一种比特交织Turbo编码LoRa调制方法与流程

一种比特交织turbo编码lora调制方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，涉及比特交织编码调制(bit
‑
interleaved coded modulation，bicm)，turbo编译码，与远距离(long range，lora)通信的频移啁啾调制(frequency shift chirp modulation,fscm)，包含解调器输出信息位对数似然比(log
‑
likelihood ratio，llr)的计算方法，具体涉及一种比特交织turbo编码lora调制方法。


背景技术：

2.比特交织编码调制(bit
‑
interleaved coded modulation，bicm)技术是一种将信道编码与调制作为一个整体联合进行设计的差错控制技术，以期获得分集增益和编码增益，从而提高无线信道传输的频谱功率和功率谱效率。bicm采用编码和调制相结合的技术，获得编码增益而不牺牲信息速率的带宽。
3.turbo编码是近十几年来使用的一种接近awgn(加性高斯白噪声)信道容量的信道编码方案，具有不亚于ldpc码和极化码的性能，但turbo码构造更为灵活，turbo码使用交织的方法来构造随机长码，可采用最大似然比迭代译码算法，可以使系统在较低的信噪比下得到很好的误码性能，对于高阶调制系统而言有着重要的实用价值。然而，其软输入软输出译码器需要精确的似然信息输入，否则其性能将急剧恶化，这就要求获得解调器输出信息位最大似然比。
4.lora作为一种低功耗广域物联网技术，已成功应用于大量物联网场景中，具有带宽可扩展、抗干扰能力强、接收灵敏度高的优势。lora采用啁啾扩频调制(css)信号调制数据，lora调制使得接收机具有较高的灵敏度，可以在较低的信噪比条件下准确恢复出信息。
5.turbo码获得优异性能的根本原因之一是采用了迭代译码算法，通过与分量编码器对应的分量译码器之间软信息的交换来提高译码性能，对于turbo码，如果分量译码器的输出为硬判决，则不可能实现分量译码器之间软信息的交换，从而限制了系统性能的进一步提升，从信息论角度来看，任何硬判决都会损失部分信息，软输出译码器要求译码器输入输出均为软信息，因此，将lora调制与bicm，turbo编码结合，需要解调lora信号获得对应比特位对数似然比(llr)。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种比特交织turbo编码lora调制方法，能够降低其算法复杂度。
7.本发明通过以下技术方案实现。
8.一种比特交织turbo编码lora调制方法，包括：
9.发送端采用turbo编码器进行编码，并将所述编码器的输出码字送入交织器中进行交织，得到交织后的编码比特；所述交织后的编码比特流映射到不同的lora调制信号上进行传递；
10.接收端将接收到的lora调制信号与时间同步的原始下啁啾信号相乘进行信号解
扩，并将相乘后的信号做离散傅里叶变换，利用lora解调器获得比特对数似然比，将获得的对数似然比通过相应的解交织器后，送入turbo译码器中进行迭代译码。
11.本发明的有益效果：本发明相比于传统不加turbo编译码的lora信号移频调制系统，加入turbo编码后，系统的误码率性能有了明显提升，随信噪比增大，误码率的下降速率有了明显提升。
附图说明
12.图1为本发明发送端和接收端结构框图；
13.图2为本发明实例采用的turbo编码器的结构框图；
14.图3为本发明实例采用的分量码编码器的结构框图；
15.图4为本发明实例采用的turbo译码器的结构框图；
16.图5为lora移频调制系统无编译码、turbo编译码、bicm
‑
turbo编译码情况的误码率性能对比。
具体实施方式
17.下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细描述。
18.如图1所示，本具体实施方式的一种比特交织turbo编码lora调制方法，具体包括：
19.发送端采用turbo编码器进行编码，并将所述编码器的输出码字送入交织器中进行交织，得到交织后的编码比特；所述交织后的编码比特流映射到不同的lora调制信号上进行传递；
20.如图2所示，本实施例中，所述turbo编码器由两个分量编码器、一个交织器、一个删余器和一个并串转换单元组成；所述两个分量编码器并行级联，且均采用相同结构的递归系统卷积码(rsc)；所述交织器位于两个分量编码器之间，其中一个rsc编码器对原始输入信息比特进行编码，另一个rsc编码器对通过交织器后的信息比特进行编码，然后将它们输出的校验比特通过删余器和原始信息比特一起输入到并串转换单元，组合成码字。
21.本实施例中，所述lora调制信号采用上啁啾信号将信息进行传递；频率在一个符号周期内线性变化，其频率变化范围和速度取决于带宽b和扩频因子sf，一个lora信号可携带sf个比特信息，lora调制通过基带信号的不同起始频率携带信息。
22.接收端将接收到的lora调制信号与时间同步的原始下啁啾信号相乘进行信号解扩，并将相乘后的信号做离散傅里叶变换，利用lora解调器获得比特对数似然比，将获得的对数似然比通过相应的解交织器后，送入turbo译码器中进行迭代译码。
23.本实施例中，如图4所示，所述turbo译码器包括两个软输入软输出(siso)分量译码器、一个复用的交织器、一个解交织器、串并转换单元和硬判决单元。
24.本实施例中，所述获得比特对数似然比采用以下方式：
25.假设lora调制信号s(n)过理想加性高斯白噪声(awgn)信道，则r(n)＝s(n) n(n)，其中n(n)表示均值为0，方差为σ2＝n0/2的复高斯白噪声，s(n)解扩后信号为正弦信号，对解扩后信号进行快速傅里叶变换(fft)，利用fft频谱获得llr；
26.定义接收到的lora信号能量为p
l
，在理想信道条件下第i个fft频率采样点取值为：
[0027][0028]
w为lora信号携带的信息，n
i
表示均值为0，方差为σ2＝n0/2的复高斯白噪声，n0为单边带的噪声功率谱密度；
[0029]
定义第i个fft频率采样点上噪声的幅度ζ
i
＝|n
i
|，若一个变量服从一个复数高斯分布，其幅度将服从瑞利分布，因此ζ
i
服从瑞利分布，其概率密度函数为：
[0030][0031]
令则γ服从莱斯分布；
[0032]
对解扩后信号进行快速傅里叶变换(fft)后得到f(n)信号，f(n)上共有2
sf
个采样点，在第w(lora信号携带的信息)个采样点上出现尖峰，尖峰i处的值为γ
i
服从莱斯分布，其概率密度函数设为其余各个采样点j上的值则为ζ
j
，其大小服从瑞利分布，其概率密度函数设为当第1个比特为“0”时，接收端收到f(n)信号的概率为因此以第一个比特u的似然比推导为例：
[0033][0034]
在计算对数似然比时对概率的比值取对数，即
[0035]
实施例一：
[0036]
设turbo编码器中的分量编码器采用3gpp lte标准的turbo分量编码器，该分量编码器由3个移位寄存器组成，编码约束长度为4，具有8个状态，编码多项式(八进制形式)为g(d)＝[13,15]，其中反馈多项式为13，前向多项式为15。lte标准采用的二次置换多项式(qpp)交织器，交织函数的通式为：
[0037]
π(i)＝(f2i2 f1i)modk,(i＝0,......,k
‑
1)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0038]
以码长为1440比特，码率2/3，迭代次数8次，qpp交织器参数为k＝1440，f1＝149，f2＝60的turbo码为例，设lora调制带宽b＝125khz，扩频因子sf＝6，符号周期t＝2
sf
/b，采样间隔t
s
＝1/b，调制阶数m＝2
sf
＝64，设bicm采用长度为2160比特的随机交织器，turbo译码
采用max
‑
log
‑
map迭代译码算法。
[0039]
下面按照步骤更清楚的对本具体实施方式进行介绍：
[0040]
步骤一：将生成的比特信息u
k
输入到turbo编码器中完成编码，输出编码后的比特信息c
k
。turbo码编码器主要由两个分量编码器、一个交织器、一个删余器和一个并串转换单元组成。两个分量编码器并行级联，且均采用相同结构的递归系统卷积码(rsc)。交织器位于两个分量编码器之间。其中一个rsc编码器对原始输入信息比特u
k
进行编码，另一个rsc编码器对通过交织器后的信息比特u
′
k
进行编码，然后将它们输出的校验比特通过删余器和原始信息比特一起输入到并串转换单元，组合成码字c
k
，采用的rsc编码器结构如图3所示。
[0041]
步骤二：将编码后的比特流送入长度为2160比特的随机交织器中进行交织。
[0042]
步骤三：将交织后的编码比特映射为相应的周期频移啁啾信号实现lora调制，根据设定的参数带宽b与扩频因子sf，确定信号频率变化范围与相应的频率变化率，lora信号的采样间隔满足t
s
＝1/b，一个lora信号可以携带sf＝6个数据比特，将编码后的每sf＝6个数据比特分为一组，定义每组中第n个数据比特为d[n]，lora信号携带的信息为：
[0043][0044]
对应的功率归一化周期频移信号表达为：
[0045][0046]
其中n＝0,1......2
sf
‑
1，将此调制信号发送给接收端。
[0047]
步骤四：重复步骤一到三，直至将发送端所有的比特全部编码调制为lora调制信号。
[0048]
步骤五：在接收端做同步处理后，接收到相应的tdm
‑
lora调制信号：
[0049]
r(n)＝s(n) n
i
(n)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0050]
其中,n
i
(n)表示均值为0，方差为σ2＝n0/2的复高斯噪声，n0为单边带的噪声功率谱密度。
[0051]
步骤六：在接收端计算接收到的lora信号能量与噪声的功率谱密度，从而得到ζ
i
＝|n
i
|与的概率密度函数和
[0052]
步骤六：将接收信号r(n)与原始下啁啾信号相乘进行信号解扩：
[0053][0054]
，g(n)＝g
s
(n) n(n)s
d
(n)，g
s
(n)是正弦信号，对g(n)进行快速傅里叶变换(fft)得到g(n)的频域波形f(n)。
[0055]
步骤七：对f(n)进行分组，这里以第一个比特为例，将f(n)分为两组，第一个比特位为“0”时，对应f(n)频率采样点前2
sf
‑1个点，第一个比特位为“1”时，对应f(n)频率采样点
后2
sf
‑1个点，准确计算对数似然比时，首先计算对应第一个比特位为“0”的概率，将各个的频率采样点的值代入：
[0056][0057]
，之后计算对应第一个比特位为“1”的概率，将各个的频率采样点的值代入：
[0058][0059]
，将获得的第一个比特位为“0”的概率与第一个比特位为“1”的概率的比值取对数，即：
[0060][0061]
，求得第一个比特位的对数似然比。
[0062]
步骤八：重复步骤七，直至得到所有比特位的对数似然比软信息。
[0063]
步骤九：将接收到的各比特位对数似然比送入与步骤二中所用的随机交织器对应的解交织器中，完成解交织。
[0064]
步骤九：将解调器输出的对数似然比信息输入turbo译码器中，使用max
‑
log
‑
map算法进行turbo译码，串并转换单元接收信道软信息λ
k
输入，并按照编码的删余规则恢复三路比特对应的软信息λ
k,s
、λ
k,p1
和λ
k,p2
。分成信息比特和校验比特的似然信息，并初始化首次迭代的先验信息为零。siso分量译码器与rsc分量编码器对应，其接收对应的信息比特软信息λ
k,s
和校验比特软信息λ
k,p
输入，并额外接收来自另一个分量译码器的先验信息值λ
k,a
，同时计算分支度量，根据分量编码器的归零情况，初始化前向度量和后向度量，然后开始前后向度量的递推计算。在前后向度量递推完成后计算相应的后验概率信息。然后计算产生后验信息λ
k,apo
并提取外信息λ
k,e
。最后判断迭代译码是否完成，如果已完成，则对后验信息进行硬判决，否则将该分量译码器产生的外信息经过交织器或解交织器后作为另一个分量译码器的先验信息，继续迭代译码。
[0065]
至此，本实施例流程结束。
[0066]
下面通过一个实例的数据对比来说明本发明的效果。
[0067]
本实例为采用3gpp lte标准turbo码编译码结合lora信号移频调制算法，系统在不同多普勒频偏,awgn信道下的误码率性能。
[0068]
实例测试了10000帧，每帧1440比特的数据。
[0069]
如图5的仿真结果可以看出，本发明基与软输入软输出译码的比特交织turbo编码频移啁啾键控调制在lora调制扩频因子sf＝6，误码率为1
×
10
‑5时，相较lora调制性能提高约3.5db,相较应用turbo编码的lora调制性能提高约2.5db，适用于需要较高信息传递准确率、系统功耗低、且信息传输距离远的信息传递的场景。
[0070]
以上结合附图进行说明的实施过程仅为本发明的一个具体实例，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。