专利名称：一种基于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 ShiftKeying, 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FH1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-Solomon (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ldB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
本发明提供一种基于Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方 法，以实现FH1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基于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 = (Ul， 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，通过冊调制器产生跳频信号小)-AeJ^{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+ = 2*5⑴+_)，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f^A。接收信号经解跳后得到中频步骤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』*B(ty _+0、+ n⑴分成两路，一路 经中心频率为L的带通滤波和|FFT|2变换后得到功率信号S(l，另一路经中心频率为的 带通滤波和|FFT|2变换后得到功率信号Sl ；然后将S(l，Sl进行串并变换得到得到频域软解 调输出信息 Z，且 Z = (z”z2、-zk,…、zN)，k=l、2、…、N，其中 zk = [s。，sj。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，乂为信道信息，乂1为校验信息 1，少f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1彳1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 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
o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 进行分量译码，得到外信息2和信道信 息夂对应的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所得信道信息久对应的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= (Zl、Z2、 、、…、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A(Zk|0)、
A (zk|l)和条件对数似然比L(zk)；其中八(4|0) = -/ 。1 + 111
E‘.
八⑷1)=-"臂+ h
(1)
(2)
Z ⑷二 A ⑷ 0)-A ⑷ = ) + ln
(3)上述三式中，&、、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，艮/X表示发送信号的信噪比，24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，I0(O表示零阶贝塞尔(Bessel)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)
rk{e) =
八^⑷-吨+— ⑷))-":,。吾+MsQ-《.会+ 当”0时;
-ln(l+exp(Afl(W,)))-^A+Ms>1当"* =1 时;
(4)
N0 其中 Msi = In
Mp,=ln
当xf 二 1时 当< =-1时冗表示第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 = 0,1 ；<表示信源数据uk经Turbo编码后的信道信息在 接收端第i个调制频点对应的功率，表示信源数据uk经Turbo编码后的校验信息在接收 端第i个调制频点对应的功率(i = 0，1)。L(uk) = A(zsk |^) + Afl(^) + Ae(^)(5)(5)式等号右边第一项A(z〖|t/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。
_ I 、-/
-Sf 2
唇 2
___
In -1
I 1
、-/
7% 2
易 2
____V
h
步骤C 提取外信息 Ae (uk) = L(uk)-A(zl\uk)-Aa(uk)a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、 、、…、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A(Zk|0)、 A (zk|l)和条件对数似然比L(zk)；其中 A10) = -In(2a^0A2。/2。丄。_ ^
2aA(z, 11) = -ln(2<f +2al)- ~奇
A
(6) (7)
Z㈦刹动)=h(2弘 (炒+蚓+^^-^^-臂⑴(6)、(7)、⑶三式中，A2表示发送信号的理想功率；2<、2<分别表示两个 f0+Fh> f\+Fh频点的功率衰落因子均值，当两个基带调制频点在相关带宽之内时，可以认为 2<=2<，均记为24。此时(8)式简化为
( 1 1 、丄⑷二 )
(9)步骤E 计算分支转移概率Y k (e)和全部的译码软信息L (uk)
n ie)=
八 ⑷-In (1 + exp (Afl ⑷))-In (KfiA2 + 2^)-
Sk0 ^i'l
KfiA2+2c7l 2a
JL_豈
')A2+2cjI 2O
-ln(咖KO、(x$2+2(费，…M…，当 0时⑶)
KA^lal 2a\
、⑷似 咖)，+2(昏’M。,l}⑷、=埘其中，(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 = 0，1 ；<表示信源数据uk经Turbo编码后的信道 信息在接收端第i个调制频点对应的功率，表示信源数据uk经Turbo编码后的校验信息 在接收端第i个调制频点对应的功率(i = 0，1)。<。,(，<,。,<在未知CSI时均取2乂。
比00是为了表达的简洁而定义的函数
8☆若x>0 }若M0L(uk) = K{zsk\uk) + Ka{uk) + Ke{uk)(11)(11)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)-ha(uk)" 本发明提供的一种基于Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码 方法，其主要创新是通过对BFSK软解调输出的条件概率密度函数的推导，并结合针对QAM、 PSK等调制方式的已有的MAP译码算法，充分考虑MAP译码作为迭代译码的特点，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。本发明中关于频域软解调方式和具体的分量译码过 程也可推而广之，进而得到Turbo编码和MFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法。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，采用本专利提出的 译码方法有更大的编码增益。同时，接收端未知CSI时的MAP译码算法适合于对算法复杂 度要求较小、冗余度要求较小的系统；而接收端已知CSI时的MAP译码算法适合于可以允许 较大的算法复杂度和冗余度，但对性能有较高要求的系统，从而使得系统可以根据具体情 况灵活选择译码方法。
图1为采用传统的卷积编码、BFSK调制的FFH系统的系统结构示意图。图2为本发明提出的Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方 法结构示意图。图3为本发明提出的Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方 法中非相干软解调的结构示意图。图4为本发明提出的Turbo编码和BFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方 法中MAP解调译码过程的结构示意图。
具体实施例方式一种基于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 = (Ul， 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，通过冊调制器产生跳频信号= Aej{2"{f'+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*小= #万⑴一(2 AM+^)，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f^A。接收信号经解跳后得到中频 信号乂乂⑴一2“—+吟)。步骤3 对步骤2所得的中频信号沪万⑴一^+…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J *B(t)ej{2^'+d) + 分成两路，一路 经中心频率为&的带通滤波和|FFT|2变换后得到功率信号S(l，另一路经中心频率为的 带通滤波和|FFT|2变换后得到功率信号Sl ；然后将S(l，Sl进行串并变换得到得到频域软解 调输出信息 Z，且 Z = (z”z2、-zk,…、zN)，k=l、2、…、N，其中 zk = [s。，sj。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，乂为信道信息，乂1为校验信息 1，少f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 将信道信息乂与校验信息l^f1输入第一分量译码器；同时对信道信息夂 进行与发送端Turbo编码过程中相同的交织处理，将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 ；^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
o步骤4-3 采用第一分量译码器，联合先验信息1、信道信息X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火2进行分量译码，得到外信息2和信道信 息夂对应的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所得信道信息父对应的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= (Z1、Z2、 、、…、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A(Zk|0)、 A (zk|l)和条件对数似然比L(zk)；其中
_ A(z,|0) = -,0| + ln[/0(2J|.Jg]j⑴
权利要求
一种基于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；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s0，s1进行串并变换得到得到频域软解调输出信息Z，且Z＝(z1、z2、…zk、…、zN)，k＝1、2、…、N，其中zk＝[s0，s1]；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，具体译码过程是步骤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。FSA00000286812300011.tif,FSA00000286812300012.tif,FSA00000286812300013.tif,FSA00000286812300014.tif,FSA00000286812300015.tif,FSA00000286812300016.tif,FSA00000286812300017.tif,FSA00000286812300018.tif,FSA00000286812300019.tif,FSA000002868123000110.tif,FSA000002868123000111.tif,FSA000002868123000112.tif,FSA000002868123000113.tif,FSA000002868123000114.tif,FSA000002868123000115.tif,FSA00000286812300021.tif,FSA00000286812300022.tif,FSA00000286812300023.tif,FSA00000286812300024.tif
2.根据权利要求1所述的基于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 、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A (zk|0)、A (zk|l) 和条件对数似然比L(zk)；其中 上述三式中，tv hi分别表示在采样时间内，接收信号分别在f^fi处的功率衰落因子， A2表示发送信号的理想功率，2(7=表示一个基带调制频点间隔内的噪声平均功率， )表 示零阶贝塞尔(Bessel)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)n(e) =其中\ ⑷-ln(l+exp(Aa ⑷))爱+风’。-K今+Mt -ln(l+exp(Afl ⑷))-Kr^+K, 急+ ，当时; 当& =1时；(4)Mw =lnMpf = In\lotN0 \ 2a‘屹，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 = 0，1 X表示信源数据uk经Turbo编码后的信道信息在接 收端第i个调制频点对应的功率，表示信源数据uk经Turbo编码后的校验信息在接收端 第i个调制频点对应的功率；L{uk) = A(zsk\uk) + Aa(uk) + Ae(uk)(5)(5)式等号右边第一项A(z〗h)表示信道信息3；丨对应的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( )-A (| w ) - Aa (力)。
3.根据权利要求1所述的基于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A (zk|0)、A (zk|l) 和条件对数似然比L(zk)；其中
全文摘要
一种基于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，采用本专利提出的译码方法有更大的编码增益。本发明也可推而广之，进而得到Turbo编码和MFSK调制的FFH通信系统的MAP解调译码方法。
文档编号H04B1/713GK101980491SQ201010294550
公开日2011年2月23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