本發(fā)明屬于直升機衛(wèi)星通信技術領域，特別涉及一種基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法。

背景技術：

目前，直升機常使用短波和超短波進行通信，然而短波通信易受到環(huán)境的影響，超短波通信的通信距離有限，這些因素均限制了直升機的工作能力，無法充分發(fā)揮直升機機動、靈活的優(yōu)勢。而直升機衛(wèi)星通信充分利用了衛(wèi)星通信的特點，具有適應能力強、通信距離遠、覆蓋范圍大等特點，在軍事、民事等各個領域發(fā)揮了十分關鍵的作用。在直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，機載通信設備為了不影響機體平衡一般安裝在旋翼之下，這種安裝方式導致直升機衛(wèi)星通信信號受到旋翼遮擋的影響，對載波同步提出了新的挑戰(zhàn)。

針對旋翼遮擋通信信號的問題，傳統(tǒng)的載波同步方法在實現(xiàn)載波相位恢復時，會因為旋翼遮擋而無法穩(wěn)定工作，給信號恢復帶來難題。同時在直升機實際飛行中，其旋翼遮擋比例存在動態(tài)變化，導致譯碼性能下降。直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)解調(diào)譯碼方法是將信道檢測、相位恢復和譯碼單獨進行，而將上述步驟聯(lián)合迭代能夠獲得更優(yōu)越的性能。綜上，本發(fā)明重點研究直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中旋翼遮擋比例自適應方法及聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼系統(tǒng)及方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法；首先建立聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括為在接收端，采用鎖相環(huán)電路、信道檢測器、相位恢復器、遮擋比例自適應器、解調(diào)器、解交織器及譯碼器連接組成的接收端，并對接收信號進行處理；在發(fā)送端，采用編碼器、交織器、參考符號插入器和調(diào)制器串聯(lián)組成衛(wèi)星通信發(fā)送系統(tǒng)，使用短波和超短波進行通信；其特征在于，接收端對信號處理步驟如下：

步驟1，接收端接收信號；鎖相環(huán)電路處理接收信號，初始化發(fā)送符號概率分布、相位狀態(tài)概率分布和先驗遮擋比例；

步驟2，將經(jīng)過鎖相環(huán)電路處理后的信號輸入至信道檢測器和相位恢復器中，通過建立馬爾科夫模型，進行信道檢測；

步驟3，信道檢測結(jié)果輸入至遮擋比例自適應器中，采用互相關方法，判定遮擋比例與遮擋區(qū)間；

步驟4，遮擋比例自適應器將結(jié)果輸入至相位恢復器中，進行相位恢復；相位恢復器輸出檢測結(jié)果；

步驟5，計算對數(shù)似然比序列；

步驟6，依次通過解調(diào)器、解交織器及譯碼器，解調(diào)、解交織及輸入譯碼器進行譯碼迭代，得到處理結(jié)果；

步驟7，根據(jù)消息傳遞算法檢測發(fā)送符號相位狀態(tài)，交織及更新發(fā)送符號相位概率分布；進入步驟8輸出譯碼結(jié)果；或返回步驟3，重復步驟3‐7，直到滿足迭代次數(shù)；

步驟8，輸出譯碼結(jié)果。

所述步驟1初始化中先驗遮擋比例，初始化發(fā)送符號概率分布及符號相位概率分布的具體步驟為，假設先驗遮擋比例為p，接收到符號個數(shù)為n，定義接收的第k個符號中的k＝1…n，并采用qpsk(quadraturephaseshiftkeyin，正交相移鍵控)調(diào)制，定義觀測函數(shù)節(jié)點為f、信道狀態(tài)變量節(jié)點為a、馬爾科夫鏈模型中的信道轉(zhuǎn)移函數(shù)節(jié)點為δ、相位狀態(tài)變量節(jié)點為θ、發(fā)送符號變量節(jié)點為x、符號映射函數(shù)節(jié)點為φ；同時定義表示從發(fā)送符號變量節(jié)點xk到觀測函數(shù)節(jié)點fk傳遞的消息，定義表示從符號映射函數(shù)節(jié)點φk到發(fā)送符號變量節(jié)點xk傳遞的消息，定義表示從相位狀態(tài)變量節(jié)點θk到觀測函數(shù)節(jié)點fk傳遞的消息，則

其中表示qpsk調(diào)制符號集合，表示導頻符號索引集合，表示對應位置已知的導頻符號，表示在已知導頻符號的情況下，其相位在對應的相位上概率為1，其他相位為0；其中qpsk調(diào)制為正交相移鍵控調(diào)制。

所述步驟2，建立馬爾科夫模型，進行信道檢測的具體步驟為：

步驟2.1，對于k＝1…n，假設當信號不被遮擋時ak＝ao，當信號被遮擋時ak＝af，定義表示從觀測函數(shù)變量節(jié)點fk到信道狀態(tài)變量節(jié)點ak傳遞的消息，執(zhí)行以下步驟更新

其中σ²為信道中復高斯噪聲的方差；

步驟2.2，對于k＝1…n，定義表示從信道轉(zhuǎn)移函數(shù)節(jié)點δ到與其右側(cè)相鄰的信道狀態(tài)變量節(jié)點ak傳遞的消息，由馬爾科夫鏈信道轉(zhuǎn)移特性，根據(jù)前一個信道轉(zhuǎn)移函數(shù)節(jié)點δ到與其右側(cè)相鄰的信道狀態(tài)變量節(jié)點ak-1傳遞的消息執(zhí)行以下步驟更新前向消息

其中表示前向信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，p為先驗遮擋比例；

步驟2.3，對于k＝1…n，定義表示從信道轉(zhuǎn)移函數(shù)節(jié)點δ到與其左側(cè)相鄰的信道狀態(tài)變量節(jié)點ak傳遞的消息，由馬爾科夫鏈信道轉(zhuǎn)移特性，可根據(jù)后一個信道轉(zhuǎn)移函數(shù)節(jié)點δ到與其左側(cè)相鄰的信道狀態(tài)變量節(jié)點ak+1傳遞的消息執(zhí)行以下步驟更新反向消息

其中表示反向信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

所述步驟3采用互相關方法，判定遮擋比例與遮擋區(qū)間；

步驟3.1，對于k＝1…n，定義表示第k個符號不被遮擋的概率，定義表示第k個符號被遮擋的概率，執(zhí)行以下步驟計算和

步驟3.2，計算實際遮擋比例與遮擋區(qū)間；對每一個旋翼旋轉(zhuǎn)周期，設定接收到符號數(shù)為m，定義函數(shù)h＝[1,1,…,1]且長度為p·m，對一個旋翼旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)與h作互相關，求解結(jié)果曲線第一個與最后一個斜率變化點的橫坐標a和b，其中b為遮擋區(qū)間的終點，執(zhí)行以下步驟計算實際遮擋比例p'，

同時得到此旋轉(zhuǎn)周期遮擋區(qū)間為[b-p'm,b]，依此對接收信號所有旋轉(zhuǎn)周期進行執(zhí)行此步驟計算遮擋區(qū)間，得到被遮擋的周期數(shù)h。

所述步驟4，相位恢復包括：

步驟4.1，對于i＝1…h(huán)，設定每次在非遮擋區(qū)內(nèi)接收到的符號數(shù)為li，對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，定義從觀測函數(shù)節(jié)點到相位狀態(tài)變量節(jié)點θi的消息為執(zhí)行以下步驟更新

步驟4.2，對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，定義從相位狀態(tài)變量節(jié)點θi到觀測函數(shù)節(jié)點的消息為執(zhí)行以下步驟更新

步驟4.3，對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，定義從觀測函數(shù)節(jié)點到發(fā)送符號變量節(jié)點的消息為執(zhí)行以下步驟更新

步驟4.4，對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，定義從發(fā)送符號變量節(jié)點到符號映射函數(shù)節(jié)點的消息為執(zhí)行以下步驟更新

所述步驟5計算似然比序列的具體步驟：對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，定義表示從符號映射函數(shù)節(jié)點到發(fā)送符號變量節(jié)點傳遞的消息，執(zhí)行以下步驟更新

其中

同時定義q表示符號對應的編碼比特序列比特數(shù)，對于編號i＝1…h(huán)，j＝1…li，q＝1…q，根據(jù)調(diào)制映射規(guī)則，計算其對應編碼比特的對數(shù)似然比序列

其中表示符號對應的編碼比特序列中第q個編碼比特，為調(diào)制符號集合的子集，中的每個符號滿足：對應的第q個編碼比特取值為1，類似地，為調(diào)制符號集合的子集，中的每個符號滿足：對應的第q個編碼比特取值為0；是上一次迭代譯碼器輸出的外信息，并將在本次迭代中更新。

所述步驟6解調(diào)、解交織及輸入譯碼器進行譯碼迭代的具體步驟為將似然比序列進行解交織，輸入ldpc(lowdensityparitycheckcode，低密度奇偶校驗碼)譯碼器進行譯碼迭代輸出得到新的外信息序列和譯碼結(jié)果序列。

所述步驟7交織及更新發(fā)送符號概率分布的具體步驟為將得到的外信息序列進行交織，對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

若滿足迭代次數(shù)則執(zhí)行步驟8，輸出譯碼結(jié)果；否則執(zhí)行以下步驟更新

其中

之后返回步驟3，重復步驟3至步驟7直到滿足迭代次數(shù)，輸出譯碼結(jié)果序列。

本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在發(fā)送端均勻插入?yún)⒖挤?，在接收端利用基于馬爾科夫鏈的信道檢測、相位恢復和譯碼迭代實現(xiàn)有保障的接收；本發(fā)明要優(yōu)于未知信道狀態(tài)解調(diào)譯碼算法2.6db左右，優(yōu)于未進行遮擋比例自適應解調(diào)譯碼算法0.3db左右，且與理想解調(diào)譯碼算法只差0.2db左右。

在直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由旋翼遮擋帶來通信困難的情況下，首先根據(jù)先驗遮擋比例建立基于馬爾科夫鏈的信道通斷模型，借助因子圖工具進行信道檢測即遮擋檢測，判定實際遮擋比例與先驗遮擋比例偏差和遮擋區(qū)間；之后根據(jù)遮擋檢測結(jié)果建立相位恢復模型，借助因子圖工具進行相位恢復；綜合推導出聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法。通過仿真表明，在直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，旋翼旋轉(zhuǎn)的先驗遮擋比例為10％，實際遮擋比例為15％的斷續(xù)信道下，每16個符號插入2個參考符號，在誤碼率為1e‐4時。

附圖說明

圖1為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法系統(tǒng)框圖。

圖2為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法流程圖。

圖3為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法信道檢測因子圖。

圖4為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法相位恢復因子圖。

圖5為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法與各方法誤碼率比較圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼系統(tǒng)及方法。圖1為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法系統(tǒng)框圖。建立聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括為在接收端，采用鎖相環(huán)電路、信道檢測器、相位恢復器、遮擋比例自適應器、解調(diào)器、解交織器及譯碼器連接組成的接收端，并對接收信號進行處理；在發(fā)送端，采用編碼器、交織器、參考符號插入器和調(diào)制器串聯(lián)組成衛(wèi)星通信發(fā)送系統(tǒng)，使用短波和超短波進行通信。

圖2所示為基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法流程圖。其包括以下步驟：

步驟1，接收端接收信號；鎖相環(huán)電路處理接收信號，初始化發(fā)送符號概率分布、相位狀態(tài)概率分布和先驗遮擋比例；

步驟2，將經(jīng)過鎖相環(huán)電路處理后的信號輸入至信道檢測器和相位恢復器中，通過建立馬爾科夫模型，進行信道檢測；

步驟3，信道檢測結(jié)果輸入至遮擋比例自適應器中，采用互相關方法，判定遮擋比例與遮擋區(qū)間；

步驟4，遮擋比例自適應器將結(jié)果輸入至相位恢復器中，進行相位恢復；相位恢復器輸出檢測結(jié)果；

步驟5，計算對數(shù)似然比序列；

步驟6，依次通過解調(diào)器、解交織器及譯碼器，解調(diào)、解交織及輸入譯碼器進行譯碼迭代，得到處理結(jié)果；

步驟7，根據(jù)消息傳遞算法檢測發(fā)送符號相位狀態(tài)，交織及更新發(fā)送符號相位概率分布；進入步驟8輸出譯碼結(jié)果；或返回步驟3，重復步驟3‐7，直到滿足迭代次數(shù)；

步驟8，輸出譯碼結(jié)果。

圖3和圖4所示為因子圖模型，首先采用qpsk調(diào)制方式，初始化先驗遮擋比例、從發(fā)送符號變量節(jié)點xk到觀測函數(shù)節(jié)點fk傳遞的消息、從相位狀態(tài)變量節(jié)點θk到觀測函數(shù)節(jié)點fk傳遞的消息，并且初始化迭代次數(shù)為0。在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)根據(jù)算法步驟進行消息傳遞、計算及更新，在滿足迭代次數(shù)后，輸出譯碼結(jié)果。本發(fā)明的原理及算法描述如下：

1)初始化：

初始設定迭代次數(shù)t＝1，設定先驗遮擋比例值p，并對于編號k＝1…n，設置

在第t次迭代過程中，執(zhí)行以下步驟：

2)建立馬爾科夫模型，采用互相關方法，進行信道檢測(如圖2所示)，判定遮擋比例偏差與遮擋區(qū)間：

a)對于k＝1…n，執(zhí)行以下步驟更新

b)對于k＝1…n，執(zhí)行以下步驟更新前向消息

c)對于k＝1…n，執(zhí)行以下步驟更新反向消息

d)對于k＝1…n，執(zhí)行以下步驟計算和

e)計算實際遮擋比例與遮擋區(qū)間。每一個旋翼旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)接收到m個符號，將長度為p·m的函數(shù)h＝[1,1,…,1]與作互相關，根據(jù)結(jié)果曲線得到第一個與最后一個斜率變化點的橫坐標a和b，，執(zhí)行以下步驟計算實際遮擋比例p'，

同時得到此旋轉(zhuǎn)周期遮擋區(qū)間為[b-p'm,b]。依次對接收信號所有旋轉(zhuǎn)周期進行執(zhí)行此步驟計算遮擋區(qū)間，得到被遮擋的周期數(shù)h。

3)相位恢復：

a)對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

b)對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

c)對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

d)對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

4)計算似然比序列：

對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

其中

對于編號i＝1…h(huán)，j＝1…li，q＝1…q，計算其對應編碼比特的對數(shù)似然比序列

5)解交織及輸入譯碼器進行譯碼迭代：

將似然比序列進行解交織，輸入ldpc譯碼器進行譯碼迭代輸出得到新的外信息序列和譯碼結(jié)果序列(如圖3所示)；

6)交織及更新發(fā)送符號概率分布：

將外信息序列交織，對于編號i＝1…h(huán)和j＝1…li，執(zhí)行以下步驟更新

7)重復2)至7)直至滿足迭代次數(shù)，輸出譯碼結(jié)果。

實施例

以直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)下的基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法為例(如圖2、圖3和圖4所示)，本實施例的信道編碼采用(2048,8192)的ldpc碼，并且采用qpsk調(diào)制，每幀的長度為8192，同時采用偽隨機交織的方式。在信道中采用非周期的遮擋模式，并隨機設置遮擋位置，實際遮擋比例為15％，而先驗遮擋比例為10％，并且假設遮擋會對信號帶來相位模糊。為體現(xiàn)本發(fā)明的原理和優(yōu)勢，以下對仿真流程進行描述：采用ldpc碼對發(fā)送比特進行編碼；對編碼比特交織；插入?yún)⒖挤?；根?jù)qpsk映射規(guī)則進行映射得到發(fā)送符號序列；通過模擬直升機衛(wèi)星通信信道，隨機設置遮擋和相位模糊并加入噪聲，得到接收符號序列；初始化先驗遮擋比例、發(fā)送符號概率分布和符號相位概率分布；建立馬爾科夫模型進行信道檢測(如圖3所示)，判定遮擋比例偏差與遮擋區(qū)間；對發(fā)送符號相位進行恢復(如圖4所示)；通過消息傳遞及更新計算發(fā)送符號對應編碼比特對數(shù)似然比序列；解交織并輸入譯碼器進行迭代譯碼，得到更新后的外信息序列及譯碼結(jié)果序列；將更新后的外信息序列進行交織，更新發(fā)送符號概率分布；在設定的迭代次數(shù)范圍內(nèi)不斷重復上述步驟，直至達到迭代次數(shù)后輸出最終譯碼結(jié)果。

進而對上述仿真流程進行計算機仿真，得到結(jié)果如圖5所示，即基于馬爾科夫鏈的聯(lián)合信道檢測、相位恢復和譯碼方法與各方法誤碼率曲線比較圖。理想解調(diào)譯碼曲線指的是已知信道狀態(tài)下的譯碼情況，未進行遮擋比例自適應譯碼曲線指的是不考慮實際遮擋比例與先驗遮擋比例之間的偏差，直接利用先驗遮擋比例進行迭代譯碼的情況。仿真中，本發(fā)明設置的算法迭代次數(shù)為3，ldpc譯碼器迭代譯碼次數(shù)為5，插入?yún)⒖挤柕姆绞綖槊?6個發(fā)送符號插入2個參考符號。根據(jù)仿真結(jié)果曲線可以看到在ber為1e‐4時，本發(fā)明的譯碼性能要優(yōu)于未知信道狀態(tài)解調(diào)譯碼算法2.6db左右，優(yōu)于未進行遮擋比例自適應解調(diào)譯碼算法0.3db左右，且與理想解調(diào)譯碼算法只差0.2db左右。