一种基于LDPC信道编码的码字分集跳频抗干扰方法

一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法，属于通信信号处理领域。


背景技术：

2.跳频(frequency hopping，fh)作为一种频谱扩展(spread spectrum)技术，通过伪随机的跳频码序列控制载波完成多频率的频移键控(mfsk)调制，将原始窄带中频信号以更宽范围的多个频点发送，从而实现频谱扩展(spread spectrum)。由于具有良好的隐蔽性和多址通信能力，跳频技术成为一种广泛应用的抗干扰通信技术。在传统的跳频通信系统当中，信道编译码(channel coding and decoding)技术通常与跳频技术相结合，以获得更强的抗干扰性能以及更大的链路信噪比增益。信道编译码技术作为常见的差错控制手段，采用不同的编码方式，对原始信息增加冗余，其通过牺牲一定的传输速率提升传输的可靠性。
3.信道编码的关键在于如何设计并得到高效合理的码。目前主流的信道编译码码字包括turbo码、ldpc(low density parity check code)码、polar码等。上述码字中，turbo码又被称为并行级联卷积码，它将卷积码和随机交织器结合在一起，实现随机编码。polar码的编码过程则是基于信道极化(channel polarization)现象，根据巴氏参数选择可靠性高的比特作为信息比特，可靠性较差的比特作为无用比特，经过蝶形运算得到编码结果。ldpc码作为低密度奇偶校验码，按照一定的规则构造校验矩阵和生成矩阵，通过将原始信息序列与生成矩阵相乘即可得到编码结果。在译码过程中，ldpc码的译码算法称为置信传播算法(belief propagation algorithm)。译码器进行多次迭代运算，求取各个比特的最大后验概率(maximum posteriori probability，map)，依据校验方程，判决得到最终的译码结果。上述三种码中，turbo码虽然拥有与ldpc码相似的优秀抗干扰能力，但其译码过程相对二进制ldpc码更为复杂，并且译码时延较大，所使用码型也局限于短码长。在中长码条件下，ldpc码能够表现出比turbo码更加逼近香农极限的性能。而polar码的译码复杂度相比于二进制ldpc码同样具有一定的劣势，并且译码吞吐量低。虽然polar码在理论上可极化出绝对干净的信道，但其本身不具备ldpc码所具有的纠错能力，扩展性较差。ldpc码相较于前两种码型，依赖于稀疏校验矩阵的结构优势，不仅具备硬件结构简单易于实现的特点，而且它能够并行处理，吞吐量较大。作为近年来性能优异的信道编码，ldpc码已被广泛应用于多种商业标准，如802.11、802.16、dvb-s2、ccsds和5g等。凭借其良好的纠错和检错能力，ldpc码经常与跳频扩频技术相结合以进一步提升系统抗干扰性能。然而，ldpc码本身的纠错检错能力有限，在信道噪声和干扰环境较为恶劣的条件下，输入到译码器中的初始先验概率信息发生畸变，从而导致译码器通过置信传播算法得到的译码结果可靠性大幅降低，无法有效抑制干扰影响。虽然接收端通过干扰检测技术可以确定受干扰频点，通过擦除置零或者等比例缩放等操作抑制干扰的影响，但作为译码器输入的各比特自身所携带的初始后验概率信息也会损失，导致误码率性能急剧下降。


技术实现要素：

4.针对信道编译码中的译码器输入的初始先验概率信息发生损失，造成系统抗干扰能力和误码率性能急剧下降的问题，本发明的主要目的是提供一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰(codeword diversity anti-jamming，cdaj)方法，采用ldpc码作为信道编码码字方案，通过码字信息的分集重传和相干合并，优化译码器输入的初始先验概率信息，抑制干扰影响，进而提升译码可靠性。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.本发明公开的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法，在原有的跳频通信系统基础上，采用ldpc码作为信道编码码字方案，在多个信道中传输完全相同的发送信息分集副本。接收端针对接收信号的多个副本进行干扰检测，以确定受干扰比特位置，并将对应的比特所携带的软信息擦除置零。然后，各组比特通过相干合并得到译码器输入，以此优化原有的比特初始先验概率信息，进而提升译码可靠性。借助分集合并，该方法能够减小因信道非理想特性带来的信号损失影响，并通过增加分集集数，能够达到近似理论极限的误码率性能。
7.本发明公开的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰(cdaj)方法，包括如下步骤：
8.步骤一、发送已通过ldpc信道编码、分集以及跳频处理后的信号。
9.发送信号为长度为k个符号的原始信息序列x，与生成矩阵g相乘得到编码结果c＝x
·
g，其中编码结果c的长度为n。分集合并中分集集数表示为z，编码结果c通过分集复制码字，得到包含分集集数为z，完全相同的编码后信息序列的集合c
div
＝{c1,c2,...,cz}，其中ci为集合中一串信息序列，下标i代表集合中各信息序列的序号，1≤i≤z；利用伪随机序列控制多进制频移键控，得到对应地跳频信号集合f
div
＝{f1,f2,...,fz}，其中fi为跳频信号集合中一串跳频信息序列，1≤i≤z。
10.步骤二、接收步骤一发送的信号，依据干扰检测结果，确定受干扰频点，经过解跳后找到对应的受干扰比特位置，对其擦除置零以抑制干扰的影响。
11.以r
div
＝{r1,r2,...,rz}表示接收信号集合，其中ri为接收信号集合中的一串信息序列，1≤i≤z。tc表示未受干扰比特集合，t表示受干扰比特集合，e
div
＝{e1,e2,...,ez}表示经过擦除置零后的接收信号集合，其中ei表示擦除置零后信号集合中一串信息序列，1≤i≤z。则接收信号中各比特可表示为，
[0012][0013]
步骤三、所有信号集合进行对应位置的相干合并。
[0014]
对已经过干扰抑制后的接收信号集合e
div
中，不同信号序列中相同位置的比特幅度信息相干合并，最终得到一串信息序列g＝[g1,g2,...,gn]，序列中各比特gj可以表示为
[0015][0016]
译码器采用最小和译码算法，因此信息序列各比特的幅度信息能够代表其先验概率软信息，充当译码器输入。相对应地，接收端采用信息序列g作为译码输入，替代接收端的
初始先验概率。
[0017]
步骤四、迭代译码，更新校验节点信息。
[0018]
在迭代译码过程当中，首先进行校验节点信息更新。
[0019]
vns表示n个变量节点vn集合，cns表示(n-k)个校验节点cn集合，r
mn
表示第n个校验节点cnn传递给第m个变量节点vnm的概率信息，q
mn
表示第m个变量节点vnm传递给第n个校验节点cnn的概率信息，rn表示与校验节点cnn相连接的所有变量节点组成的集合，cm表示与变量节点vnm相连接的所有校验节点组成的集合，rn/m表示除去目标变量节点的其余变量节点集合，l
(k)
(r
mn
)表示更新后的校验节点传向变量节点的概率信息，l
(k)
(q
m'n
)表示第k次迭代的初始化概率消息，其数值大小即等于各比特的幅值大小，上标k代表对应的译码迭代次数。
[0020]
则在第k次迭代当中，校验节点传向变量节点的概率信息表示为，
[0021][0022]
步骤五、迭代译码，更新变量节点信息。
[0023]
以cm/n表示除去目标校验节点的其余校验节点集合，l(pm)表示变量节点vnm对应的初始概率信息，l
(k)
(q
mn
)表示更新后的变量节点传向校验节点的概率信息。
[0024]
则在第k次迭代当中，变量节点传向校验节点的概率信息表示为，
[0025][0026]
步骤六、变量节点判决与迭代停止准则判断。
[0027]
在第k次迭代当中，计算变量节点的后验概率消息，表示为，
[0028][0029]
以d代表判决结果，则根据变量节点的后验概率消息能够判决得到
[0030][0031]
在第k次迭代完成后，计算判决结果是否满足校验方程h
·dt
＝0，当校验方程成立时，代表译码结束，本次迭代的判决结果即为译码输出y；否则，译码失败，译码过程转入步骤四,并重复步骤四到六。当达到最大迭代次数时仍未出现满足校验方程的判决结果，则停止译码，最后一次迭代产生的判决结果作为译码输出。由于擦除置零对于干扰的抑制作用和ldpc码译码器的纠错检错能力，每次迭代的译码结果将逐渐接近于原始值，从而使得误码率降低，提升译码的可靠性和抗干扰性能。
[0032]
有益效果：
[0033]
1、本发明公开的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法，相比turbo码和polar码选用ldpc码作为信道编码方案，采用并行迭代译码算法，提高系统的并行处理能力，增大吞吐量，结构简单，易于实现。
[0034]
2、本发明公开的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法，在传统的跳频发射机基础上添加了分集模块，通过码字复制重传，降低了信道非理想特性的影响，提升系统的抗衰弱能力。
[0035]
3、本发明公开的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法，在传统的跳频接收机的基础上，通过相干合并，增大各比特所携带的初始软信息大小，提升其作为译码器输入的可靠性，同时提升译码器的译码准确性。此外，相干合并能够补偿部分因抑制干扰而被置零的比特软信息，降低系统译码时延。
附图说明
[0036]
图1是本发明公开的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法流程示意图；
[0037]
图2是本发明实施例所述的一种基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法的系统框图；
[0038]
图3是本发明实施例所述的参考ccsds 131.1-0-1标准中(512,256)码型，基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰(cdaj)方法与传统的基于ldpc信道编码的跳频抗干扰方法的ber性能曲线对比图。
具体实施方式
[0039]
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0040]
为使本发明的目的、技术方案和优点更易理解，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。本实施例为针对美国深空通信ccsds 131.1-0-1标准中(512,256)ldpc码型的于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰方法，本实施例中系统参数如下表所示：
[0041]
参数详情每帧符号数512码率1/2打孔方式校验位末128位调制方式bpsk信道模型混合信道译码器最大迭代次数20分集集数2补偿反馈迭代次数10修正比例因子0.5
[0042]
如图2所示，本实施例公开于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰(cdaj)系统框图，用于实现基于信道编码辅助的跳频码字信息辅助修正抗干扰(cdaj)方法。所述基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰系统主要由编码模块、分集模块、跳频模块、干扰检测模块、解跳模块、合并模块、ldpc译码判决模块组成。编码模块、分集模块和跳频模块涉及步骤一，编码模块完成原始信息序列的ldpc信道编码过程，得到编码信息，分集模块通过对发端原始信号进行分集重传，减小因信道衰弱导致的信号损失，提升系统的干扰容限，跳频模块为系统带来更大的扩频增益和较强的抗干扰性能。干扰检测模块涉及步骤二，通过干扰
检测获得实时的干扰信号的类型、能量和所在频段等信息，为后续干扰抑制奠定基础。解跳模块则是与发端的跳频模块相对应，将接收信号的载频还原到中频或者基带上。合并模块涉及步骤三。该模块将干扰抑制的接收信号进行等增益的相干合并，使得各个比特所携带的自身幅度信息累加，增大后验概率，减小信道非理想特性带来的信号损失影响。合并模块又能够在一定程度上补偿因干扰抑制而损失的比特软信息。译码判决模块涉及步骤四到步骤六，译码判决模块采用常见的最小和译码算法，提取合并模块中得到的比特序列幅值作为其初始先验概率，充当译码器输入。译码判决模块中译码器充分利用了ldpc信道编译码本身的纠错和检错能力，使得因干扰抑制而幅度置零的比特信息由零值不断向其最优解接近，增强了系统的纠错检错能力。
[0043]
如图1所示，本实施例中于基于ldpc信道编码的码字分集跳频抗干扰(cdaj)方法的具体实施步骤如下：
[0044]
步骤一、发送已通过ldpc信道编码、分集以及跳频处理后的信号。
[0045]
所述发送信号为：长度为256个符号的原始信息序列x，与生成矩阵g相乘得到编码结果c＝x
·
g，经过打孔后，编码结果c的长度为512；分集集数为2，编码结果c通过分集复制码字，得到包含2个相同的编码信息序列集合c
div
＝{c1,c2}，其中c1,c2为完全相同的编码信息序列；利用伪随机序列控制多进制频移键控，得到跳频信号f
div
＝{f1,f2}，其中f1,f2为完全相同的跳频信息序列。
[0046]
步骤二、接收步骤一发送的信号，依据干扰检测结果，确定受干扰频点，经过解跳后找到对应的受干扰比特位置，对其擦除置零以抑制干扰的影响。
[0047]
以r
div
＝{r1,r2}表示接收信号集合，其中r1,r2为接收信号集合中的信息序列。tc表示未受干扰比特集合，t表示受干扰比特集合，e
div
＝{e1,e2}表示经过擦除置零后的接收信号，其中e1,e2为接收信号集合中的信息序列。则接收信号中各比特可表示为，
[0048][0049]
步骤三、所有信号集合进行对应位置的相干合并。
[0050]
对已经过干扰抑制后的接收信号集合e中，不同信号序列中相同位置的比特幅度信息相干合并，最终得到一个信息序列g＝[g1,g2,...,g
512
]，序列中各比特gj可以表示为
[0051][0052]
译码器采用最小和译码算法，因此信息序列各比特的幅度信息能够代表其先验概率软信息，充当译码器输入。相对应地，接收端采用信息序列g作为译码输入，替代接收端的初始先验概率。
[0053]
步骤四、迭代译码，更新校验节点信息。
[0054]
在迭代译码过程当中，首先进行校验节点信息更新。
[0055]
vns表示n个变量节点vn集合，cns表示(n-k)个校验节点cn集合，r
mn
表示第n个校验节点cnn传递给第m个变量节点vnm的概率信息，q
mn
表示第m个变量节点vnm传递给第n个校验节点cnn的概率信息，rn表示与校验节点cnn相连接的所有变量节点组成的集合，cm表示与变量节点vnm相连接的所有校验节点组成的集合，rn/m表示除去目标变量节点的其余变量节点
集合，l
(k)
(r
mn
)表示更新后的校验节点传向变量节点的概率信息，l
(k)
(q
m'n
)表示第k次迭代的初始化概率消息，其数值大小即等于各比特的幅值大小，上标k代表对应的译码迭代次数。
[0056]
则在第k次迭代当中，校验节点传向变量节点的概率信息表示为，
[0057][0058]
步骤五、迭代译码，更新变量节点信息。
[0059]
以cm/n表示除去目标校验节点的其余校验节点集合，l(pm)表示变量节点vnm对应的初始概率信息，l
(k)
(q
mn
)表示更新后的变量节点传向校验节点的概率信息。
[0060]
则在第k次迭代当中，变量节点传向校验节点的概率信息表示为，
[0061][0062]
步骤六、变量节点判决与迭代停止准则判断。
[0063]
在第k次迭代当中，计算变量节点接收到的后验概率消息，表示为，
[0064][0065]
以d代表判决结果，则根据变量节点的后验概率消息能够判决得到
[0066][0067]
在第k次迭代完成后，计算判决结果是否满足校验方程h
·dt
＝0，当校验方程成立时，代表译码结束，本次迭代的判决结果即为译码输出y；否则，译码失败，译码过程转入步骤四并重复步骤四到六。当达到最大迭代次数20时仍未出现满足校验方程的判决结果，则停止译码，最后一次迭代产生的判决结果作为译码输出。由于擦除置零对于干扰的抑制作用和ldpc码译码器的纠错检错能力，每次迭代的译码结果将逐渐接近于原始值，从而使得误码率降低。在相同接收信噪比的情况下，cdaj方法能够取得优于传统跳频通信方法的译码可靠性和抗干扰性能。
[0068]
使用ber误码率作为衡量标准，在传统的基于ldpc信道编码的跳频抗干扰系统基础上引入相同分集集数的分集合并处理，通过分析其性能作为对照。如图3所示，不同的干扰比例系数p代表在信道传输过程当中，受干扰的频带范围占总体跳频频谱范围的比例。从图中可以看出，在相同分集集数z下，相比于传统的基于信道编码的跳频抗干扰系统，基于ldpc信道编码的码字分集抗干扰(cdaj)方法的引入能够带来可观的系统性能提升。以10e-6作为误码率性能指标，在干扰比例系数p＝0.1信道环境下，未结合分集合并的cdaj方法能够取得约0.5db的性能增益，并且该增益随着干扰比例和分集集数的增加而增加，系统的译码可靠性得到提升。同时，在干扰比例系数较大如p＝0.3或者p＝0.4的非理想信道环境下，系统在较低分集集数z＝2条件下就能够有效应对干扰和信号衰弱的影响。
[0069]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。