗忘直至1996年被Mackay等重新发现。精心设计的LDPC长码性能甚至要优于 Turbo码。对于卫星信道，由于功率受限，降低卫星通信系统的工作信噪比无疑是至关重要 的，引入Turbo (或LDPC)编解码技术能很好地解决卫星信道功率受限的缺点。关于LDPC 编解码的有关知识详见[T. J. Richardson and Rudiger L. Urbanke, "TheCapacity of Low-Density Parity-Check Codes Under Message-Passing Decoding,，，IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 47，Feb. 2001，pp. 599—618]，LDPC 解码采用 置信度转播译码算法，基于二分图结构进行迭代解码，并输出类似于Turbo解码的外信息。相比于Turbo码而言，LDPC码的设计更为灵活(不同码率/码长)，LDPC码解码 算法的全并行结构使得设计高吞吐率的LDPC解码器更容易。因此，未来通信系统中有关信 道编码的标准化大都选用LDPC码。根据校验矩阵中1的分布特性，可将LDPC码分为规则LDPC码和非规则LDPC码。 一个规则的(dv，d。)-LDPC码意味着校验矩阵具有如下特性每一行含1的个数恒定，其数 目为d。；每一列含1的个数也恒定，其数目为dv。否则，则为非规则LDPC码。目前大部分Turbo/LDPC解码方法仅考虑了高斯白噪声(AWGN)信道，这在实际无 线和卫星通信中是不够的。在实际信道下，编码数字信号一般需调制后再发送，这就要求收 发两端有相同的频率发生器。但是由于实际器件的非理想特性，特别是传输媒介的时变衰 落等特性，使得收发的调制信号的频偏和相位实际上在很大程度是未知的，这就要求接收 机进行信道估计和跟踪以消除未知频偏和相位对发送信号的影响。这样，如何估计未知信 道的各种参数从而对Turbo/LDPC码进行解码是广受人们关注的研究热点。该问题的困难 在于Turb0/LDPC码工作的信噪比要远远低于常规条件下的信噪比，而事实上在低信噪比 下如何精确估计和跟踪信道参数本身就是一大难题。在卫星与无线通信中，典型的信道未知参数为频率偏移(频偏)和载波相位。传
3统的信道估计技术是采用锁相环技术。由于极低信噪比下通信的特殊性，传统算法不再使 用。可能的解决方案是放弃以前信道估计和信道译码各自独立的特性而代之以联合迭代解 调解码，使得信道估计能够充分利用编码提供的冗余度。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种用于极低信噪比下LDPC编码BPSK通信系统 简单实用的迭代解调解码方法。技术方案本发明的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其步 骤包括1)接收一帧编码调制信号完整帧，并将其切割成多个信号子块；2)初始化编码比特的外信息；3)根据编码比特的外信息及接收到的一帧信号样本值，采用一种修正M&M算法进 行频偏估计；4)根据当前信号子块结构以及上述频偏估计执行一种修正Tikhonov解调算法完 成信号解调，输出编码比特的解调软值；解码器接收上述的解调软值，依据置信度传播译码算法完成一次解码，并输出编 码比特的外信息；5)在迭代解调次数达到预定的次数时，输出解码值，否则，增大信号子块的长度， 转入下一次迭代解调，也即重复步骤3) -5)。所述3)中基于一种修正M&M算法计算频偏，可通过对M&M算法[M. Morelliand U. Mengali, "Feedforward frequency estimation for psk :A tutorial review," Eur. Trans. Commun. Related Technol.，vol. 9,Mar. /Apr. 2004,pp. 103-116]进行本发明的修正 措施来进行。所述4)对接收到的经编码和调制的信号执行一种修正Tikhonov解调算法完成 信号解调并输出编码比特的解调软值，可通过Tikhonov算法[G. Colavolpe, A. Barbieri, and G. Caire, "Algorithms for iterative decoding in the presence of strongphase noise, ” IEEE J. Select. Areas Commun.，vol. 23，Sept. 2005，pp. 1748-1757]进行进行本 发明的修正措施来进行。。所述编码为LDPC码，也可推广到TURBO码；所述调制为BPSK并可推广到MPSK调 制。本发明提供了信道参数(信道相位、剩余频偏)未知下LDPC编码BPSK调制的迭 代解调解码算法。基于Tikhonov算法结合一种本专利特有的修正M&M频偏估计算法提出 了分块启动、块大小随迭代不断增大的载波恢复及解调算法，该算法能充分利用迭代外信 息来完成载波频偏和相位的恢复以及解调数据的获取。若利用本专利提出的载波恢复对接 收信号进行解调(这里“解调”一词事实上是参数校正的意思)，则解调后的信号可看作是 理想的AWGN信道，因而可采用AWGN信道下的标准置信度传播迭代解码算法进行有效解码。本发明涉及的通信系统模型如下信息比特流先经过LDPC编码器，编码比特再经 过BPSK调制发送到信道上。假设信道相位、信道幅度、噪声方差、剩余频偏未知，在理想位 同步的假设下，接收到的等效低通复信号可表示为
4 其中，ck表示发送的BPSK信号，其取值于信号集{+1，_1}，ek是信道未知相位，wk表示均值为0方差为2 o 2的复高斯白噪声，Ns为一帧的总长度。符号定义迭代次数1;一帧内的编码码长L ；编码码字在迭代开始的分块数、大小(下面称为初始子块)B，D且L = B D ；导码分布在每个初始子块内，每个子块内的导码数P ；第1次迭代的编码码字数据的分块数、大小出工，Dx ；第1次迭代的分块符号大小(包括编码符号和导码)队；接收到的一帧信号样本总数NS = (D+P) B ；接收到的一帧信号样本下标k ；接收到的一帧信号中导码所在的下标位置集合IP ；接收到的一帧信号中编码数据所在的下标位置集合Id ；接收到的一帧信号样本:rk = ckeMk = Q,…,N、-\;修正M&M频偏估计算法中的分段累加长度F ；对一帧数据进行分段累加后的样本长度Nf = Ns/F。本发明涉及以下四个方面的
发明内容
一、层进式分块策略本发明的编码调制微弱信号的层进频偏补偿及解调方法，其步骤2)和7)需要根 据迭代实施层进式分块策略，层进式分块策略的核心是分块大小队随迭代不断扩大(相应 地，分块数目Bi则不断减小)，而初始分块较小则能保证频偏在该小分块内的累积效应不明 显，从而可以启动解调的正常进行。因而，层进式分块策略要保证N1+1彡队或者B^SBi 直到分块数目为1。该层进式分块策略可参见图1。二、修正M&M算法 步骤1)对一帧信号r = {rk ；利用导码信息(k G Ip)以及外信息进行去调制操 作 步骤2)基于去调制的信号X。，A，…， 进行分段累加得到Nf = Ns/F个样本zk，k =0，…，Nf-1
F-l、=2^//+/,众=0，-.為-1.
7=0步骤3)基于分段累加样本zk，k = 0，…，Nf-1计算其自相关值
N 厂 \_mR、(m)= Y zk+n/k,m = 0,---,E .
k = 0步骤4)按照以下加权方式计算出最终的频偏估计值
5
这里mod[x，2 3i]表示对x取模2 。 三、修正Tikhonov算法
如果信号子块为整个信号帧(rk，k = 0，…，Ns-1)且已知频偏估计为m内，则修正
Tikhonov算法主要在Tikhnov算法的基础上考虑了频偏的相位旋转效应，其具体计算流禾丨
如下
步骤1)前后向度量迭代初始化
步骤2)前向度量迭代计算
k-l时刻基于外信息的符号软判
k时刻前向度量计算《# =/ afM 、
步骤3)后向度量迭代计算
其中IJx)表示零阶贝舍尔函数，为简化计算起见，我们采用近似表示logljx)= x，可得近似计算，大大简化了计算。四、编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法 步骤 1)参数初始化L(ck) = + ①，k G Ip ；L(ck) = 0，k G Id，1 = 0. 步骤2)置信度传播译码算法初始化； 步骤3)执行修正M&M算法计算频偏讽=幻 步骤4)执行基于信号子块的Tikhonov算法完成载波恢复及解调 1)对第g(g = 0，…，Bfl)个子块载波前后向迭代初始化
2)在第g个子块内执行载波恢复前后向迭代计算 前向迭代计算
k = g(NrP) +n,a kl=tanh (L (cu,)), βkl = 1, 后向迭代计算k = g(N1-P)+n, 解调比特软值计算 步骤5)基于LDPC编码约束执行置信度传播译码算法
输入y(t)={yk(t)}keld
输出Ld={L(ck)}keld及译码输出码字c.
步骤6)如果译码码字能满足LDPC校验矩阵的校验或到达最大译码次数，则译码 终止，否则转到步骤3)继续执行。其中，步骤5)是根据LDPC编码约束执行置信度传播译码算法，该编码约束可利用 二分图来有效表示，如图2。本发明提出了一种修正M&M频偏估计算法，它的典型特征是可充分利用迭代解码 提供的外信息以及分段累加去调制后的样本来提高工作门限。本发明基于Tikhonov算法 结合修正M&M频偏估计算法提出了分块启动、块大小随迭代不断增大的载波恢复及解调算 法，该算法能充分利用迭代外信息来完成载波频偏和相位的恢复以及解调数据的获取，能 有效解决极低信噪比下频偏估计与解码启动相互制约的难题。有益效果1.本发明提供的迭代解调解码方案的特点是解调和解码基本独立，两者通过外信 息进行信息交互而不断提高性能；2.本发明提供的方案简单实用，易于数字实现；3.本发明提供的修正M&M频偏估计模块在解码能提供外信息的条件下能充分利 用该外信息提高性能；4.本发明提供的修正M&M频偏估计模块基于分段进行样本累加操作，大大提高了 工作门限病有效降低了实现复杂度；5.本发明提供的分块启动、块大小随迭代不断增大的载波恢复及解调算法能充分 利用迭代外信息来完成载波频偏和相位的恢复以及解调数据的获取，能有效解决极低信噪 比下频偏估计与解码启动相互制约的难题。6.本发明提供的载波恢复与解调模块与系统本质上与具体信道编码方式无关，因 而适用广泛，可适用于LDPC码、Turbo码、卷积码等典型好码；
7.本发明应用于典型的恒参卫星信道，能获得逼近理想AWGN信道下解码的性能。
图1是分块大小随迭代不断增大的解调解码因子图；图2是一个LDPC码二分图的结构图，即校验节点和变量节点的连接示意图，变量 节点和校验节点分别记为v和c ；图3实例的BPSK接收机系统性能；图中横坐标为比特信噪比Eb/N0，纵坐标为误比特率(BER)，图中3条曲线由上而 下分别表示Tikh0n0V算法迭代60次的性能，本发明算法迭代60次的性能，理想相干接收 迭代60次解码后的性能。所有的符号注解
vn:LDPC码二分图中的第n个变量节点；
。m:LDPC码二分图中第m个校验节点；
1 迭代次数；
L 一帧内的编码码长；
B ；编码码字在迭代开始时的分块数(初始分块数目)；
D 初始子块大小；
P 每个初始子块内的导码数；
Bx第1次迭代的编码码字数据的分块数；
Dx第1次迭代的编码码字数据的分块大小；
Nx第1次迭代的分块符号大小(包括编码符号和导码)；
Ns接收到的一帧信号样本总数；
F ；修正M&M频偏估计算法中的分段累加长度；
Nf对一帧数据进行分段累加后的样本长度；
M&M 算法文献[M.Morelli and U. Mengali, "Feedforward
estimationfor psk :A tutorial review, "Eur.Trans. Commun. Related Technol. ,vol. 9, Mar. /Apr. 2004，pp. 103-116]中给出的一种频偏估计算法；Tikhonov 算法文献[G. Colavolpe, A. Barbieri, and G. Caire, "Algorithms for iterativedecoding in the presence of strong phase noise,，，IEEE J. Select. Areas Commun.，vol. 23，Sept. 2005，pp. 1748-1757]中给出的一种载波恢复和解调算法；AWGN:加性白色高斯分布噪声。
具体实施例方式本实例选用码率为1/2的规则(3，6)-LDPC码，码长为L = 4096。编码码字的初 始数据子块数目为B = 128，初始数据子块大小D = 32且导码分布在每个初始子块内，每 个子块内的导码数P = 1。第1次迭代的编码数据的分块数目、分块大小分别选择为Bi = min (27-1，128)，Dx = min (2XD, 4096)，其中min (x, y)表示取数x和y中的最小数。第1次迭 代的分块符号大小(包括编码符号和导码)为队=Dunlin (2X+1,128+1)。修正M&M频偏估 计算法中分段累加长度F = 32，参数E = 32。
本发明提出的迭代解调解码方法如下接收一帧编码调制信号完整帧，并将其切 割成多个信号子块；初始化编码比特的外信息；根据编码比特的外信息及接收到的一帧信 号样本值，采用一种修正M&M算法进行频偏估计；根据信号子块结构以及上述频偏估计进 行载波恢复，并据此计算出编码比特的解调软值；解码器接收上述的解调软值，依据置信度 传播译码算法完成一次解码，并输出编码比特的外信息；在迭代解码次数达到预定的次数 时，输出解码值，否则，增大信号子块的长度，重复以上操作直至解码成功或迭代次数达到 规定次数。其具体步骤如下步骤1)参数初始化当样本位置k为导码位置ke Ip，置L(ck) = +①，当样本位 置k为数据位置k G Ip，L(ck) = 0 ；初始化迭代次数1 = 0。步骤2)置信度传播译码算法初始化校验节点向变量节点的传递信息设为0。步骤3)基于接收样本r及译码外信息Ld执行修正M&M算法模块计算频偏 步骤4)执行基于信号子块的Tikhonov算法完成载波恢复及解调1)对第g(g = 0，…，Bfl)个子块载波前后向迭代初始化= 0.2)在第g个子块内执行载波恢复前后向迭代计算前向迭代依次计算k = g(N1-P)+n, 后向迭代依次计算k = g(NrP)+n, 解调比特软值计算 步骤5)基于LDPC编码约束执行置信度传播译码算法输入乂')={乂0}^,输出=及译码输出码字c.步骤6)如果译码码字能满足LDPC校验矩阵的校验或到达最大译码次数，则译码 终止，否则转到步骤3)继续执行。本实例中假设信道为典型的卫星恒参信道，信道的初始归一化频偏(相对于符号传输速率)随机位于A fT = [-0. 01,0. 01]，而信道未知相位为随机选取的(0，2 Ji)间的相 位。该实例在典型卫星恒参信道下的经60次迭代下的性能见图3。
虽然参考其中特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是，本领域的普 通技术人员将会理解，在不脱离本发明附加的权利要求所定义的精神和范围的情况下，可 以对本发明进行形式和细节上的各种修改。
权利要求
一种编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征在于该方法包括如下步骤a.接收一帧编码调制信号完整帧，并将其切割成多个信号子块；b.初始化编码比特的外信息；c.根据编码比特的外信息及接收到的一帧信号样本值，采用一种修正M&M算法进行频偏估计；d.根据当前信号子块结构以及上述频偏估计执行一种修正Tikhonov解调算法完成信号解调，输出编码比特的解调软值；e.解码器接收上述的解调软值，依据置信度传播译码算法完成一次解码，并输出编码比特的外信息；f.在迭代解调次数达到事先预定的次数时，输出解码值，否则，增大信号子块的长度，转入下一次迭代解调，也即再次执行步骤c)～步骤e)。
2.如权利要求1所述的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征 在于所述步骤a)编码为LDPC码。
3.如权利要求1所述的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征 在于所述步骤a)调制为B-PSK调制。
4.如权利要求1所述的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征 在于所述步骤c)采用一种修正M&M频偏估计算法，该算法首先利用编码比特的外信息对接 收信号进行去调制，然后对去调制样本进行分段累加，分段累加后的样本值再根据M&M频 偏估计算法计算频偏值。
5.如权利要求1所述的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征 在于所述步骤d)采用一种修正Tikhonov解调算法，该算法基于独立信号子块操作；在每一 个独立子块内，首先计算前向度量，并逐样本根据频偏估计值对前向样本进行旋转修正，然 后计算后向度量，并逐样本根据频偏估计值对后向样本进行旋转修正，最后根据前后向度 量计算编码比特的解调软值。
6.如权利要求1所述的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征 在于所述步骤d)信号解调基于信号子块结构，不同子块Tikhonov算法的前后向度量计算 以及编码比特的软值计算是独立的，这有效避免了频偏估计误差的相位累积效应，有利于 解调后的解码器启动工作。
7.如权利要求1所述的编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，其特征 在于所述步骤f)下一次迭代解调时，信号子块结果进行调制，调制后的信号子块的长度要 保证大于前一次迭代，这将有效增强载波恢复的精度，并随着迭代不断提高系统解调性能。
全文摘要
编码调制信号基于层进频偏补偿的迭代解调解码方法，有效解决了频偏和相位未知信道下LDPC编码BPSK调制系统的迭代解调解码问题，该方法接收一帧编码调制信号完整帧，并将其切割成多个信号子块；初始化编码比特的外信息；根据编码比特的外信息及接收到的一帧信号样本值，采用一种修正M&M算法进行频偏估计；根据信号子块结构以及上述频偏估计执行一种修正Tikhonov解调算法完成信号解调，输出编码比特的解调软值；解码器接收上述的解调软值，依据置信度传播译码算法完成一次解码，并输出编码比特的外信息；在迭代解调次数达到预定的次数时，输出解码值，否则，增大信号子块的长度，重复以上操作直至解码成功或迭代次数达到规定次数。
文档编号H04B1/707GK101854229SQ201010173679
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者吴晓富, 宋越, 赵春明 申请人:中国人民解放军理工大学