一种甚高频数据交换系统的迭代译码方法与流程

本发明属于船舶卫星通信技术领域，尤其涉及一种甚高频数据交换系统的迭代译码方法。

背景技术：

随着船舶自动识别系统(AIS)应用的巨大成功以及AIS功能不断被开发，AIS的网络负载越来越大以至于损害AIS最初的避碰理念。为了保障AIS的性能，国际电信联盟WP5B组与国际助航设备和航标协会E-NAV小组举行会议讨论下一代AIS——甚高频数据交换系统(VDES)的技术方案以及发展方向。在保障AIS最高优先级的基础上，国际海事组织、国际电信联盟等组织将AIS中的应用专用消息分离出来并为其分配新的信道(CH2027与CH2028)与调制方式(QPSK)。同时，为VDE分配了新的VHF频段(CH24、CH25、CH26、CH84、CH85以及CH86)与新的调制方式(QPSK、8PSK、16QAM、16APSK等)，并将前向纠错编码技术、连续相位调制扩频技术等引入到VDE中。

调制方式多样化(MPSK/MQAM/MAPSK调制)给前向纠错编码的译码工作带来了新的问题，目前，尚无统一的解决方案。

技术实现要素：

本发明的技术目的是提供一种甚高频数据交换系统的迭代译码方法，具有编码速率与调制方式兼容性强、译码性能优异的技术特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种甚高频数据交换系统的迭代译码方法，包括以下步骤：

S1：将先验概率对数似然比序列l^in，a、和接收到的信号序列r送入调制逆映射模块，结合前向纠错编码速率与多进制调制码元的进制数，计算出后验概率对数似然比序列l^out，a、和

S2：将后验概率对数似然比序列l^out，a和送入第一个BCJR译码器，同时将信息序列a的先验概率对数似然比序列l^in，a输入第一个BCJR译码器，得到信息序列a的后验概率对数似然比序列l¹，减去先验概率对数似然比序列l^in，a得到序列l^out，1，同时得到序列

S3：对序列l^out，1进行交织处理得到序列l^in，2，再将序列l^in，2与后验概率对数似然比序列送入到第二个BCJR译码器，得到所述信息序列a的后验概率对数似然比序列l²，减去序列l^in，2得到序列l^out，2，对序列l^out，2进行逆交织处理得到序列l^in，1，同时得到序列

S4：判断是否进行迭代，若是，重复S1～S3进行预设相应次数的迭代；

S5：根据S3或S4迭代后得到的信息序列a的后验概率对数似然比序列l²进行解交织并进行判决，从而得到信息估计序列

进一步的，上述甚高频数据交换系统的迭代译码方法中，所述S1包括：

S11：将先验概率对数似然比序列以及按照16QAM调制码元的进制数变换为以及

S12：基于先验概率对数似然比序列以及接收到的信号序列r计算出16QAM调制码元的后验概率对数似然比序列以及

S13：后验概率对数似然比序列以及按照16QAM调制码元的进制数变换为以及

进一步的，上述甚高频数据交换系统的迭代译码方法中，所述S2包括：

S21：对第一个BCJR译码器的前向迭代与反向迭代进行初始化；

S22：将序列l^out，a和送入第一个BCJR译码器，同时将信息序列a的先验概率对数似然比序列l^in，a输入第一个BCJR译码器；

S23：计算出每个时刻n与每个状态所对应的前向迭代与反向迭代

S24：利用以及概率分布函数，计算出后验概率对数似然比l¹与

S25：信息序列a的后验概率对数似然比序列l¹减去先验概率对数似然比序列l^in，a得到序列l^out，1，同时得到序列

进一步的，上述甚高频数据交换系统的迭代译码方法中，所述S3包括：

S30：对序列l^out，1进行交织处理得到序列l^in，2；

S31：对第二个BCJR译码器的前向迭代与反向迭代进行初始化；

S32：将序列l^in，2与送入到第二个BCJR译码器，计算出每个时刻n与每个状态un所对应的前向迭代与反向迭代

S33：利用以及概率分布函数，计算出后验概率对数似然比l²与

S34：信息序列a的后验概率对数似然比l²减去先验概率对数似然比序列l^in，2得到序列l^out，2，对序列l^out，2进行解交织处理得到序列l^in，1，同时得到序列

本发明根据得到的信息序列a的后验概率对数似然比序列l²进行解交织并进行判决，从而得到信息估计序列本发明具有编码速率与调制方式兼容性强、译码性能优异的技术特点。

附图说明

图1为甚高频数据交换系统前向纠错编码器的结构图；

图2为递归系统卷积编码器结构图；

图3为高斯白噪声信道中信息传输结构图；

图4为联合后验概率函数P(a，c，u|r)的因子图；

图5为n时刻联合后验概率函数P(a，c¹，c²，c，u¹，u²|r)的因子图；

图6为本发明的三分之一编码速率MPSK/MQAM/MAPSK调制译码结构图；

图7为调制逆映射模块图；

图8为变换模块图；

图9为逆变换模块图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种甚高频数据交换系统的迭代译码方法与迭代译码器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

本发明提供一种甚高频数据交换系统的迭代译码方法，以三分之一编码速率16QAM调制为例，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将先验概率对数似然比序列l^in，a、和接收到的信号序列r送入调制逆映射模块，结合前向纠错编码速率与多进制调制码元的进制数，计算出后验概率对数似然比序列l^out，a、和

S2：将后验概率对数似然比序列l^out，a和送入第一个BCJR译码器，同时将信息序列a的先验概率对数似然比序列l^in，a输入第一个BCJR译码器，得到信息序列a的后验概率对数似然比序列l¹，减去先验概率对数似然比序列l^in，a得到序列l^out，1，同时得到序列

S3：对序列l^out，1进行交织处理得到序列l^in，2，再将序列l^in，2与后验概率对数似然比序列送入到第二个BCJR译码器，得到所述信息序列a的后验概率对数似然比序列l²，减去序列l^in，2得到序列l^out，2，对序列l^out，2进行逆交织处理得到序列l^in，1，同时得到序列

S4：判断是否进行迭代，若是，重复S1～S3进行预设相应次数的迭代；

S5：根据S3或S4迭代后得到的信息序列a的后验概率对数似然比序列l²进行解交织并进行判决，从而得到信息估计序列

在此，本发明深入研究因子图与BCJR算法，提出了一种适用于VDES系统前向纠错编码的迭代译码方法。

本发明的甚高频数据交换系统的迭代译码方法一实施例中，以三分之一编码速率16QAM调制为例，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：将先验概率对数似然比序列以及按照16QAM调制码元的进制数变换为以及

S12：基于先验概率对数似然比序列以及接收到的信号序列r计算出16QAM调制码元的后验概率对数似然比序列以及

S13：后验概率对数似然比序列以及按照16QAM调制码元的进制数变换为以及

本发明的甚高频数据交换系统的迭代译码方法一实施例中，以三分之一编码速率16QAM调制为例，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：对第一个BCJR译码器的前向迭代与反向迭代进行初始化；

S22：将序列l^out，a和送入第一个BCJR译码器，同时将信息序列a的先验概率对数似然比序列l^in，a输入第一个BCJR译码器；

S23：计算出每个时刻n与每个状态所对应的前向迭代与反向迭代

S24：利用以及概率分布函数，计算出后验概率对数似然比l¹与

S25：信息序列a的后验概率对数似然比序列l¹减去先验概率对数似然比序列l^in，a得到序列l^out，1，同时得到序列

本发明的甚高频数据交换系统的迭代译码方法一实施例中，以三分之一编码速率16QAM调制为例，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S30：对序列l^out，1进行交织处理得到序列l^in，2；

S31：对第二个BCJR译码器的前向迭代与反向迭代进行初始化；

S32：将序列l^in，2与送入到第二个BCJR译码器，计算出每个时刻n与每个状态un所对应的前向迭代与反向迭代

S33：利用以及概率分布函数，计算出后验概率对数似然比l²与

S34：信息序列a的后验概率对数似然比l²减去先验概率对数似然比序列l^in，2得到序列l^out，2，对序列l^out，2进行解交织处理得到序列l^in，1，同时得到序列

在此，本发明的迭代译码器可以包括以下模块：调制逆映射模块、BCJR模块、交织器模块、解交织器模块。调制逆映射模块利用BCJR模块的软判决输出结果对MPSK、MQAM、MAPSK等调制信号进行逆映射处理

VDES系统中卫星和地面组件上的前向纠错编码器一般结构如图1所示，其中，递归系统卷积编码器结构如图2所示。成分码转移函数如下

其中，n0(D)＝1+D+D³，n1(D)＝1+D+D²+D³，d(D)＝1+D²+D³。

速率匹配是通过对编码器输出进行删余实现的。表1给出了数据比特删余模式。

表1数据比特周期的删余模式

注：对每种速率，删余表应该首先从左向右读取，然后从上到下。0表示该符号应该被删除，而1表示这个符号应该通过。

表2尾部六比特周期的删余模式

注：对每种速率，删余表应该首先从左向右读取，然后从上到下。0表示该符号应该被删除，而1表示这个符号应该通过，2或3表示这个符号应该通过且复制2或3次。

交织器规范如下：首先，分解k＝k1k2，此处，参数k1和k2取决于各个信息长度与码速率的选择，k是信息块长度，数值在表3中给出。

表3不同信息长度/码速率的交织器和打孔参数

注：*表示建议设置尚未有数据支撑，**表示无尾部删余。

以下运算得到转置数Π(s)，s∈(1，...，k)：

Π(s)＝2(t+ck1/2+1)-m

其中，t＝(19i+1)mod(k1/2)，c＝(pqj+21m)modk2，q＝tmod8+1，m＝(s-1)mod2，amodb表示a除以b的余数，表示对x向下取整，pq表示素数，q∈{1，2，...，8}，从素数集合中选择。在交织之后，第二个编码器的第s位数据对应第一个编码器输入第Π(s)位数据。

下面介绍BCJR算法与因子图。信息传输结构如图3所示，信道为高斯白噪声信道，其中，a＝(a1，a2，...，ak)代表传输信息序列，an∈A，A＝{0，1}，k表示信息序列长度，c＝(c1，c2，...，ck)表示信息序列经编码器编码以后的输出序列，w＝(w1，w2，...，wk)是高斯白噪声序列(均值为0，方差为σ²)，r＝(r1，r2，...，rk)表示接收到的信号序列。用一个有限状态机来为编码器建模

cn＝g1(an，un)

un+1＝g2(an，un)

其中，un表示n时刻编码器的状态。函数g1表示信号an进入状态为un编码器得到编码信号cn。函数g2表示信号an进入状态为un编码器使得编码器状态变为un+1。接收机接收到的信号表示为rn＝cn+wn

an的最大后验概率估计为

an与un确定唯一的符号cn，因而，可以得到概率分布函数

后验概率P(an|r)可以通过计算P(a|r)的边际函数获取

由于编码器的初始状态已定，发送序列a可以确定唯一的编码序列c与状态序列u。因而，P(a|r)＝P(a，c，u|r)

序列a、c、u的联合后验概率函数P(a，c，u|r)表示为：

P(c，u|a)是一种指示函数，当a，c，u一一对应时，P(c，u|a)＝1，否则，P(c，u|a)＝0。P(c，u|a)可以表示为所有格子部分指标函数的乘积(Wiberg图)

其中，当an，cn，un，un+1状态转移存在时，ITn(an，cn，un，un+1)＝1，否则ITn(an，cn，un，un+1)＝0。因而

联合后验概率函数P(a，c，u|r)对应的因子图如图4所示。根据因子图，BCJR算法前向迭代表达式为：

BCJR算法反向迭代表达式为

an的后验概率估计为

对于二进制符号来说，将对数似然比作为软判决依据。对数似然比计算如下

ln用来判决an，若ln≥0，则an＝0，否则，an＝1。通常ln模值越大，判决的可靠性越高。假设编码器的初始状态已知，则

由于编码器的终止状态未知，反向迭代的初始化为

μk为任一状态

S表示编码器的状态数。BCJR算法整理如下：

(1)对前向迭代与反向迭代进行初始化。

(2)计算出每个时刻n与每个状态un所对应的前向迭代αn+1(un+1)与反向迭代βn(un)。

(3)利用αn+1(un+1)、βn(un)以及概率分布函数P(rn|cn)，计算出后验概率P(an|r)。

(4)计算对数似然比并判决符号。

下面介绍解决MPSK/MQAM/MAPSK调制方式的迭代译码器方案。假设通信系统采用1/3编码速率，对应的删余模式为[1；1；0；0；1；0]。传输信道为高斯白噪声信道。信息序列为a＝(a1，a2，...，ak)。

序列a，c¹，c²，c，u¹，u²的联合后验概率函数P(a，c¹，c²，c，u¹，u²|r)表示为

其中，r＝(r1，r2，...，rk)，c＝(c1，c2，...，ck)，

其中，an′表示n时刻进入第二个RSC编码器的符号。进而，联合后验概率函数P(a，c¹，c²，c，u¹，u²|r)表示为

n时刻联合后验概率函数P(a，c¹，c²，c，u¹，u²|r)对应的因子图如图5所示。图中

将序列P^O(a)与P^O(c¹)送入第一个BCJR译码器，分别计算出前向迭代和反向迭代

从而可以得到序列P^I(a)与P^I(c¹)

对序列P^I(a)进行交织，得到序列将序列与送入第二个BCJR译码器，分别计算出前向迭代和反向迭代

进而，得到序列与P^I(c²)

对序列进行解交织，得到序列P^I(a)。从而，得到MPSK/MQAM/MAPSK调制迭代译码结构如图6所示。

下面以16QAM调制为例介绍调制逆映射模块，如图7所示。图中，表示调制逆映射的输入序列。表示调制逆映射的输出序列。图中的变换模块将序列l^in，a、以及变换为序列以及如图8所示。

序列以及中的元素分别表示序列以及中比特的似然比。

16QAM逆映射模块的输入信号为16QAM逆映射模块的输出信号为

其中，表示比特组合为bn的路径存在与否，若路径存在否则，

逆变换模块将序列以及变换为序列l^out，a、以及如图9所示。

将序列l^out，a和送入第一个BCJR译码器，分别计算出前向迭代和反向迭代

进而得到序列与

对序列l^out，1进行交织处理得到序列l^in，2。将序列与l^in，2送入第二个BCJR译码器，分别计算出前向迭代和反向迭代

从而可以得到序列与

对序列l^out，2进行交织处理得到序列l^in，a。对序列l²进行解交织并进行判决，从而得到信息估计序列译码步骤如下：

(1)将序列l^out，a和送入第一个BCJR译码器，同时将信息序列a的先验概率对数似然比l^in，a输入第一个BCJR译码器，得到信息序列a的后验概率对数似然比l¹，减去先验概率对数似然比l^in，a得到l^out，1。同时得到序列

(2)对序列l^out，1进行交织处理得到序列l^in，2，再将序列l^in，2与送入到第二个BCJR译码器，得到信息序列a的后验概率对数似然比l²，减去先验概率对数似然比l^in，2得到l^out，2。对序列l^out，2进行逆交织处理得到序列l^in，1。同时得到序列

(3)如需迭代，重复步骤(1)～步骤(2)相应迭代次数。

根据步骤(2)中得到的信息序列a的后验概率对数似然比序列l²进行解交织并进行判决，从而得到信息估计序列

对于其他的编码调制模式，需要根据编码速率、打孔模式以及调制信号码元的进制数修改图6与图7中对数似然比序列、变换模块、逆映射模块以及逆变换模块输入输出的映射关系即可。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。