專利名稱：Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)線和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用BPSK調(diào)制的Turbo碼的迭代解調(diào)解碼方法及裝置。
背景技術(shù)：
無(wú)線和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，傳輸比特受信道隨機(jī)噪聲的影響而產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤。理論和實(shí)踐證明，通過(guò)引入冗余度來(lái)提供傳輸可靠性的糾錯(cuò)編碼方法是一類行之有效的手段。而近年來(lái)引入的Turbo碼是至今發(fā)現(xiàn)的糾錯(cuò)能力最強(qiáng)的編碼方案之一。
Turbo碼由C.Berrou等于1993年提出[C.Berrou，A.Glavieux，and P.Thitimajshima，“Near Shannon limit error-correcting coding and decodingTurbo-codes，”in ICC’93，Geneva，Swithzerland，May，1993，pp.1064-1070]，它被認(rèn)為是近年來(lái)編碼理論取得的最大進(jìn)展之一。在高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise-AWGN)信道下Turbo碼在誤碼率為10-5時(shí)以0.7dB的信噪比逼近于香農(nóng)(Shannon)容量極限。對(duì)于衛(wèi)星信道，由于功率受限，降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作信噪比無(wú)疑是至關(guān)重要的，引入Turbo編解碼技術(shù)能很好地解決衛(wèi)星信道功率受限的缺點(diǎn)。
C.Berrou僅考慮了高斯白噪聲(AWGN)信道的解碼算法，這在實(shí)際無(wú)線和衛(wèi)星通信中是不夠的。在實(shí)際信道下，編碼數(shù)字信號(hào)一般需進(jìn)行調(diào)制進(jìn)行發(fā)送，這就要求收發(fā)兩端有相同的頻率發(fā)生器。但是由于實(shí)際器件的非理想特性，還特別由于傳輸媒介的時(shí)變衰落等特性，使得收發(fā)的調(diào)制信號(hào)的頻偏和相位實(shí)際上在很大程度是未知的，這就要求接收機(jī)進(jìn)行信道估計(jì)和跟蹤以消除未知頻偏和相位對(duì)發(fā)送信號(hào)的影響。這樣，如何去除未知信道參數(shù)影響從而對(duì)Turbo碼進(jìn)行解碼是廣受人們關(guān)注的研究熱點(diǎn)。該問(wèn)題的困難在于Turbo碼工作的信噪比要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)條件下的信噪比，而事實(shí)上在低信噪比下如何精確估計(jì)和跟蹤信道參數(shù)本身就是一大難題。
在衛(wèi)星與無(wú)線通信中，典型的信道未知參數(shù)為頻率偏移(頻偏)和載波相位。傳統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)是采用鎖相環(huán)技術(shù)。由于極低信噪比下(如AWGN下Turbo碼所能工作的信噪比)的通信的特殊性，傳統(tǒng)算法一般不能工作?？赡艿慕鉀Q方案是放棄以前信道估計(jì)和信道譯碼各自獨(dú)立的特性而代之以聯(lián)合迭代解調(diào)解碼，使得信道估計(jì)能夠充分利用編碼提供的冗余度。
綜合目前國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)，在未知相位信道下Turbo碼的解調(diào)解碼方法主要有5種方法一[吳曉富，凌聰，呂晶，未知相位信道下Turbo編碼的迭代解調(diào)解碼算法，電子學(xué)報(bào)，2002年第一期]系統(tǒng)采用Turbo碼加差分相位調(diào)制的方案，基于提出的未知相位信道下的差分相位調(diào)制的最佳非相干MAP算法，可用迭代解調(diào)解碼的思路使得性能隨迭代而提高。當(dāng)系統(tǒng)在下列條件下采用BDPSK調(diào)制，非相干MAP狀態(tài)數(shù)取32，Turbo碼采用16狀態(tài)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，幀長(zhǎng)取2048，仿真表明系統(tǒng)在3.2dB時(shí)17次迭代能達(dá)到10-5以下，該算法對(duì)頻偏有較好的魯棒(Robust)性。但缺點(diǎn)在于采用差分編碼與Turbo碼串行級(jí)聯(lián)的方案部分破壞了Turbo碼的結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)性能有較大幅度的下降，而且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，很難用現(xiàn)有的FPGA器件實(shí)現(xiàn)。
方法二[G.Colavope，“Noncoherent Iterative(Turbo)Decoding，”IEEE Trans.Commun.，vol.48，no.9，Sept.2000，pp.1488-1498]Colavolpe提出的未知相位信道下Turbo碼非相干序列迭代檢測(cè)。該算法沒(méi)有引進(jìn)差分結(jié)構(gòu)，而直接對(duì)接收的Turbo碼信號(hào)(BPSK調(diào)制)采用非相干MAP算法，相比于我們提出的非相干MAP算法，該算法作了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，即所謂的軟非相干序列檢測(cè)算法。由于該算法沒(méi)有破壞Turbo碼的結(jié)構(gòu)，性能較好。但缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮頻偏效應(yīng)，而且實(shí)現(xiàn)時(shí)復(fù)雜度仍較高。
方法三[A.Anastasopoulos，and K.M.Chung，“Adaptive Iterative Detection for PhaseTracking in Turbo-Coded Systems，”IEEE Trans.Commun.，vol.49，no.12，Dec.2001，pp.2135-2144]Anastasopoulos提出了對(duì)Turbo編碼調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行相位跟蹤的迭代檢測(cè)算法，利用PSP(Per-Survivor-Processing)算法對(duì)每一條路徑加以相位參數(shù)的跟蹤，初始相位靠發(fā)送導(dǎo)頻碼獲得。該算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單性能良好，但仍然沒(méi)有考慮頻偏所帶來(lái)的影響。由于頻偏的非線性特性，該算法一般不能很好地工作(原算法主要基于相位的線性特性)。
方法四[W.Oh，and K.Cheun，“Joint decoding and carrier phase recovery algorithm forturbo codes，”IEEE.Commun.Lett.，vol.5，no.9，2001，pp375-377]Wangrok提出的聯(lián)合相位恢復(fù)解碼算法，將信道相位進(jìn)行量化，從而將信道估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)變成一檢測(cè)問(wèn)題，利用最佳量化相位下Turbo碼解碼輸出的軟信息(對(duì)數(shù)似然比LLR)的絕對(duì)值最大原則可完成信道未知相位的檢測(cè)。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性能好，作者還提出了基于幀間的頻偏估計(jì)算法。但是其容忍的頻偏為傳輸碼率的100ppm，而且相位在一幀間要保持恒定，顯然很難滿足衛(wèi)星與無(wú)線通信的要求。
方法五[I.Bar-David，and A.Elia，“Augmented APP(A2P2)Module for a PosterioriProbability Calculation and Channel Parameter Tracking，”IEEE Commun.Lett.，vol.3，no.1，Jan.，1999，pp.18-20]Bar-David提出了信道存在未知頻偏和相位下Turbo編碼系統(tǒng)的解調(diào)解碼方法。其構(gòu)架是在原有Turbo碼子碼APP模塊的基礎(chǔ)上再有機(jī)地將信道跟蹤模塊結(jié)合進(jìn)去，形成所謂的增強(qiáng)的APP(A2P2)解碼模塊。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性能良好。但缺點(diǎn)是原文獻(xiàn)好多關(guān)鍵技術(shù)含糊不清，并且信道參數(shù)初始估計(jì)問(wèn)題并沒(méi)很好解決。另外，對(duì)于第二個(gè)子碼，由于交織器及反交織器的介入，信道參數(shù)對(duì)所傳送的系統(tǒng)信息比特的影響關(guān)系與第一個(gè)子碼不再對(duì)等(即被交織打亂)，如何計(jì)算編碼系統(tǒng)信息比特的度量對(duì)第二個(gè)子碼的A2P2解碼模塊運(yùn)行至關(guān)重要，但文獻(xiàn)沒(méi)有提及。
對(duì)以上方案的分析表明，全面考慮信道頻偏和相位未知情形下的Turbo碼解調(diào)解碼問(wèn)題并沒(méi)很好解決。頻偏和可實(shí)現(xiàn)性(考慮現(xiàn)有的硬件FPGA、CPLD支持)問(wèn)題是關(guān)鍵。方案五是其中較優(yōu)的選擇，其全面考慮了頻偏和相位的跟蹤問(wèn)題，且就實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度來(lái)看利用已有的FPGA或CPLD器件是可實(shí)現(xiàn)的。剩下的問(wèn)題在于初始參數(shù)的捕獲問(wèn)題和第二個(gè)子碼增強(qiáng)APP模塊運(yùn)行所必須解決的如何計(jì)算系統(tǒng)信息比特所對(duì)應(yīng)的度量的問(wèn)題，這將在后面進(jìn)一步說(shuō)明。
典型的Turbo-code的編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。它通常由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的遞歸系統(tǒng)卷積(RSC)(通常稱為子碼)編碼構(gòu)成，RSC1直接對(duì)進(jìn)入的信息序列進(jìn)行編碼，得校驗(yàn)序列y1k；同時(shí)，將信息序列dk通過(guò)交織器交織后的序列dn送往RSC2進(jìn)行編碼，得到校驗(yàn)位y2k，Turbo-code碼字就是由信息序列xk后接兩路校驗(yàn)序列構(gòu)成。子編碼器所產(chǎn)生的校驗(yàn)位(y1k，y2k)可經(jīng)不同刪截矩陣刪取后得到不同碼率的Turbo碼。
Turbo-code迭代譯碼結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由兩個(gè)軟入軟出模塊(Turbo碼的子譯碼器)組成，子譯碼器用來(lái)對(duì)選定的Turbo碼中的RSC子碼進(jìn)行譯碼。子譯碼器1將子譯碼器2獲得的信息比特dk的外信息 作為dk先驗(yàn)信息來(lái)對(duì)RSC1進(jìn)行譯碼，獲得關(guān)于dk改進(jìn)的外信息Λ1e(dk)，經(jīng)交織后得到 作為子譯碼器2對(duì)RSC2譯碼的先驗(yàn)信息。子譯碼器2用與子譯碼器1同樣的方法再次產(chǎn)生信息比特改進(jìn)的外信息Λ2e(dj)，經(jīng)去交織后得到 作為下一次迭代中子譯碼器1的先驗(yàn)軟值。這樣在多次迭代后，對(duì)子譯碼器2產(chǎn)生的輸出Λ2(dj)去交織后進(jìn)行硬判決，得到每個(gè)信息比特dk的估值 由解碼結(jié)構(gòu)可知，AWGN信道下Turbo碼的解碼關(guān)鍵是子譯碼器的軟入軟出模塊，在文獻(xiàn)中，該模塊有各種不同的叫法，如BCJR算法、MAP算法，APP算法。下面采用APP算法的描述方法?；诰W(wǎng)格邊(Edge)的APP算法的一種推導(dǎo)見(jiàn)文獻(xiàn)[Benedetto，“A Soft-Input Soft-Output APP Module for Iterative Decoding of ConcatenatedCodes，”IEEE Commun.Lett.，vol.1，no.1，Jan.，1997，pp.22-24]。
文獻(xiàn)[P.Robertson，E.Villebrun，and P.Hoeher，“A comparison of optimal and sub-optimal MAP decoding algorithms operating in the log domain，”in IEEE Int.Conf.onCommunications(Seatle，WA，June 1995)，pp.1009-1013]表明可將MAP算法步驟轉(zhuǎn)到Log域(即所謂的Log-MAP算法)，從而可以用加法和查表來(lái)代替原MAP算法中的大量乘法運(yùn)算，目前實(shí)際的FPGA實(shí)現(xiàn)普遍采用基于Log域的算法。
下面對(duì)基于Log域的APP算法原理采用Benedetto的詮釋加以介紹，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際參數(shù)信道下的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的解碼算法加以說(shuō)明。
假設(shè)RSC子碼為碼率為k0/n0的二進(jìn)制卷積碼。下面約定大寫(xiě)的U，C，S，E代表隨機(jī)變量，小寫(xiě)的u，c，s，e代表相應(yīng)的每次實(shí)現(xiàn)；用小寫(xiě)的k代表離散的時(shí)間，該時(shí)間取值于離散時(shí)間集K；字母I，O代表APP模塊的輸入輸出。
這樣，基于Log域的APP模塊可描述如下1、輸入U(xiǎn)＝(Uk)k∈K表示一串輸入符號(hào)序列，對(duì)應(yīng)于Turbo碼子碼編碼器的輸入信息比特(如對(duì)RSC1子碼，則對(duì)應(yīng)于圖1中的dn)。對(duì)碼率為k0/n0的一般情形，每一個(gè)輸入符號(hào)Uk由k0個(gè)信息比特組成Ukj，j＝1，2，Λ，k0，其實(shí)現(xiàn)uj∈{+1，-1}。這樣，該符號(hào)序列的先驗(yàn)信息分布的Log域表示為Λ(u；I)＝(Λk(u；I))k∈K，其中，Λk(u;I)=Σj=1k0Λk(uj;I),]]>該數(shù)值一般來(lái)自于另一APP模塊的輸出外信息。
2、輸出C＝(Ck)k∈K表示一串輸出符號(hào)(即編碼)序列，對(duì)應(yīng)于Turbo碼子碼編碼器的輸出信息比特(如對(duì)RSC1子碼，則對(duì)應(yīng)于編碼后的輸出(xk，y1k))。對(duì)碼率為k0/n0的一般情形，每一個(gè)輸出符號(hào)Ck由n0個(gè)比特組成Ckj，j＝1，2，Λ，n0，其實(shí)現(xiàn)cj∈{+1，-1}。這樣，該符號(hào)序列的先驗(yàn)概率分布的Log域表示為Λ(c；I)＝(Λk(c；I))k∈K，其中，Λk(c;I)=Σj=1n0Λk(cj;I),]]>該數(shù)值即是所謂的分支度量，一般是通過(guò)接收的樣本進(jìn)行計(jì)算而得。
3、網(wǎng)格描述(Trellis Section)如圖3，取時(shí)刻k到k+1的網(wǎng)格段來(lái)說(shuō)明，狀態(tài)空間S＝{s1，...sN}(如時(shí)刻k的狀態(tài)Sk＝s，s∈S)，網(wǎng)格段的邊由卡氏積給出E=S×U={e1,e2,Λ,eN-N1}]]>，表示相鄰兩時(shí)刻間狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的所有可能性。這樣，對(duì)于每一條邊可賦予起始狀態(tài)sS(e)，終止?fàn)顟B(tài)sE(e)，輸入符號(hào)u(e)，輸出符號(hào)c(e)。這些符號(hào)間的具體關(guān)系取決于給定的遞歸卷積子碼。
4、APP算法的目的是根據(jù)輸入的先驗(yàn)信息Λ(u；I)及分支度量Λ(c；I)計(jì)算外信息Λ(u；O)及Λ(c；O)。首先計(jì)算前后向的跟狀態(tài)有關(guān)的度量(Log域)前向度量(FSM)Ak(s)=Σe:sE(e)=s⊕{Ak-1[sS(e)]+PRk+BMk----(1)]]>后向度量(RSM)Bk(s)=Σe:sS(e)=s⊕{Bk+1[sE(e)]+PRk+1+BMk+1----(2)]]>其中，PRk=Σi=1k012ui(e)Λk[ui;I]]]>表示先驗(yàn)信息度量，BMk=Σi=1n012ci(e)Λk[ci;I]]]>表示支路度量(Branch Metric，BM)，而運(yùn)算Σe=1N⊕{Λe}=E(Λ1,Σe=2N⊕{Λe}),]]>且E(Λ1，Λ2)＝max(Λ1，Λ2)+fc(|Λ1-Λ2|)，后面我們稱之為E運(yùn)算符，而fc(x)＝log(1+e-x)可用查表法簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。初始值設(shè)置為 S0為卷積碼的初始狀態(tài)，Sn為卷積碼的最終狀態(tài)。最終，在計(jì)算后向度量Bk(s)的同時(shí)輸出外信息(APP)Λk(cj；O)＝LPk(cj＝+1；O)-LPk(cj＝-1；O)(3)Λk(uj；O)＝LPk(uj＝+1；O)-LPk(uj＝-1；O)(4)其中，LPk(cj;O)=Σe:Ckj(e)=cj⊕{Ak-1[sS(e)]+Σi=1k012ui(e)Λk[ui;I]+Σi=1i≠jn012ci(e)Λk[ci;I]+Bk[sE(e)]}---(5)]]>LPk(uj;O)=Σe:Ckj(e)=cj⊕{Ak-1[sS(e)]+Σi=1i≠jk012ui(e)Λk[ui;I]+Σi=1n012ci(e)Λk[ci;I]+Bk[sE(e)]}---(6)]]>由(1-6)可知，要求出Λk(uj；O)，Λk(cj；O)，必須知道Λk(uj；I)，Λk(cj；I)。其中Λk(uj；I)實(shí)際即是信息比特的先驗(yàn)信息(Prior Information)，迭代時(shí)是由上一級(jí)RSC的解碼模塊提供的外信息，需要計(jì)算的是分支度量Λk(cj；I)，這在AWGN信道下可由接收的信道采樣直接提供，如對(duì)子碼碼率為1/2而Turbo碼不加刪截則形成的Turbo碼最終速率為k0/n0(k0＝1，n0＝3)的情形，假設(shè)系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制，則圖1所示的編碼比特輸出(xk，y1k，y2k)復(fù)接成BPSK信號(hào)流ckj，j＝1，2，3(對(duì)應(yīng)關(guān)系為ck1=2xk-1,ck2=2y1k-1,ck3=2y2k-1),]]>則接收到的BPSK信號(hào)由于AWGN的影響可表示為rv=ckj+wv,j=1,2,Λn0;v=kn0+j;k∈K----(7)]]>其中wv為均值為0，方差為σ2的高斯白噪聲。設(shè)Lc＝2/σ2，則Λk(cj；I)＝Lcrv，j＝1，2，Λn0；v＝kn0+j；k∈K。(8)現(xiàn)在考慮實(shí)際的參數(shù)未知信道，假設(shè)系統(tǒng)仍采用BPSK調(diào)制，由于頻偏和相位未知，接收到的信號(hào)匹配濾波(每符號(hào)采樣一次)后最佳采樣復(fù)輸出為r~v=x~v+iy~v]]>( 表示I支路， 表示Q支路)并可表示為r~v=hvckj+wv,j=1,2,Λn0;v=kn0+j;k∈K----(9)]]>hv＝exp(jvΩ+Φ0)其中，Ω，Φ0分別代表信道頻偏和初始相位。一般來(lái)說(shuō)，信道頻偏和相位是隨時(shí)間緩慢變化的(即不但需要初始估計(jì)而且需要跟蹤)。顯然，如何計(jì)算(8)是需要解決的問(wèn)題，其中一種解決途徑是在APP算法框架下引入?yún)?shù)估計(jì)和跟蹤機(jī)制。
Bar.Darvid提出的A2P2模塊很好地解決了BPSK調(diào)制下RSC子碼的聯(lián)合參數(shù)跟蹤和軟入軟出功能。增強(qiáng)的APP模塊(A2P2)工作原理可用圖5來(lái)說(shuō)明1、信道參數(shù)跟蹤(CPE)模塊CPE(Channel Parameter Estimation)模塊通過(guò)對(duì)輸入的信道采樣進(jìn)行處理而完成信道參數(shù)的不斷更新并輸出到CSM模塊。CPE在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)是內(nèi)嵌在APP模塊中，工作在網(wǎng)格圖中的所有邊(Edges)上，CPE在每條網(wǎng)格邊上進(jìn)行信道參數(shù)的跟蹤且其工作頻率與編碼比特的傳輸頻率一致，而APP的每條網(wǎng)格邊的更新頻率則是信息比特的傳輸頻率。對(duì)碼率為k0/n0的卷積碼，APP模塊外信息的更新頻率與網(wǎng)格邊的更新頻率一致，設(shè)其為基準(zhǔn)工作時(shí)序k(也即網(wǎng)格中的狀態(tài)更新時(shí)序)，則CPE在網(wǎng)格中隨狀態(tài)的更新時(shí)序也為k。為方便起見(jiàn)，下面設(shè)信道參數(shù)(頻偏和相位)估計(jì)值在網(wǎng)格中k時(shí)刻狀態(tài)s處的值表示為χk(s)＝(Φv(s)，Ωv(s))。另外，CPE在某一條邊上都要更新n0次。因而信道參數(shù)相對(duì)于邊的更新時(shí)序?yàn)関＝kn0+j，j＝1，2，Λ，n0。在下面的說(shuō)明中假設(shè)在時(shí)刻v相對(duì)于某條邊e(前向或后向)所估計(jì)的信道參數(shù)(頻偏和相位)為(前向用χρv(e)=(Φρv(e),Ωρv(e)),]]>后向用χωv(e)=(Φωv(e),Ωωv(e))]]>表示)。
CPE的工作流程是在網(wǎng)格段上先針對(duì)每一條邊更新n0次，由于多條邊最終進(jìn)入同一最終狀態(tài)，因而該最終狀態(tài)的參數(shù)是根據(jù)每條邊上的度量(前向用 后向用 表示)選擇最佳的邊估計(jì)信道參數(shù)( )作為該狀態(tài)的信道估計(jì)參數(shù)。下面我們進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
CPE按以下步驟操作1)相應(yīng)于某條邊先去除(Wipe off operation)對(duì)應(yīng)該邊的調(diào)制數(shù)據(jù)(即cv(e)，v＝kn0+j，j＝1，2，Λ，n0)從而得到(假設(shè)cv(e)∈{+1，-1})rv(e)=r~v·cv(e)=xv(e)+iyv(e)]]>在此基礎(chǔ)上根據(jù)最新跟蹤到的參數(shù)估計(jì)Φv′＝ΩvTs+Φv進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)得到rv′(e)＝rv(e)·exp(-iΦv′)＝xv′(e)+yv′(e)，顯然 2)基于網(wǎng)格邊(Edges)信道參數(shù)的前后向更新參數(shù)的前向迭代χρv(e)=(Φρv(e),Ωρv(e))]]>的更新可寫(xiě)成函數(shù)形式χρv+1(e)=CPE(χρv(e),rv(e)),]]>具體實(shí)現(xiàn)下式功能 參數(shù)的后向迭代χωv(e)=(Φωv(e),Ωωv(e))]]>的更新由下式完成 其中，ΔΩv=yv′(e)a(xv′(e)+b),]]>ΔΦv＝aΔΩva=23LTs,]]>b＝L/4，L是一參數(shù)，表示信道參數(shù)估計(jì)的記憶長(zhǎng)度。
需要說(shuō)明的是在每一網(wǎng)格邊的起始信道參數(shù)由邊的起始狀態(tài)決定，即有χρkn0+1(e)=χk(s)|e:sS(e)=s;,]]>χωkn0+n0(e)=χk+1(s)|e:sE(e)=s;----(13)]]>3)基于狀態(tài)的信道參數(shù)更新，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們?nèi)∏跋?其中， 后向χk(s)=χωkn0+1(eωmax),]]>其中，eωmax=max{mωk(e),e:sS(e)=s}----(15)]]>mωk(e)=Bk+1[sE(e)]+Σi=1k012ui(e)Λk+1[ui;I]+Σi=1i≠jn012ci(e)Λk+1[ci;I]]]>2、信道采樣參數(shù)修正(CSM)模塊CSM(Channel Signal Modifier)模塊的功能是根據(jù)當(dāng)前CPE模塊輸出的信道參數(shù)值對(duì)輸入的信道原始采樣進(jìn)行修正，去除信道參數(shù)的影響，從而輸出等效于AWGN信道的信號(hào)采樣值。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)CSM模塊并非一獨(dú)立模塊，其功能仍然是內(nèi)嵌于APP實(shí)現(xiàn)的，事實(shí)上，相比于AWGN下的APP算法，帶CSM的APP算法唯一不同的是在每一條邊上必須先進(jìn)行去除未知信道參數(shù)的操作，而CPE模塊的作用是得到沿邊上更新的信道參數(shù)，因而在每一條邊上只要進(jìn)行相應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)即可。也即取Re[rv(e)·exp(-iΦv(e))]作為APP沿邊上的輸入(其中 指取其實(shí)部)。其他和標(biāo)準(zhǔn)APP無(wú)異。
3、APP(a)模塊本模塊與AWGN下的子碼的APP模塊基本相同，其基本功能是根據(jù)輸入Λk(uj；I)，Λk(cj；I)計(jì)算Λk(uj；O)，Λk(cj；O)。其不同之處在于分支度量Λk(cj；I)的計(jì)算。詳細(xì)地說(shuō)，本模塊在網(wǎng)格圖上執(zhí)行CPE和CSM模塊，并在此基礎(chǔ)上執(zhí)行公式(1-6)，但是(1-6)中的分支度量Λk(cj；I)的計(jì)算如下Λk(cj；I)＝LcRe[rv(e)·exp(-iΦv(e))]，j＝1，2，Λn0；v＝kn0+j；k∈K (16)其中Re[rv(e)·exp(-iΦv(e))]由CSM，CPE模塊提供。
下面討論頻偏和相位未知信道下Turbo碼采用A2P2模塊解碼存在的問(wèn)題。以上所述的A2P2模塊原則上可應(yīng)用于頻偏和相位未知條件下RSC子碼采用BPSK調(diào)制時(shí)的APP譯碼。但是對(duì)于Turbo碼的解調(diào)解碼，仍存在以下兩個(gè)問(wèn)題1)A2P2模塊可直接應(yīng)用于Turbo碼子碼RSC1的解碼，但應(yīng)用于子碼RSC2時(shí)要求交織后的信息符號(hào)序列也要發(fā)送到信道上(如不傳系統(tǒng)性能要相應(yīng)惡化)，這一點(diǎn)要區(qū)別于AWGN信道，其原因在于相對(duì)于RSC2，接收的信道樣本中包含系統(tǒng)信息比特的部分(即信息符號(hào)序列xk，見(jiàn)圖2)由于交織的作用不再符合hv＝exp(jvΩ+Φ0)的關(guān)系(因?yàn)镽SC2看來(lái)時(shí)刻v的關(guān)系被交織打亂)，從而A2P2模塊計(jì)算時(shí)所必須的對(duì)應(yīng)于RSC碼字中的前k0個(gè)系統(tǒng)信息比特的分支度量Λk(cj；I)，j＝1，2，Λk0無(wú)法計(jì)算。而通過(guò)額外傳輸交織后的信息符號(hào)序列則無(wú)疑大大降低了通信傳輸?shù)挠行裕?)A2P2模塊只能用于參數(shù)跟蹤條件下的迭代譯碼，當(dāng)未知的信道頻偏和相位較大時(shí)，仿真表明采用A2P2模塊的算法失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能解決如何計(jì)算A2P2模塊第二個(gè)子碼系統(tǒng)信息符號(hào)序列的度量問(wèn)題的Turbo碼的迭代解調(diào)解碼方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于參數(shù)未知信道下Turbo編碼BPSK通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)用的迭代解調(diào)解碼的方法和裝置。
本發(fā)明的關(guān)于Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼方法，其步驟包括1)將信道接收信號(hào)拆分后傳輸給相應(yīng)的兩子譯碼器，子譯碼器1和子譯碼器2；2)子譯碼器1收到信道接收信號(hào)后，通過(guò)其軟入軟出模塊在網(wǎng)格基礎(chǔ)上執(zhí)行CPE模塊，得到解調(diào)后的邊估計(jì)信道參數(shù)；執(zhí)行CSM模塊得到等效AWGN信道信號(hào)；然后將所得等效AWGN信道信號(hào)傳輸給該軟入軟出模塊的APP模塊，APP模塊計(jì)算支路度量，前向狀態(tài)度量和后向狀態(tài)度量，然后計(jì)算輸出外信息，和等效系統(tǒng)信息比特度量；3)子譯碼器2接收到信道信號(hào)后，通過(guò)其軟入軟出模塊在網(wǎng)格基礎(chǔ)上對(duì)接收信號(hào)執(zhí)行CPE模塊和CSM模塊，將所得等效AWGN信道信號(hào)(僅對(duì)應(yīng)于校驗(yàn)比特)傳遞給該軟入軟出模塊的APP模塊，該APP模塊接收該等效AWGN信道信號(hào)，以及子譯碼器1輸出的外信息和交織后的等效系統(tǒng)信息比特度量，計(jì)算輸出外信息，并將之傳輸給子譯碼器1，完成一次迭代；4)子譯碼器1接收子譯碼器2的輸出外信息，再次計(jì)算輸出外信息和等效系統(tǒng)信息比特度量，子譯碼器2接收子譯碼器1的輸出，再次計(jì)算輸出外信息，并將之傳輸給子譯碼器1，完成又一次迭代；5)在迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值后，對(duì)子譯碼器2的輸出外信息去交織后進(jìn)行硬判決，得出每信息比特的估值，完成解碼。
本發(fā)明對(duì)信道接收信號(hào)進(jìn)行初始頻偏估計(jì)和初始相位估計(jì)，并將估計(jì)值分別傳輸給兩子譯碼器。
本發(fā)明的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼裝置，包括兩子譯碼器，子譯碼器1和子譯碼器2，每個(gè)子譯碼器包括CPE模塊，計(jì)算解調(diào)后的邊估計(jì)信道參數(shù)；CSM模塊，計(jì)算等效AWGN信道信號(hào)；APP模塊，在網(wǎng)格邊上執(zhí)行CPE模塊和CSM模塊，接收CPE模塊、CSM模塊的輸出，計(jì)算支路度量，前向狀態(tài)度量，后向狀態(tài)度量，然后計(jì)算輸出外信息；子譯碼器1還具有等效系統(tǒng)信息比特度量輸出端，子譯碼器2具有等效系統(tǒng)信息比特度量輸入端，子譯碼器1等效系統(tǒng)信息比特度量輸出端輸出的等效系統(tǒng)信息比特度量經(jīng)交織后輸入到子譯碼器2的等效系統(tǒng)信息比特度量輸入端。
上述裝置還包括初始頻偏估計(jì)模塊和初始相位估計(jì)模塊，分別計(jì)算頻偏的初始估計(jì)值和相位的初始估計(jì)值，并輸入給兩子譯碼器。
所述APP模塊包括BMC模塊，計(jì)算并輸出支路度量；FSMC模塊，接受BMC模塊的輸出，計(jì)算并輸出前向狀態(tài)度量；RSMC模塊，接受BMC模塊的輸出，計(jì)算并輸出后向狀態(tài)度量；LLR模塊，接收BMC模塊、FSMC模塊和RSMC模塊的輸出，對(duì)于子譯碼器1，計(jì)算并輸出外信息和等效系統(tǒng)信息比特度量，對(duì)于子譯碼器2，計(jì)算輸出外信息，在最后一次迭代，計(jì)算輸出LLR。
所述初始頻偏估計(jì)模塊和初始相位估計(jì)模塊固化在DSP芯片上，兩子譯碼器的CPE模塊、CSM模塊和APP模塊均固化在一主CPLD芯片上，DSP芯片將初始頻偏估計(jì)模塊和初始相位估計(jì)模塊的計(jì)算結(jié)果通過(guò)RAM傳送給主CPLD芯片。
本發(fā)明的初始信道參數(shù)的原始估計(jì)過(guò)程如下設(shè)接收到的基帶復(fù)信號(hào)由(9)給出，步驟如下1.初始頻偏估計(jì)1)首先作變換以去掉調(diào)制信息ρv=φ(r~v)=r~v·r~v=ei(2vΩ+2φ)+w~v----(17)]]>上述變換φ為取平方，其他變換也是可以的，如取φ(x)＝|x|exp(i(2arg(x))，|x|為復(fù)數(shù)x的模，arg(x)表示取復(fù)數(shù)x的的角度。
2)作快速傅立葉變換(FFT)并搜索頻偏值取N個(gè)基帶復(fù)信號(hào)，對(duì)每一個(gè)復(fù)信號(hào)取2次冪，最后對(duì)冪信號(hào)進(jìn)行PN點(diǎn)的FFT(PN＝P×N，P＞1)，(P-1)N表示補(bǔ)0的個(gè)數(shù)，這樣頻偏估計(jì)由以下式得到。vm=maxv{|FFT{{ρv}v=1N,PN}|----(18)]]>max{|FFT()|}表示搜索FFT變換后幅度最大的點(diǎn)，取其序列號(hào)為vm，則Ωm＝2πvm/N。
3)利用對(duì)頻偏的初始范圍知識(shí)最終獲得頻偏的初始估計(jì)值。
由步驟(2)算出的Ωm跟最終想要的初始頻偏估計(jì)Ω0仍可能有180度的相位跳轉(zhuǎn)，若考慮到現(xiàn)在頻偏的范圍Ω0＜0.1*2*π(該條件一般能滿足)，最終可取 2、初始相位估計(jì)條件加入少量導(dǎo)頻符號(hào)。
假設(shè)系統(tǒng)在每幀的開(kāi)始前連續(xù)發(fā)送P個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)(Pilot Symbols)，為方便起見(jiàn)，可認(rèn)為是全1碼。則接收到的信號(hào)為r~v=ei(vΩ+φ)+wv,v=1,2,Λ,P]]>則初始相位估計(jì)為Φ0=angle(Σv=1Pr~v·e-ivΩ0).----(20)]]>這樣，整個(gè)算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可用目前的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)；特別適應(yīng)于信道的頻偏和相位未知的情形。對(duì)典型的恒參衛(wèi)星信道，能獲得逼近理想AWGN信道下Turbo碼的性能。
本發(fā)明提供的信道參數(shù)未知下Turbo碼的迭代解調(diào)解碼算法基于增強(qiáng)的APP模塊，主要解決了頻偏和相位的初始估計(jì)問(wèn)題和第二個(gè)子碼RSC2的迭代解碼問(wèn)題。為解決第二個(gè)子碼RSC2的迭代解碼，本發(fā)明提出一種能提供等效系統(tǒng)信息比特度量輸出的增強(qiáng)APP模塊(下面稱為ES-A2P2模塊)。
ES-A2P2模塊與A2P2模塊原理基本一致，其不同之處在于多了一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。額外輸入端Λ(s；I)對(duì)應(yīng)于等效系統(tǒng)信息比特度量輸入。額外輸出端Λ(s；O)為等效系統(tǒng)信息比特度量的輸出，也即{Λk(sj；O)，j＝1，2，Λ，k0；k∈K}，如圖6，則子碼RSC1采用該模塊解碼輸出等效系統(tǒng)信息比特度量，經(jīng)交織后傳遞給子碼RSC2解碼模塊的等效系統(tǒng)信息比特度量輸入端Λ(s；I)，這樣RSC2的ES-A2P2模塊可用該等效信息來(lái)直接計(jì)算對(duì)應(yīng)于RSC2碼字中的前k0個(gè)系統(tǒng)信息比特的Λk(cj；I)，j＝1，2，Λk0。
ES-A2P2模塊的執(zhí)行步驟如下1)相同于A2P2模塊，在網(wǎng)格基礎(chǔ)上執(zhí)行CPE和CSM模塊的功能，見(jiàn)前面A2P2模塊原理。
2)APP(a)模塊a)類似與A2P2模塊的相應(yīng)模塊，即執(zhí)行(1-6)。不同點(diǎn)在于Λk(cj；I)j＝1，2，Λk0；的計(jì)算，若Λk(cj；I)j＝1，2，Λk0；可由來(lái)自于信道的采樣樣本通過(guò)公式(16)直接計(jì)算，則等效系統(tǒng)信息比特度量輸入Λ(s；I)舍棄不用(對(duì)應(yīng)于Turbo碼的子碼RSC1)。否則，則執(zhí)行Λk(cj；I)＝Λk(sj；I)j＝1，2，Λk0(對(duì)應(yīng)于Turbo碼的子碼RSC2)。
b)采用如下算法計(jì)算等效系統(tǒng)信息比特度量輸出{Λk(sj；O)，j＝1，2，Λ，k0；k∈K}Λk(sj；O)＝LPk(sj＝+1；O)-LPk(sj＝-1；O)。(21)其中LPk(sj=cj;O)=Σe:Ckj(e)=cj⊕{Ak-1[sS(e)]+12cj(e)Λk[cj;I]+Bk[sE(e)]}.----(22)]]>本發(fā)明主要解決了頻偏和相位未知信道下采用BPSK調(diào)制的Turbo編碼系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼問(wèn)題?；贐ar-David提出的A2P2模塊[I.Bar-David，and A.Elia，″Augmented APP(A2P2)Module for a Posteriori Probability Calculation andChannel Parameter Tracking，″IEEE Commun.Lett.，vol.3，no.1，Jan.，1999，pp.18-20]，本發(fā)明提出了ES-A2P2模塊，解決了Turbo碼第二個(gè)子碼RSC2的解碼時(shí)所需的系統(tǒng)信息比特的度量計(jì)算問(wèn)題。另外，本發(fā)明解決了初始參數(shù)估計(jì)的問(wèn)題。使得ES-A2P2模塊的跟蹤算法能可靠工作。
本發(fā)明提出的ES-A2P2模塊，相比于A2P2模塊，有額外的輸入輸出端。用來(lái)解決Turbo碼交織器帶來(lái)的對(duì)第二個(gè)子碼的系統(tǒng)信息比特的度量計(jì)算問(wèn)題。由于交織的作用，A2P2模塊中的CSM模塊由于不能有效地去除信道參數(shù)(頻偏和相位)的影響而不能完成對(duì)應(yīng)于RSC2碼字中的前k0個(gè)系統(tǒng)信息比特的度量Λk(cj；I)，j＝1，2，Λk0的計(jì)算問(wèn)題。而ES-A2P2模塊卻提供了額外的輸出能計(jì)算相應(yīng)于系統(tǒng)信息比特的度量，因而RSC1子碼計(jì)算出的該額外的關(guān)于系統(tǒng)信息比特的度量經(jīng)交織后送到RSC2子碼的等效系統(tǒng)信息比特額外輸入端用以計(jì)算經(jīng)信道難以計(jì)算的系統(tǒng)信息比特的度量問(wèn)題。所發(fā)明的ES-A2P2模塊有很強(qiáng)的參數(shù)跟蹤能力，因而放松了對(duì)初始信道參數(shù)估計(jì)精度的要求。所發(fā)明的ES-A2P2模塊實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可用現(xiàn)有的FPGA技術(shù)硬件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供了一種信道參數(shù)初始估計(jì)算法，可有效用于極低信噪比下的頻偏和相位估計(jì)問(wèn)題。對(duì)于頻偏估計(jì)，本方法無(wú)需導(dǎo)頻符號(hào)，提高了信道利用率，并克服了一般頻偏估計(jì)難以在低信噪比下(低于0dB)工作的缺點(diǎn)。利用少量的導(dǎo)頻符號(hào)，在頻偏估計(jì)的基礎(chǔ)上，給出了信道相位的初始估計(jì)算法。參數(shù)的估計(jì)精度一般能保證本發(fā)明的ES-A2P2模塊在典型的衛(wèi)星信道上能可靠工作。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果總結(jié)如下1、本發(fā)明提供了一種適應(yīng)于頻偏和相位未知信道下Turbo編碼BPSK系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼的ES-A2P2模塊，相比于A2P2模塊，有兩個(gè)額外的輸入輸出端?？捎脕?lái)有效解決Turbo碼交織器帶來(lái)的對(duì)第二個(gè)子碼的系統(tǒng)信息比特的度量計(jì)算問(wèn)題。；2、本發(fā)明的ES-A2P2模塊，在針對(duì)上述1中的特殊輸入條件時(shí)，簡(jiǎn)單實(shí)用，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)；3、本發(fā)明的初始頻偏估計(jì)算法，能有效工作在低信噪比(低于0dB)條件下，易于采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)；4、本發(fā)明的初始相位估計(jì)算法在初始頻偏估計(jì)的基礎(chǔ)上采用了少量導(dǎo)頻符號(hào)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，估計(jì)精度能滿足ES-A2P2模塊跟蹤的需要；


圖1Turbo-code編碼器結(jié)構(gòu)；圖.2Turbo-code迭代譯碼器結(jié)構(gòu)；圖3網(wǎng)格編碼圖；圖4網(wǎng)格的邊(An Edge of the trellis section)；圖5增強(qiáng)的APP模塊(A2P2)；其中CPE信道參數(shù)估計(jì)模塊；CSM信道輸入信號(hào)去除信道參數(shù)模塊；APP(a)子碼的軟入軟出模塊；rk表示輸入的基帶復(fù)信號(hào)圖6本發(fā)明的在信道頻偏和相位未知下Turbo碼BPSK系統(tǒng)的迭代解碼算法框圖；圖7實(shí)例的FPGA開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)示意圖Din表示原始數(shù)據(jù)，Ain表示先驗(yàn)信息，Aout表示外信息，Px0表示等效比特輸出。如果ES-A2P2模塊需要平均FSMC和RSMC估計(jì)出來(lái)的相位，則加上虛框所示部分。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，F(xiàn)SMC和BMC是糅合在一起計(jì)算的，RSMC和BMC也是一樣。
圖8實(shí)例所用的RSC編碼器；圖9譯碼硬件實(shí)現(xiàn)方案示意框圖；圖10FSMC模塊實(shí)現(xiàn)單元；圖11BMC模塊實(shí)現(xiàn)單元；圖12LLR模塊單元；圖13實(shí)例所用的RSC的格狀圖；圖14實(shí)例的系統(tǒng)性能示意中橫坐標(biāo)為信噪比Eb/N0，縱坐標(biāo)為誤比特率(BER)，圖中4條曲線由上而下分別表示第1次到第4次迭代解碼后的性能實(shí)施方案本發(fā)明的迭代解調(diào)解碼方法的整體方案見(jiàn)圖6。
本實(shí)施方案基于Alter公司的CPLD芯片EP20K400EBC652-2X，給出在典型的頻偏和相位未知信道下采用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-2000高速率業(yè)務(wù)中建議的Turbo碼的解調(diào)解碼算法的開(kāi)發(fā)實(shí)例。本實(shí)例的FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘為32MHz，允許的解碼速率為115.2kbps。系統(tǒng)另有5塊外部RAM和一塊DSP芯片(TMSC5402)，初始頻偏和相位估計(jì)在DSP中完成。而CPE模塊中的除法運(yùn)算則采用查表實(shí)現(xiàn)。在對(duì)圖7作出進(jìn)一步說(shuō)明之前，我們先給出實(shí)例中選用的Turbo碼的具體編碼參數(shù)。
本實(shí)例選用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-2000高速率業(yè)務(wù)的信道編碼。選用建議中的Turbo碼由兩個(gè)相同的遞歸卷積子碼構(gòu)成，遞歸卷積子碼的生成多項(xiàng)式為(13，15，17)8，信息幀長(zhǎng)2280，交織長(zhǎng)度2298，總長(zhǎng)2304，編碼速率1/2。由IMT2000建議可知，該1/2速率的的Turbo碼是通過(guò)兩個(gè)RSC母碼經(jīng)級(jí)聯(lián)刪除而得。本實(shí)例選用的母碼如圖8所示。
Turbo碼編碼器中碼率調(diào)整是通過(guò)刪除一些校驗(yàn)比特來(lái)調(diào)整碼率。在表1中，“1”表示輸出，“0”表示刪除；(X，Y0，Y1)表示第一個(gè)RSC編碼器的輸出，其中X是信息位，Y0和Y1是校驗(yàn)位，(X’，Y’0，Y’1)表示第二個(gè)RSC編碼器的輸出，X’是信息位，Y’0和Y’1是校驗(yàn)位。
注意，對(duì)于1/2速率的Turbo碼，Y1和Y’1比特空置不用，在本實(shí)例的以下敘述中不計(jì)入刪除的范疇。刪除指示p僅用來(lái)特制Y0和Y’0比特的刪除情況(p＝0表示該比特被刪除，p＝1表示該比特沒(méi)被刪除)。

表 非歸零比特的碼率調(diào)整注對(duì)每種碼率，應(yīng)從上到下，從左到右讀取此表本實(shí)例中假設(shè)信道為典型的衛(wèi)星恒參信道，信道的初始?xì)w一化頻偏(相對(duì)于符號(hào)傳輸速率)假設(shè)在ΔfT∈(0，0.1)隨機(jī)選取的，而信道未知相位為隨機(jī)選取的(0，2π)間的相位。
算法參數(shù)選擇(1)為估計(jì)初始相位，所發(fā)送的導(dǎo)頻數(shù)目為每幀20個(gè)。
(2)初始頻偏估計(jì)(22-23)所述算法，F(xiàn)FT長(zhǎng)度選擇為N＝1024，P＝1；(3)系統(tǒng)迭代解碼采用圖5所示算法，其中CPE模塊參數(shù)選擇為信道記憶長(zhǎng)度L＝128；對(duì)以上情形的解調(diào)解碼整體框架見(jiàn)圖6。
圖9給出了CPLD實(shí)現(xiàn)頻偏和相位未知下Turbo碼的迭代解碼算法硬件實(shí)現(xiàn)示意框圖，為了節(jié)省片內(nèi)資源，而且根據(jù)算法的實(shí)際情況——兩個(gè)ES-A2P2的子譯碼器不可能同時(shí)工作，我們?cè)谟布?shí)現(xiàn)的時(shí)候時(shí)分復(fù)用同一個(gè)ES-A2P2模塊。
該譯碼器中的關(guān)鍵是ES-A2P2子譯碼器的實(shí)現(xiàn)，其CPLD實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖7。主要芯片由Altera公司的一片EP20K400EBC652-2X，TI公司的一片DSP芯片TMSC5402和外掛的6片RAM組成。其中，DSP芯片用于初始頻偏和載波相位的估計(jì)，它僅在每幀開(kāi)始時(shí)工作，并將結(jié)果通過(guò)RAM傳送給主CPLD芯片，以啟動(dòng)ES-A2P2核心解碼算法模塊。
而ES-A2P2算法模塊中有四個(gè)主要部分前向狀態(tài)度量計(jì)算模塊(FSMC)、后向狀態(tài)度量計(jì)算模塊(RSMC)、對(duì)數(shù)似然比計(jì)算模塊(LLR)和支路度量計(jì)算模塊(BMC)。而6片外部RAM(A、B、C、D、E、F)用來(lái)存儲(chǔ)FSMC模塊和RSMC模塊的中間計(jì)算結(jié)果。其中，外部RAM-F用來(lái)存儲(chǔ)來(lái)自信道的幀數(shù)據(jù)(接收采樣)，DSP芯片計(jì)算所得的初始參數(shù)估計(jì)也存儲(chǔ)在該片RAM上。
具體FSMC和RSMC的計(jì)算結(jié)構(gòu)是很相似的，這里以FSMC為例說(shuō)明其計(jì)算流程。對(duì)于FSMC，有兩種方案可以選擇并行計(jì)算和串行計(jì)算。如果采用并行計(jì)算，計(jì)算一個(gè)FSM所需要的時(shí)鐘比較少，但所需要的硬件資源比串行的要多的多，而且計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)需要同時(shí)存儲(chǔ)到片外RAM，讀取的時(shí)候要同時(shí)讀取，這樣，對(duì)片外RAM的大小、硬件控制有了更高的要求。所以我們采用串行計(jì)算(如圖10)。
從圖10中可以看出，F(xiàn)SMC的實(shí)現(xiàn)流程和普通APP解碼算法中相應(yīng)FSMC的實(shí)現(xiàn)流程沒(méi)有什么大的差別，實(shí)際上ES-A2P2和APP的差別主要體現(xiàn)在BMC上。ES-A2P2在BMC(如圖11)時(shí)，去除了頻偏和相偏的影響，使得ES-A2P2中的FSMC模塊和普通的APP中的FSMC相同。
我們進(jìn)行LLR時(shí)，也是串行計(jì)算，如圖12。在RSC1中，我們需要計(jì)算等效輸出比特度量(PS0)和外信息供給RSC2使用，在RSC2中，如果不是最后一次迭代，我們只需要計(jì)算外信息；如果是最后一次迭代，我們只需要計(jì)算最終的對(duì)數(shù)似然比LLR即可。
而基于網(wǎng)格的ES-A2P2模塊的執(zhí)行時(shí)序見(jiàn)圖10。其具體步驟如下1、對(duì)每一幀利用公式(22-25)計(jì)算信道初始頻偏Ωc和初始相位Φc，具體實(shí)現(xiàn)可在數(shù)字號(hào)處理(DSP)芯片上執(zhí)行，計(jì)算出的參數(shù)設(shè)為χc＝(Φc，Ωc)。該參數(shù)送給RSC1的ES-A2P2模塊；2、解碼器基于圖6框架(而在硬件實(shí)現(xiàn)上基于圖9)作迭代譯碼，在一次迭代中，先對(duì)RSC1子碼進(jìn)行譯碼，然后對(duì)RSC2子碼進(jìn)行譯碼，這樣一次迭代完成，繼續(xù)進(jìn)行下一次迭代譯碼；3、在迭代次數(shù)t＝1次時(shí)，執(zhí)行RSC1子碼的的ES-A2P2模塊。該ES-A2P2模塊基于如圖13的網(wǎng)格時(shí)序進(jìn)行，對(duì)于碼率為1/2的RSC子碼，網(wǎng)格時(shí)刻k＝0，1，2，...，2297對(duì)應(yīng)于編碼前的信息比特。而兩相鄰狀態(tài)間邊(Edge)上的碼字(X，Y0，Y1)的比特時(shí)序?yàn)?k+j，j＝1，2。
1)在網(wǎng)格時(shí)刻k＝0，ES-A2P2模塊執(zhí)行以下初始化工作對(duì)所有狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)賦值χ0(s0)＝χc，s0＝0，1，2，...，7。
2)在網(wǎng)格時(shí)刻k＝0，作前向迭代度量Ak(s)的初始值設(shè)置為 S0為卷積碼的初始狀態(tài)；3)由網(wǎng)格時(shí)刻k-1到網(wǎng)格時(shí)刻k，基于邊(Edge)，由Ak-1(s)計(jì)算Ak(s)。如圖13，對(duì)網(wǎng)格時(shí)刻k處的某狀態(tài)sk，假設(shè)它可由網(wǎng)格時(shí)刻k-1處的兩狀態(tài)sk-11和sk-22轉(zhuǎn)移得到，相應(yīng)的邊為e1和e2；對(duì)邊e1；(a)先設(shè)置初值χρ2(k-1)(e1)=χk-1(sk-1);]]>(b)CPE模塊基于邊上的碼字比特時(shí)序工作，相繼計(jì)算χρ2(k-1)+j(e1)=CPE(χρ2(k-1)+j-1(e1),p·r2(k-1)+j(e1)),j=1,2;]]>其中，p＝1表示該RSC子碼的對(duì)應(yīng)比特沒(méi)有被刪除，p＝0表示被刪除；(c)根據(jù)公式(14)(16)計(jì)算每條邊的前向度量 求出 然后更新網(wǎng)格時(shí)刻k處的對(duì)應(yīng)于狀態(tài)sk的參數(shù) (d)同時(shí)根據(jù)公式(1)(16)計(jì)算前向度量Ak(s)。
4)網(wǎng)格時(shí)刻k＝2298，前向迭代結(jié)束，后向迭代開(kāi)始。作后向迭代度量Bk(s)的初始值設(shè)置 Sn為卷積碼的最終狀態(tài)；5)由網(wǎng)格時(shí)刻k+1到網(wǎng)格時(shí)刻k，基于邊(Edge)，由Bk+1(s)計(jì)算Bk(s)；如圖13，對(duì)網(wǎng)格時(shí)刻k處的某狀態(tài)sk，假設(shè)它可由網(wǎng)格時(shí)刻k+1處的兩狀態(tài)sk+11和sk+22轉(zhuǎn)移得到，相應(yīng)的邊為e1和e2；對(duì)邊e1。
(e)先設(shè)置初值χρ2k+2(e1)=χk+1(sk+1);]]>
(f)CPE模塊基于邊上的碼字比特時(shí)序工作，相繼計(jì)算χρ2(k+1)-j(e1)=CPE(χρ2(k+1)-j+1(e1),p·r2(k+1)-f+1(e1)),j=1,2.]]>其中，p＝1表示該RSC子碼的對(duì)應(yīng)比特沒(méi)有被刪除，p＝0表示被刪除；(g)根據(jù)公式(15)(16)計(jì)算每條邊的后向度量mσk(e1),mσk(e2),]]>求出emax=maxe{mσk(e),e:sS(e)=s},]]>然后更新網(wǎng)格時(shí)刻k處的對(duì)應(yīng)于狀態(tài)sk的參數(shù)χk(sk)=χρ2k(eσmax);]]>(h)根據(jù)公式(2)(16)計(jì)算后向度量Bk(s)；(i)根據(jù)公式(4)(6)(16)計(jì)算Λk(uj；O)并輸出，根據(jù)(21)(22)(16)計(jì)算Λk(sj；O)并輸出；6)后向迭代到網(wǎng)格時(shí)刻k＝0，后向迭代結(jié)束。
4、在迭代次數(shù)t＝1次時(shí)，執(zhí)行RSC2子碼的的ES-A2P2模塊。該ES-A2P2模塊基于如圖13的網(wǎng)格時(shí)序進(jìn)行，除了關(guān)于Λk(cj；I)，j＝1的計(jì)算其實(shí)現(xiàn)完全類等同于步驟3描述的RSC1的ES-A2P2模塊，而Λk(cj；I)，j＝1的計(jì)算由于信道不提供RSC1的系統(tǒng)信息比特的相應(yīng)樣本，無(wú)法通過(guò)(16)進(jìn)行，而這里改由RSC1子碼輸出的Λk(sj；O)提供，設(shè)該輸出經(jīng)交織后為Λk(sj；I)，置Λk(cj；I)＝Ak(sj；I)，j＝1可完成計(jì)算；5、若迭代次數(shù)t等于預(yù)先設(shè)定的迭代次數(shù)，則輸出譯碼值，否則置t＝t+1，轉(zhuǎn)到3繼續(xù)執(zhí)行。
該實(shí)例在典型恒參信道下的經(jīng)4次迭代下的性能見(jiàn)圖14，由圖14可知1、采用BPSK調(diào)制，4次迭代下，頻偏和相位未知下的本文算法和AWGN下的性能僅相差0.4dB以內(nèi)；2、算法復(fù)雜度本發(fā)明算法復(fù)雜度大概是AWGN下譯碼算法的2倍。
雖然參考其中特定的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了圖示和說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，在不脫離本發(fā)明附加的權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修改。
權(quán)利要求
1.一種Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼方法，其步驟包括1)將信道接收信號(hào)拆分后傳輸給相應(yīng)的兩子譯碼器，子譯碼器1和子譯碼器2；2)子譯碼器1收到信道接收信號(hào)后，通過(guò)其軟入軟出模塊在網(wǎng)格基礎(chǔ)上執(zhí)行CPE模塊，得到解調(diào)后的邊估計(jì)信道參數(shù)，執(zhí)行CSM模塊得到等效AWGN信道信號(hào)，然后將所得等效AWGN信道信號(hào)傳輸給該軟入軟出模塊的APP模塊，APP模塊計(jì)算支路度量，前向狀態(tài)度量和后向狀態(tài)度量，然后計(jì)算輸出外信息，和等效系統(tǒng)信息比特度量；3)子譯碼器2接收到信道信號(hào)后，通過(guò)其軟入軟出模塊在網(wǎng)格基礎(chǔ)上對(duì)接收信號(hào)執(zhí)行CPE模塊和CSM模塊，將所得等效AWGN信道信號(hào)傳遞給該軟入軟出模塊的APP模塊，該APP模塊接收該等效AWGN信道信號(hào)，以及子譯碼器1輸出的外信息和交織后的等效系統(tǒng)信息比特度量，計(jì)算輸出外信息，并將之傳輸給子譯碼器1，完成一次迭代；4)子譯碼器1接收子譯碼器2的輸出外信息，再次計(jì)算輸出外信息和等效系統(tǒng)信息比特度量，子譯碼器2接收子譯碼器1的輸出，再次計(jì)算輸出外信息，并將之傳輸給子譯碼器1，完成又一次迭代；5)在迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值后，對(duì)子譯碼器2的輸出外信息去交織后進(jìn)行硬判決，得出每信息比特的估值，完成解碼。
2.如權(quán)利要求1所述的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼方法，其特征在于對(duì)信道接收信號(hào)進(jìn)行初始頻偏估計(jì)和初始相位估計(jì)，并將估計(jì)值分別傳輸給兩子譯碼器。
3.一種Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼裝置，包括兩子譯碼器，子譯碼器1和子譯碼器2，每子譯碼器包括CPE模塊，計(jì)算解調(diào)后的邊估計(jì)信道參數(shù)；CSM模塊，計(jì)算等效AWGN信道信號(hào)；和APP模塊，在網(wǎng)格邊上執(zhí)行CPE模塊和CSM模塊，接收CPE模塊CSM模塊的輸出計(jì)算支路度量，前向狀態(tài)度量和后向狀態(tài)度量，然后計(jì)算輸出外信息；其特征在于子譯碼器1還具有等效信息比特輸出端，子譯碼器2具有等效信息比特輸入端，子譯碼器1等效信息比特輸出端輸出的等效信息比特經(jīng)交織后輸入到子譯碼器2的等效信息比特輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼裝置，其特征在于還包括初始頻偏估計(jì)模塊和初始相位估計(jì)模塊，分別計(jì)算頻偏的初始估計(jì)值和相位的初始估計(jì)值，并輸入給兩子譯碼器。
5.如權(quán)利要求3或4所述的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼裝置，其特征在于所述APP模塊包括BMC模塊，計(jì)算并輸出支路度量；FSMC模塊，接受BMC模塊的輸出，計(jì)算并輸出前向狀態(tài)度量；RSMC模塊，接受BMC模塊的輸出，計(jì)算并輸出后向狀態(tài)度量；LLR模塊，接收BMC模塊、FSMC模塊和RSMC模塊的輸出，對(duì)于子譯碼器1，計(jì)算并輸出外信息和等效信息比特，對(duì)于子譯碼器2，計(jì)算輸出外信息，在最后一次迭代，計(jì)算輸出LLR。
6.如權(quán)利要求5所述的所述的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼裝置，其特征在于初始頻偏估計(jì)模塊和初始相位估計(jì)模塊固化在DSP芯片上，兩子譯碼器的CPE模塊、CSM模塊和APP模塊均固化在一主CPLD芯片上，DSP芯片將初始頻偏估計(jì)模塊和初始相位估計(jì)模塊的計(jì)算結(jié)果通過(guò)RAM傳送給主CPLD芯片；各模塊的中間計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在RAM中。
7.如權(quán)利要求5所述的所述的Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼裝置，其特征在于子譯碼器1和子譯碼器2為時(shí)分復(fù)用的同一譯碼器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Turbo編碼BPSK調(diào)制系統(tǒng)的迭代解調(diào)解碼方法及裝置，將信道接收信號(hào)拆分后傳輸給相應(yīng)的兩子譯碼器，子譯碼器1收到信道接收信號(hào)后，通過(guò)其軟入軟出模塊計(jì)算輸出外信息，和等效系統(tǒng)信息比特度量；子譯碼器2接收子譯碼器1輸出的外信息和交織后的等效系統(tǒng)信息比特度量，計(jì)算輸出外信息，并將之傳輸給子譯碼器1，完成一次迭代；在迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值后，對(duì)子譯碼器2的輸出外信息去交織后進(jìn)行硬判決，得出每信息比特的估值，完成解碼。可用來(lái)有效解決Turbo碼交織器帶來(lái)的對(duì)第二個(gè)子碼的系統(tǒng)信息比特的度量計(jì)算問(wèn)題；簡(jiǎn)單實(shí)用，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)；可廣泛應(yīng)用于無(wú)限和衛(wèi)星通信領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03M13/00GK1463084SQ03137079
公開(kāi)日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者吳曉富, 崔龍, 項(xiàng)海格 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院