一种非正交频谱的Turbo-DFH编译码方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及在差分跳频通信系统下的一种非正交频 谱的Turbo差分跳频编译码方法。
【背景技术】
[0002] Turbo码是Berrou等在ICC'93会议上提出的。在编码端它通过将子编码器用交 织器并行级联来实现香农定理中的随机化长码的编码思想，并在译码端通过迭代译码结构 实现随机化长码的译码思想，达到了接近香农限的性能。
[0003] 典型的Turbo编码器由两个递归系统卷积码（RecursiveSystemConvolution， RSC)子编码器通过一个随机交织器级联而成，相应的译码器结构由两个软输入软输出子 译码器通过交织器与解交织器串行级联而成，其中交织器与编码器中所使用的交织器相 同。《Turbo-DHl编码调制与迭代译码》（《北京理工大学学报》2005年第25卷第11期： 981-984,作者：裴小东，何遵文，匡镜明）一文中第一次提出了一种Turbo-DHl编码调制方 法，将Turbo码与差分跳频（DifferentialFrequencyHoppong，DFH)技术相结合；结果表 明，由于采用了随机编码和软输出迭代译码，Turbo-DHl系统的误比特率性能较传统纠错编 码和误跳纠正算法的DH1系统有明显改善。
[0004] 通常在对Turbo码的性能分析时，一般都假设Turbo码的第一个分量码归零，通过 在每帧中添加与RSC1编码寄存器状态相应的尾比特就可使之归零。但是由于交织器的作 用，经过交织后的每帧尾比特一般不会与编码寄存器状态存在对应关系，因此无法使第二 个分量编码器（RSC2)归零。然而，采用第三代合作伙伴计划（3IdGenerationPartnership Project, 3GPP)中的二次排列多项式（QuadraticPolynomialPermutation,QPP)交织器 (《36??13 36.212￥10.6.0》2012年6月：13-14)作为1\1吐〇-0冊系统的交织器，经测试， 在特定的反馈系数下，能实现在RSC1归零的同时使RSC2也归零，即双归零技术。双归零技 术可以使译码后向递推因子和前向递推因子有可靠的初始值，提高了码字的自由距离，提 高了Turbo-DHl系统的误码率性能。
[0005] 裴小东在博士论文《短波差分跳频关键技术研宄》（裴小东，北京理工大学，2005) 中提出了Turbo-DHl系统编译码过程，具体步骤如下：
[0006] 发射端A
[0007] 步骤A-1.信号组帧：信源发送周期为Tb的信息比特序列，组成每帧长为K比特的 帧信号uk，其中每帧最后N个比特是根据相应RSC1的寄存器状态来添加的，为了使RSC1归 零，其中N是RSC寄存器的个数；
[0008] 步骤A-2.Turbo编码：将步骤A-1生成的帧信号uk送入RSC1，根据寄存器状态映 射到频率状态函数得到频点标号序列ak，同时将步骤A-1生成的帧信号uk送入K位3GPP 中的QPP交织器，得到交织后的帧信息送入RSC2,然后根据寄存器状态映射到频率状态函 数得到频点标号序列bk;将频点序列ak和频点序列bk同时送入二进制启闭键控（On-Off Keying，00K)进行复用，生成帧长为2K，周期为Tb/2频点标号序列akbk;
[0009] 步骤A-3.调制信号生成：将步骤A-2生成的频点标号序列akbk送入直接数字频 率合成器Oirect Digital Synthesizer，DDS)，DDS根据频点标号按照相邻频点间隔为2/ Tb (Hz)生成调制频率信号。
[0010] 接收端B
[0011] 步骤B-1.信号解调：将接收到的每帧时刻信号经采样得到M个采样值后，通过快 速傅里叶变换（FastFourierTransformation，FFT)并取模平方（用|FFT|2表示）得到 观测空间的随机向量4BiA2B2…AKBK，其中Ak= (AuA』，…，Ak,M)T，Bk= (BwBw，… ，Bk，M)T，K是帧长，k是帧时刻，k= 1，2,…，K，T是转置符号，Ak，j和Bk，」表示一帧中第k时 刻信号中第j个频点的能量值；M是频率集中频点的个数，且M= 2N，N>0,N是RSC中寄存 器的个数，1 <j<M;
[0012] 步骤B-2.Turbo译码：将步骤B-1得到的信号AiA2B2…AKBK经过00K解复 用成4A2…AjPBiB2…BK并分别送入两个子译码器，而这两个子译码器又分别通过K位3GPP中的QPP交织器和相应的解交织器串行级联而成；将解复用送入子译码器的信号向 量都表示为Y=化，」：1彡i彡K，1彡j彡M}，其中Yi;j彡0是第i跳信号经过|FFT| 2得 到的对应于频率集中的第j个频点的能量值；两个子译码器分别接收到K跳向量信号，就进 行迭代译码，其中子译码器相关算法如下：
[0013] (1)前向递推
[0014] 初始化：假如每帧下RSC子编码器中的寄存器初始状态为0,那么前向递推的初始 值为
[0015]
[0016] Alpk(S)表示k跳下寄存器状态为s的前向路径度量值。
[0017] 如果RSC子编码器中的寄存器初始状态不为0,则有Alp。(s)=0。
[0018] 对于第k=1，2,…，K，有定义式
[0019]
[0020] 其中s是当前跳的状态变量，s'是前一跳的状态变量，(夂表示k-1跳下由 Uk引起的s' -S的前向递推计算中的分支度量值;A是调制信号的幅度值常量，N。是高斯 白噪声的单边功率谱密度，而IJ?)是第一类零阶修正贝塞尔函数，其可用下式近似计算：
[0021]
[0022] 其中ln(P(uk))是迭代译码过程中，前一个子译码器提供的先验对数似然比信息； uk表示第k跳时信源输出的信息值，由于信源输出信息是二进制比特信号，所以uk只能是0 或1 ;对子译码器1的In(P(uk))可以近似为
[0023]
[0024] 其中L_e21(uk)表示子译码器2输出到子译码器1的外信息，L_el2(uk)表示子译 码器1输出到子译码器2的外信息；同理可得到子译码器2的先验对数似然比信息；其中
[0025] 然后对第k= 1，2,…，K，根据上面的公式可以计算前向迭代：
[0026]
[0027] 最后对Alpk(s)进行归一化，防止内存溢出，得到Alp' k(s):
[0028]
[0029] (2)后向递推
[0030] 初始化：假如每帧下RSC子编码器中的寄存器状态归零，后向递推的初始值为
[0031]
[0032] 其中，Betk(s)表示k跳下寄存器状态为s的后向路径度量值。
[0033] 如果RSC子编码器中的寄存器没有进行归零处理，则有BetK(s) =0。
[0034] 对于第k = 1，2,…，K，有定义式
[0035] \
'J y
[0036] 其中，表示k跳下由uk引起的s'-s的后向递推计算中的分支度量值； 然后对k= 1，2,…，K，根据上面的公式可以计算后向迭代：
[0037]
[0038] 最后对Betk(s)进行归一化，防止内存溢出，得到Belk(s):
[0039]
[0040] (3)后验对数似然比
[0041] 首先对k= 1，2,…，K，有定义式
[0042]
[0043] 其中rk(s'，s)表示k跳下由uk引起的s' -s的后验对数似然比计算中的分 支度量值；然后由下式得到传输符号的后验对数似然比：
[0044]
[0045] 其中LjUk)和L2(uk)分别是子译码器1和子译码器2的后验对数似然比值，最后 由下面的规则根据子译码器2的后验对数似然比经过解交织器后对信源输出的估计值< 进行判决
[0046]
[0047] 其中L' 2(uk)是1^2(%)通过解交织器得到的；当前译码器提供给下一个译码器的 先验彳目息L_e21(uk)、L_el2(uk)可以表不为
[0048]
[0049] 其中L_el2' (uk)通过交织器得到L_el2(uk)，而L_e21' (uk)通过解交织器得到 L_e21 (uk) 〇
[0050] 按照上述算法进行迭代运算，迭代完成后根据得到的后验对数似然比译码输出。
[0051] 然而，在应用中由于Turbo-Dra系统编译码过程中使用了DH1技术，会占用很宽的 频谱，因而频带资源成为制约其进一步发展的瓶颈。
【发明内容】
[0052] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种非正交频谱的Turbo差分跳频编译 码方法。该方法主要是在限定的频带宽度中，通过非正交频谱技术提高了相同带宽中的频 点个数，利用其编码增益大于非正交频谱泄露带来的影响，改善Turbo-DHl系统的性能。
[0053] 本发明的技术方案如下：
[0054] 一种非正交频谱的Turbo-DHl编译码方法，包括信号组帧、Turbo编码、调制信号 生成、信号解调、Turbo译码的步骤，其特征在于，所述信号组帧步骤中增加n个寄存器，n 为正整数，即RSC寄存器的个数为N+n ;所述调制信号生成步骤中设定相邻频点间隔为1/ (Hz)，即输出信号的频点个数变为原来的2n倍；所述信号解调步骤中在接受到的 每个频率采样的M个采样点信号后添加（2n-l)*M个零，再通过|FFT|2取其前M个值（其中 M是频率集中频点的个数），得到观测空间的随机向量，最后进行译码输出。
[0055] 本发明提供的一种非正交频谱的Turbo-DHl编译码方法，具体包括以下步骤：
[0056] 发射端A
[0057] 步骤A-1信号组帧：信源发送周期为Tb的信息比特序列，组成每帧长为K比特帧 信号uk，其中每帧中最后N+n个比特是根据相应RSC1的寄存器状态来添加的，为了使RSC1 归零；其中N是正交情况下的RSC寄存器个数，n是相同带宽下从正交到非正交增加的RSC 寄存器个数（同时也意味着非正交因子Rp=l/2n);
[0058] 步骤A-2Turbo编码：将步骤A-1生成的帧信号uk送入RSC1进行1/2 "非正交处 理，即RSC1寄存器状态个数变为原来的2n倍，RSC1根据寄存器状态到频率状态映射函数输 出帧长为K的频点标号序列ak，同时将步骤A-1生成的帧信号uk送入K位3GPP中的QPP交 织器，得到交织后的帧信息送入RSC2进行l/2n非正交处理，即RSC2寄存器状态个数变为 原来的2"倍，然后根据寄存器状态到频率状态映射函数得到频点标号序列bk;将频点标号 序列ak和频点标号序列bk同时送入二进制启闭键控进行复用，生成帧长为2K、周期为Tb/2 的频点