一种基于软判决的FSK通信方法及系统与流程

本发明涉及fsk通信，具体涉及一种基于软判决的fsk通信方法及系统。

背景技术：

1、自20世纪初，短波通信一直是军事通信的重要组成部分。短波通信因其传输距离远、无需中继站、抗毁能力强、设备价格低廉、机动灵活、建站快、可用于恶劣环境传输等优点，一直在军用通信中占有重要地位。但由于短波信号传输主要依赖电离层反射，所以信道质量受电离层变化和噪声影响较大，存在多径效应，多普勒扩展等影响，具体表现在信道频率选择性衰落明显。

2、数字频移键控调频信号(fsk)是常见的数字信号调制方式，广泛应用于短波等中低速数据通信。国际电信联盟(itu)建议在数据速率低于1200b/s时采用fsk调制。基于短波自适应通信标准mil-std-188-141b附录a中的第二代自动链路建立技术(2g-ale)采用的数字信号调制方式为8fsk信号。fsk信号的解调方式有相干解调与非相干解调，相干解调需要接收端恢复载波，对相位有一定要求，然而短波信道下信号接收会导致信号的相位和振幅随机抖动和起伏，所以针对短波信道下的fsk信号接收可以采用不用相位准确性的非相干解调。

3、编码技术可以提升通信系统的性能，能够纠正信息传输中产生的错误比特，传统的fsk通信系统不采用编码技术，或是仅仅在应用层对数据进行编码，接收端采用硬判决信息进行译码，因此并不能完全利用信道编码带来的增益。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于软判决的fsk通信系统，解决了在接收端复杂度增加不明显的前提下，系统通信速率无法得到有效提升的问题。

2、技术方案：一方面，本发明提供基于软判决的fsk通信方法，该方法包括发送端的发送信号的数据部分经过turbo编码器进行turbo编码，数字频率调制器即fsk调制器对发送信号的物理层波形调制，并将发送信号输入到上变频，后发送给天线；

3、接收端的天线接收信号后，发送给下变频，后采用维特比译码方法计算出各个比特的分支度量，即得到每个比特的软信息，利用该软信息进行turbo译码，得到译码后的信息比特流，进而得到接收信号。

4、进一步的，包括：

5、所述发送信号为m进制脉冲幅度调制信号，即pam信号，表示为：

6、

7、其中，in∈{±1，±3，±5，…，±(m-1)}，m为调制阶数，gt(t)是持续时间为t，脉冲幅度为1/2t的矩形脉冲，t为码元宽度。

8、进一步的，包括：

9、所述采用fsk调制器对发送信号的物理层波形调制包括：调制为m进制连续频移键控信号，即cpfsk信号，表示为：

10、

11、其中，fc为载波频率，fd为峰值频偏，in＝±1时对载波的频偏，为初相；

12、

13、且θ(t；i)用来表示s(t)的相位中扣除载波相位的附加相位；

14、虽然pam信号表达式x(t)是不连续的，但是其积分具有连续性，因此θ(t；i)在nt≤t≤(n+1)t间隔内是一个连续相位信号，因此，在时间区间[nt，(n+1)t]内，附加相位为，

15、

16、式中，

17、h＝2fdt

18、

19、

20、其中，参数h称为调制指数，θn表示nt时刻的累加相位，即nt之前所有信息符号的记忆值；

21、累加相位θn的所有可能值用一个有限的离散集合来表示，称为相位状态，cpfsk信号的相位状态可以表示为状态网格图，对于调制指数为h的cpfsk信号，当h为有理数时，可表示为h＝m/p，m和p为互质的正整数，相位状态的个数与m的奇偶有关；

22、当m为偶数时，θn有p个相位状态，

23、

24、当m为奇数时，θn有2p个相位状态，

25、

26、进一步的，包括：

27、所述维特比译码方法包括：

28、若cpfsk信号通过加性高斯白噪声信道，在忽略频率偏移的情况下，接收到的信号表示为r(t)＝s(t)+n(t)，其中，s(t)为发送的cpfsk信号，n(t)为高斯白噪声，因此，在发送端，不同的信息符号i对应不同的发送信号sm(t)，m＝1，2，...，m；

29、在加性高斯白噪声信道下，似然函数(即条件概率密度函数p(r(t)/s(t)))f(r(t)/s(t))为

30、p(r(t)/sm(t))＝f(r(t)/sm(t))

31、

32、将似然函数f(r(t)/sm(t))作为分支度量，根据最大似然判决准则，运用维特比算法即可得到解调信号。

33、进一步的，包括：

34、所述维特比算法即可得到解调信号包括：

35、若cpfsk信号为2cpfsk信号，假设信息码元“0”对应的频率为f0，发送信号为s0(t)，信息码元“1”对应的频率为f1，发送信号为s1(t)，则发送信号s0(t)和发送信号s1(t)的似然函数为：

36、

37、其中，r(t)表示接收到的信号，σn2表示噪声方差；

38、信息码元“0”和信息码元“1”的对数似然比，即软判决信息为：

39、

40、

41、因此，对应的软判决信息，即“1”比“0”的对数似然比，为信息码元“1”对应的分支度量减去信息码元“0”对应的分支度量。

42、进一步的，包括：

43、采用高阶fsk调制时，通过逐位求取软信息的方式计算比特软信息，即若cpfsk信号为4cpfsk信号，则假设信息码元“00”对应的频率为f0,发送信号为s0(t)，信息码元“01”对应的频率为f1，发送信号为s1(t)，信息码元“10”对应的频率为f2，发送信号为s2(t)，信息码元“11”对应的频率为f3，发送信号为s3(t)，相应的似然函数为，

44、

45、第一位对数似然比(1x/0x)为

46、

47、

48、为了方便取对数，将两个似然函数的和用两个似然函数中的最大值取代，则对数似然比近似为：

49、

50、第二位对数似然比(x1/x0)为

51、

52、依据2cpfsk和4cpfsk计算对数似然比的方法类推，得到8cpfsk信号的软判决信息推导，第一位对数似然比(1xx/0xx)为

53、

54、

55、第二位对数似然比(x1x/x0x)为

56、

57、第三位对数似然比(xx1/xx0)为

58、

59、进一步的，包括：

60、所述利用该软信息进行turbo译码包括：采用交替迭代siso译码技术，利用对数似然比进行turbo软译码。

61、另一方面，本发明提供一种基于软判决的fsk通信系统，该系统包括：

62、发送端和接收端，所述发送端包括turbo编码器、fsk调制器、上变频和发射天线；所述接收端包括：接收天线、下变频、维特比译码模块以及turbo译码模块，

63、发送信号的数据部分经过所述turbo编码器进行turbo编码，所述fsk调制器对发送信号的物理层波形调制，并将发送信号输入到上变频，后发送给发射天线；

64、接收天线接收信号后，发送给下变频，后采用维特比译码模块计算出各个比特的分支度量，得到每个比特的软信息，turbo译码模块利用该软信息译码，进而得到接收信号。

65、进一步的，包括：

66、所述维特比译码模块包括：

67、若发送信号为cpfsk信号且其通过加性高斯白噪声信道，在忽略频率偏移的情况下，接收到的信号表示为r(t)＝s(t)+n(t)，其中，s(t)为发送的cpfsk信号，n(t)为高斯白噪声，因此，在发送端，不同的信息符号i对应不同的发送信号sm(t)，m＝1，2，...，m；

68、在加性高斯白噪声信道下，似然函数(即条件概率密度函数p(r(t)/s(t)))f(r(t)/s(t))为

69、

70、将似然函数f(r(t)/sm(t))作为分支度量，根据最大似然判决准则，运用维特比算法即可得到解调信号。

71、进一步的，包括：

72、所述维特比算法即可得到解调信号包括：

73、若cpfsk信号为2cpfsk信号，假设信息码元“0”对应的频率为f0，发送信号为s0(t)，信息码元“1”对应的频率为f1，发送信号为s1(t)，则发送信号s0(t)和发送信号s1(t)的似然函数为：

74、

75、其中，r(t)表示接收到的信号，σn2表示噪声方差；

76、信息码元“0”和信息码元“1”的对数似然比，即软判决信息为：

77、

78、因此，对应的软判决信息，即“1”比“0”的对数似然比，为信息码元“1”对应的分支度量减去信息码元“0”对应的分支度量。

79、有益效果：fsk系统具有很强的抗干扰能力，通过编码可以进一步提升系统对信道传输错误的抵抗力，进一步提升通信系统的通信速率。在接收端已经维特比译码计算出的结果，按照本发明的方法得到比特软信息，与传统的硬判决解调相比，可以进一步降低误码率。