基于扩展Turbo码和连续相位调制的迭代译码方法与流程

基于扩展turbo码和连续相位调制的迭代译码方法
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种迭代译码方法，可应用于turbo码和连续相位调制的级联信号在低信噪比下的接收机检测。


背景技术：

2.turbo码是由c.berrou等人在icc’93学术交流会议上提出的，turbo码编码器由两个反馈的卷积码编码器通过一个随机的交织器并行连接而成，再经过删除矩阵，能够产生不同码率的码字，实现了随机编码；turbo码译码器由两个分量码译码器和解交织器组成，译码过程是将其中一个分量码译码器的软输出信息作为另一个分量码译码器的输入信息，将该过程迭代数次进行译码处理，能够达到接近香农极限的效果，在低信噪比的情况下，具有较好的误码性能。
3.连续相位调制技术是一种高效的数字调制技术，由其生成的cpm信号具有恒包络的特性，能够减少非线性失真带来的影响；cpm信号具有带外辐射功率小以及频谱利用率高等优点；另外，cpm信号的相位记忆性可以保证相位的连续，使得连续相位调制技术具有纠错的特性，若将编码技术与连续相位调制技术结合，将获得更好的系统性能。
4.在实际的无线通信系统中，离散信源在信号调制之前需要经过信道编码来降低传输信号受到的噪声干扰。s.benedetto等人在《serial concatenation interleaved codes:performance analysis，design and iterative decoding》一文中提出了串行级联卷积码，发送端采用外编码器和内调制器依次对信源比特进行串行处理，其接收机由一个产生内信息符号后验概率的内译码器，和利用该后验概率信息来恢复信源比特的外译码器构成，并将外编码器设置为卷积码，内调制器设置为连续相位调制，构成串行级联连续相位调制技术方案。该方案结果表明串行级联连续相位调制技术可以提高功率效率，在高信噪比时能达到较低的误码率，但在低信噪比条件下，误码率较高，误码性能较差。
5.薛睿于2010年发表的《新型turbo-cpm系统接收机的设计》一文中，公开了一种turbo-cpm系统接收机的设计方法，该方法基于软输入软输出算法将turbo码与连续相位调制进行串行级联迭代检测。该方法虽说在低信噪比条件下，可以达到较低的误码率，但由于需要迭代8次才能改善系统的收敛性，故增加了接收机的复杂度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种扩展turbo码和连续相位调制的级联迭代译码方法，以减少译码的迭代次数，降低接收机的复杂度，提高系统的误码性能。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下：
8.(1)将随机生成的l位信源序列d通过turbo编码器进行编码，生成n位turbo码编码序列t，将turbo码编码序列t通过交织器进行交织处理，再通过映射器进行映射，得到包含个符号的待调制序列α，其中，l≥1，n＝(m l)/r，，m表示turbo编码器中寄
存器的个数加1，r表示turbo编码的码率，m表示映射的进制数；
9.(2)将待调制序列α通过连续相位调制器进行调制，得到连续相位调制cpm信号s(t)，再通过高斯白噪声信道添加噪声，得到cpm接收信号r(t)，其中t表示时间；
10.(3)将cpm接收信号r(t)通过连续相位调制检测器进行检测，得到cpm码字比特先验信息λk(ci；i)，其中k表示cpm接收信号r(t)的第k个符号的序号，，i表示先验信息，ci表示cpm信号的码字比特；
11.(4)将cpm码字比特先验信息λk(ci；i)通过级联迭代译码器进行两次迭代译码，得到turbo信息比特外信息λk(uo；o)：
12.(4a)设cpm信息比特先验信息λk(ui；i)初始为零；
13.(4b)利用cpm码字比特先验信息λk(ci；i)和cpm信息比特先验信息λk(ui；i)先通过级联迭代译码器中的cpm译码器进行cpm译码，得到cpm信息比特外信息λk(ui；o)，再将该比特外信息通过级联迭代译码器中的解交织器进行解交织处理，得到turbo码字比特先验信息λk(co；i)，其中，ui表示cpm信号的信息比特，o表示外信息，co表示turbo码的码字比特；
14.(4c)将turbo码字比特先验信息λk(co；i)通过级联迭代译码器中的扩展turbo译码器进行turbo码译码处理，得到turbo码字比特外信息λk(co；o)；
15.(4d)将turbo码字比特外信息λk(co；o)通过级联迭代译码器中的交织器进行交织处理，得到cpm信息比特先验信息λk(ui；i)，再将该先验信息λk(ui；i)输入到级联迭代译码器中的cpm译码器中并执行(4b)，进行第二次级联译码处理，得到turbo信息比特外信息λk(uo；o)，其中，uo表示turbo码的信息比特；
16.(5)将级联迭代译码器输出的turbo信息比特外信息λk(uo；o)通过判决器进行硬判决，得到最终l位译码输出序列w。
17.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
18.第一、本发明由于将接收信号先通过连续相位调制检测器得到cpm码字比特先验信息，再将该先验信息输入到级联译码器中进行两次迭代译码，实现了连续相位调制检测器和级联译码器之间的软信息共享，减少了信息的损失，保证了信息传输的有效性。
19.第二、本发明由于利用扩展turbo译码器能同时输出码字比特外信息和信息比特外信息，并将扩展turbo译码器输出的码字比特外信息输入到cpm译码器进行cpm译码，实现了扩展turbo译码器和cpm译码器之间的软信息共享，提高了信息的有效性；此外由于将扩展turbo译码器输出的信息比特外信息进行硬判决得到最终的译码输出序列，保证了信息传输的可靠性。
20.第三，本发明仅需要迭代两次，就能够达到较好的误码效果，相比于现有技术需要迭代八次才能达到的误码性能，不仅减少了译码迭代次数而且提高了误码性能，降低了系统的复杂度，实现了信息有效且可靠的传输。
附图说明
21.图1为本发明的实现流程图；
22.图2为本发明中turbo编码器的结构图；
23.图3为本发明中级联迭代译码器结构图；
24.图4为本发明和现有技术的误码率仿真曲线对比图。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步详细描述。
26.参照图1，本实例的实现步骤如下：
27.步骤1，利用turbo编码器对信源序列d进行turbo编码，生成位待调制序列α。
28.参照图2，所述turbo编码器由交织器、两个结构相同的分量码编码器以及删余矩阵构成。
29.本步骤的具体实现如下：
30.(1.1)将随机生成的l位信源序列d添加m位尾比特，生成n
l
位待编码序列ts，并将待编码序列ts通过turbo编码器中的交织器进行交织，得到交织序列t
0s
，其中，l≥1，n
l
＝m l，m表示turbo编码器中寄存器的个数加1，本实施例取l＝253，m＝3，n
l
＝256；
31.(1.2)将交织序列t
0s
和待编码序列ts分别通过turbo编码器中两个结构相同的分量码编码器进行编码，得到两路编码输出序列，利用删余矩阵删除两路编码输出序列中特定的校验位，并将其合并为一路输出序列，得到校验序列t
p
；
32.(1.3)将校验序列t
p
与待编码序列ts进行复用，得到n位turbo码编码序列t，其中，n＝n
l
/r，n
l
表示待编码序列ts的长度，r表示turbo编码的码率，本实施例取r＝2/3，n＝384；
33.(1.4)将turbo码编码序列t通过交织器进行交织，再通过映射器进行映射，得到包含个符号待调制序列α，其中，，m表示映射的进制数，本实施例取m＝8，；
34.步骤2，利用待调制序列α得到cpm接收信号r(t)：
35.(2.1)利用待调制序列α通过连续相位调制器进行调制，得到连续相位信号cpm信号s(t)，表示为：
[0036][0037]
其中，t表示时间，ktb≤t≤(k 1)tb，k表示序号，，k表示序号，表示待调制序列α序列的符号长度，e为符号能量，tb为符号周期，j表示复数中虚数的单位，exp(
·
)表示以自然常数e为底的指数函数，φ(t,α)为相位函数，表示为：
[0038][0039]
其中，h为调制指数，l是cpm信号的相位约束长度，ak表示待调制序列α的第k个符号，mod(
·
)表示取模运算，q(
·
)表示相位脉冲，本实施例取h＝1/2，l＝2，tb＝1/2.5
×
106；
[0040]
(2.2)利用cpm信号s(t)通过高斯白噪声信道添加噪声，得到cpm接收信号r(t)。
[0041]
步骤3，根据cpm接收信号r(t)获得cpm码字比特先验信息。
[0042]
将cpm接收信号r(t)输入到连续相位调制检测器进行检测，得到cpm码字比特先验信息λk(ci；i)，表示如下：
[0043][0044]
其中，k表示cpm接收信号r(t)的第k个符号的序号，其中，k表示cpm接收信号r(t)的第k个符号的序号，表示cpm接收信号
r(t)的符号长度，表示cpm接收信号r(t)的同相分量，表示cpm接收信号r(t)的正交分量，ci表示cpm信号的码字比特，i表示先验信息，表示高斯白噪声的功率谱密度，φ(t,α)表示相位函数。
[0045]
步骤4，通过级联迭代译码器对cpm码字比特先验信息λk(ci；i)进行两次迭代译码，得到turbo信息比特外信息λk(uo；o)。
[0046]
参照图3，所述级联迭代译码器由cpm译码器、交织器、扩展turbo译码器以及解交织器构成。其中，cpm译码器用于将cpm码字比特先验信息进行译码得到cpm信息比特外信息，扩展turbo译码器用于将turbo码字比特先验信息进行译码得到turbo码字比特外信息和turbo信息比特外信息，交织器用于打乱输入到其中的序列顺序，降低交织前后序列的相关性，解交织器是交织器的逆过程。
[0047]
本步骤的具体实现如下：
[0048]
(4.1)设cpm信息比特先验信息λk(ui；i)初始为零；
[0049]
(4.2)利用cpm码字比特先验信息λk(ci；i)和cpm信息比特先验信息λk(ui；i)通过级联迭代译码器中的cpm译码器进行cpm译码，得到cpm信息比特外信息λk(ui；o)，表示如下：
[0050][0051][0052]
其中，k表示cpm接收信号r(t)的第k个符号的序号，其中，k表示cpm接收信号r(t)的第k个符号的序号，表示cpm接收信号r(t)的符号长度，o表示外信息，λk(ui；i)表示cpm信息比特先验信息，表示cpm接收信号r(t)的第k个码字比特，α
k-1
(ps)表示分支p起始状态的前向路径度量，βk(pe)表示分支p结束状态的后向路径度量；
[0053]
(4.3)将cpm信息比特外信息λk(ui；o)通过级联迭代译码器中的解交织器进行解交织，得到turbo码字比特先验信息λk(co；i)；
[0054]
(4.4)将turbo码字比特先验信息λk(co；i)通过级联迭代译码器中的扩展turbo译码器进行turbo码译码处理，得到turbo码字比特外信息λk(co；o)，表示如下：
[0055][0056]
其中，表示turbo码的第j个码字比特，设turbo信息比特先验信息λ(uo；i)初始为零；
[0057]
(4.5)将turbo码字比特外信息λk(co；o)通过级联迭代译码器中的交织器进行交织处理，得到cpm信息比特先验信息λk(ui；i)，再将该先验信息λk(ui；i)输入到级联迭代译码器中的cpm译码器中并执行(4.2)，进行第二次级联译码处理，得到turbo信息比特外信息λk(uo；o)，表示如下：
[0058][0059]
其中，i表示先验信息，表示turbo码的第j个信息比特，λk(co；i)表示turbo码字比特先验信息。
[0060]
步骤5，将级联迭代译码器输出的turbo信息比特外信息λk(uo；o)通过判决器进行硬判决，得到最终l位译码输出序列w。
[0061]
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
[0062]
1.仿真条件：
[0063]
仿真使用matlab r2018b仿真软件，编码方式为turbo编码，码率r＝2/3，调制方式为连续相位调制，映射的进制数m＝8，调制指数h＝1/2，信源序列长度l＝253，仿真次数设为40000次。
[0064]
2.仿真内容及结果分析：
[0065]
在上述仿真条件下，对本发明和现有turbo-cpm系统接收机中的译码方法进行turbo码和连续相位调制级联信号的译码仿真，结果如图4所示。其中，横坐标为信噪比，单位为分贝db，纵坐标为误码率。
[0066]
从图4中可以看出，本发明的误码性能整体上优于现有技术的误码性能，信噪比在0db～0.5db区间内，本发明与现有技术的误码率相差较小，当信噪比为1.5db时，本发明的误码率在10-3
数量级，比现有技术的性能提升了约0.3db，当信噪比为1.7db时，本发明误码率达到10-4
数量级，比现有技术的性能提升了约0.5db。
[0067]
仿真结果表明，本发明仅需要迭代两次，就能够达到较好的误码效果，相比于现有技术需要迭代八次才能达到的误码性能，不仅提高了误码性能而且减少了译码迭代次数，降低了系统的复杂度，实现了信息有效且可靠的传输。