專利名稱：一種Turbo碼與多維調(diào)制級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)編譯碼方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種Turbo碼與多維調(diào)制級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)編譯碼方案屬于迭代譯碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在無線通信系統(tǒng)中，為了保證信息被可靠地傳輸，信道編碼是一項(xiàng)靈活而且有效的技術(shù)。在各種信道編碼技術(shù)中，Turbo碼是一種能力強(qiáng)大的信道編碼，它能夠在距離香農(nóng)極限較近的信噪比達(dá)到較低的誤碼率。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種通信系統(tǒng)當(dāng)中，比如第三代陸地移動(dòng)通信協(xié)議UMTS/3GPP以及深空通信協(xié)議CCSDS中。
Turbo碼的編譯碼器結(jié)構(gòu)如圖1中所示。在發(fā)送端，它由兩個(gè)相同的系統(tǒng)遞歸卷積碼(RSC)編碼器和一個(gè)交織器π組成，兩個(gè)編碼器通過π并行級(jí)聯(lián)在一起，兩個(gè)RSC碼輸出的校驗(yàn)位序列p1和p2與原始信息比特序列u通過復(fù)接器進(jìn)行復(fù)接得到的碼字序列，最后對(duì)該序列進(jìn)行Gray映射的QPSK調(diào)制(或者說是BPSK調(diào)制)，如圖1.1所示。復(fù)接器的功能就是將三個(gè)輸入序列按照(u，p1，p2)的順序連接在一起，成為一個(gè)單獨(dú)的輸出序列。在接收端，Turbo碼的譯碼器包括兩個(gè)相同的RSC碼的譯碼器，分別對(duì)每個(gè)RSC碼使用軟輸入軟輸出(SISO)的最大后驗(yàn)概率(MAP)譯碼算法，每個(gè)RSC碼譯碼器都會(huì)輸出信息比特序列的后驗(yàn)概率序列，該后驗(yàn)概率序列通過交織或解交織后成為了另外一個(gè)譯碼器的先驗(yàn)概率序列，這樣，通過在兩個(gè)譯碼器間的后驗(yàn)概率序列的傳遞來實(shí)現(xiàn)迭代譯碼，如圖1.2所示。圖中P(；I)表示輸入的先驗(yàn)概率序列，P(；O)表示輸出的后驗(yàn)概率序列，P(u；)表示關(guān)于信息比特序列的概率序列，P(p1；)和P(p2；)分別表示關(guān)于兩個(gè)RSC碼的校驗(yàn)比特序列的概率序列，下標(biāo)dec1表示譯碼器1的輸入或輸出，下標(biāo)dec2表示譯碼器2的輸入或輸出，下標(biāo)dem表示解調(diào)器的輸入或輸出。在第一次迭代開始的時(shí)候，由于譯碼器2還沒有后驗(yàn)概率輸出，P(u；Idec1)被初始化為等概情況，也就是信息比特序列u中得每一個(gè)比特等于0和等于1的概率都為0.5。
這里我們對(duì)所選用的RSC碼做如下規(guī)定。RSC碼的記憶深度為m，以網(wǎng)格圖表示時(shí)共有2m個(gè)狀態(tài)，以st表示狀態(tài)值，st∈{st0,st1,···,st2m-1}.]]>每個(gè)狀態(tài)都有兩個(gè)輸出分支和兩個(gè)輸入分支，整個(gè)網(wǎng)格圖中一共可能有2m+1個(gè)分支，分支以e表示，e∈{e0,e1,···,e2m+1-1}.]]>每個(gè)分支都有一個(gè)起始狀態(tài)和一個(gè)結(jié)束狀態(tài)，令stB(e)表示分支e的起始節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值，stE(e)表示分支e的結(jié)束節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值。另外，每個(gè)分支都對(duì)應(yīng)于一個(gè)n比特的標(biāo)簽，n為大于1的整數(shù)，其中包括一個(gè)信息比特和n-1個(gè)校驗(yàn)比特，分別用u(e)和p(e)表示。不鑿孔時(shí)，忽略收尾比特序列的影響，RSC碼的編碼效率為R1＝1/n，如果想得到更高效率的編碼可以使用鑿孔技術(shù)。所謂“收尾”就是在對(duì)信息比特序列的編碼過程結(jié)束后，為了最終使得編碼器的狀態(tài)值為0狀態(tài)，而對(duì)每一個(gè)編碼器進(jìn)行的操作，包括添加長度為m的收尾比特序列ut，以及對(duì)收尾比特序列編碼所得到的長度為(n-1)*m的校驗(yàn)比特序列pt，兩部分的總長度為n*m。Turbo碼的碼字長度決定于其交織器的深度以及RSC碼的記憶深度。假設(shè)交織器的深度為L，也就是每個(gè)Turbo碼的編碼塊內(nèi)共有L個(gè)信息比特，則兩個(gè)RSC碼編碼器輸出的校驗(yàn)比特序列長度均為(n-1)*L，兩個(gè)RSC碼編碼器的兩組收尾比特序列的總長度為2*n*m，最終的Turbo碼的碼字長度為2*n*L-L+2*N*m，由于2*n*m一般遠(yuǎn)小于L，Turbo碼的編碼效率近似為R＝R1/(2-R1)。
在Turbo碼譯碼過程中的每一次迭代譯碼時(shí)，每個(gè)RSC碼譯碼器都使用MAP算法，RSC碼譯碼器后驗(yàn)概率的計(jì)算過程如下1.首先要完成前向和逆向的遞推。交織器的深度為L，RSC碼的記憶深度為m，在有收尾比特序列的情況下，用網(wǎng)格圖表示的整個(gè)卷積碼共有M＝L+m+1個(gè)節(jié)點(diǎn)。令A(yù)k(stB(e))表示在第k個(gè)節(jié)點(diǎn)上，該碼處于狀態(tài)stB(e)且輸出分支為e的概率，k＝0，1，…，M-1；令Bk(stE(e))表示在第k個(gè)節(jié)點(diǎn)上，該碼處于狀態(tài)stE(e)且輸入分支為e的概率，k＝1，2，…，M；令u(e)表示當(dāng)分支為e的時(shí)候在該編碼節(jié)點(diǎn)上輸入的信息比特的值；pj(e)表示當(dāng)分支為e的時(shí)候在該編碼節(jié)點(diǎn)上輸出的校驗(yàn)比特序列中第j個(gè)比特的值，j＝0，1，…，n-2。則前向遞推為Ak(st)=Σe:stE(e)=stAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)Πj=0n-2Pk(pj(e);I)---(1),]]>逆向遞推為
Bk(st)=Σe:stB(e)=stBk+1(stE(e))Pk+1(u(e);I)Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)---(2).]]>假設(shè)網(wǎng)格圖的初始狀態(tài)為0，而且經(jīng)過收尾以后，最終的狀態(tài)也為0。則上述遞推公式的初始值為A0(st0)＝1，A0(sti)＝0 i＝1，2，…，2m-1；BM(st0)＝1，BM(sti)＝0 i＝1，2，…，2m-1。
2.輸出的網(wǎng)格圖上第k個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信息比特和校驗(yàn)比特的后驗(yàn)概率，通過下式計(jì)算得到Pk(u(e)=b;O)=Σe:u(e)=bAk-1(stB(e))Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)Bk(stE(e))---(3),]]>Pk(pj(e)=b;O)=Σe:pj(e)=bAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)(Σi=0i≠jv-2Pk(pi(e);I))Bk(stE(e))---(4),]]>其中pi(e)表示分支e的標(biāo)簽中校驗(yàn)比特的第i個(gè)比特，b∈{0，1}。(1-4)式中得到的概率值需要進(jìn)行歸一化。
對(duì)于鑿孔和不鑿孔的兩種情況，譯碼器的結(jié)構(gòu)是完全一樣的，只不過在輸入先驗(yàn)概率時(shí)，對(duì)應(yīng)于鑿孔位置的先驗(yàn)概率用先驗(yàn)等概來描述。
整個(gè)Turbo碼的譯碼過程由兩個(gè)RSC碼譯碼器迭代完成，每一次迭代中兩個(gè)譯碼器都分別進(jìn)行一次譯碼。在信噪比滿足一定大小的條件下，每次迭代之后，每個(gè)譯碼器輸出的信息比特序列的后驗(yàn)概率序列的準(zhǔn)確度都會(huì)有所增長，該后驗(yàn)概率序列經(jīng)過交織或解交織后又將成為另外一個(gè)譯碼器的輸入先驗(yàn)概率序列。最終經(jīng)過多次迭代之后，信息比特序列的后驗(yàn)概率序列將接近準(zhǔn)確。與此同時(shí)，在每次迭代譯碼之后，校驗(yàn)比特序列上的后驗(yàn)概率序列也將變得更加準(zhǔn)確，但是由于Turbo碼的結(jié)構(gòu)，該后驗(yàn)概率序列無法被利用。
本發(fā)明針對(duì)Turbo碼的上述缺陷對(duì)Turbo碼進(jìn)行了修改，使得Turbo碼的校驗(yàn)比特序列上的后驗(yàn)概率序列在譯碼過程中得以被利用，從而得到了性能更好的信道編碼調(diào)制方案。同時(shí)，針對(duì)本發(fā)明提出的編碼調(diào)制結(jié)構(gòu)，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)所需的RSC碼和調(diào)制方式進(jìn)行了搜索，提出了一套高性能的具體實(shí)現(xiàn)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，使得傳統(tǒng)Turbo碼譯碼過程中無法被使用的校驗(yàn)比特序列的后驗(yàn)概率序列得以利用。本發(fā)明提出的新型的編譯碼方案將Turbo碼的信息比特序列和校驗(yàn)比特序列使用不同的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，通過迭代解調(diào)，使得校驗(yàn)比特序列的后驗(yàn)概率序列得以利用。迭代解調(diào)是二十世紀(jì)九十年代末被提出的，它通過對(duì)星座映射方式的仔細(xì)選擇，與信道編碼一起配合，可以提高系統(tǒng)的誤碼率性能。之所以選擇多維調(diào)制，是因?yàn)橄啾纫酝褂玫亩S調(diào)制，它有更好的性能。本發(fā)明針對(duì)加性高斯白噪聲(AWGN)信道，根據(jù)后驗(yàn)概率傳遞的特性進(jìn)行了多維星座圖調(diào)制映射的優(yōu)化，提出了一個(gè)具體的多維調(diào)制映射方案(見后文中的表1)。
本發(fā)明所提出的系統(tǒng)的收發(fā)兩端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2.1中給出了本系統(tǒng)的發(fā)端，對(duì)比圖1.1可知，它對(duì)傳統(tǒng)的Turbo碼的調(diào)制方式進(jìn)行了修改，把Turbo碼的碼字分成兩部分分別進(jìn)行調(diào)制映射。其中，信息比特序列仍然使用Gray映射的QPSK進(jìn)行調(diào)制(調(diào)制器1)，對(duì)于校驗(yàn)比特序列則使用多維QPSK星座映射進(jìn)行調(diào)制。這是因?yàn)樵诓贿M(jìn)行迭代調(diào)制時(shí)，對(duì)Gray映射的解調(diào)所得到的后驗(yàn)概率是所有映射方式中最準(zhǔn)確的，而對(duì)于信息比特序列來說，我們已經(jīng)通過Turbo碼譯碼對(duì)它的后驗(yàn)概率序列進(jìn)行了利用，并不需要再使用迭代解調(diào)。對(duì)于Turbo碼的校驗(yàn)比特序列，我們根據(jù)Turbo碼的后驗(yàn)概率傳遞特性選擇與之匹配的多維QPSK調(diào)制方式。Turbo碼的兩個(gè)RSC碼編碼器編碼后的校驗(yàn)比特序列先通過復(fù)接器1進(jìn)行復(fù)接，然后進(jìn)入交織器π2進(jìn)行交織，再進(jìn)入N維QPSK調(diào)制器(調(diào)制器2)進(jìn)行調(diào)制。兩個(gè)調(diào)制器的輸出符號(hào)t1和t2通過復(fù)接器2進(jìn)行復(fù)接后被發(fā)送。
所謂N維QPSK調(diào)制，就是由N個(gè)比特一起決定連續(xù)的N/2個(gè)QPSK信號(hào)，每個(gè)2維QPSK信號(hào)都是由正交和同相兩個(gè)分量組成的，一個(gè)N維QPSK信號(hào)也就是由N/2對(duì)正交和同相的分量組成的一個(gè)N維星座圖上的一個(gè)星座點(diǎn)，該星座圖上共有2N個(gè)星座點(diǎn)。圖3.1和圖3.2中分別畫出了一個(gè)2維QPSK和一個(gè)4維QPSK星座圖，可見后者就是對(duì)前者進(jìn)行的一個(gè)4維擴(kuò)展。在4維星座圖中任意地標(biāo)注了兩個(gè)星座點(diǎn)S0和S1，其中，S0的坐標(biāo)為(a，a，a，a)，它所對(duì)應(yīng)的4比特二進(jìn)制序列為“0000”(下文中將稱該二進(jìn)制序列為星座點(diǎn)的“標(biāo)簽”)，S1的坐標(biāo)為(-a，-a，-a，-a)，它的標(biāo)簽為“1111”。一般的，一個(gè)N維QPSK星座圖中任意一個(gè)星座點(diǎn)都有一個(gè)N維的坐標(biāo)向量，令該坐標(biāo)為si，令星座點(diǎn)的集合為χ={s0,s1,···,s2N-1}.]]>同時(shí)，每個(gè)星座點(diǎn)都有一個(gè)N比特的標(biāo)簽，令該標(biāo)簽為v＝(v0，v1，…，vN-1)，其中vi表示標(biāo)簽v的第i個(gè)比特。坐標(biāo)與標(biāo)簽間的對(duì)應(yīng)方式稱為該星座圖的映射方式，用μ來表示，s＝μ(v)。假設(shè)發(fā)送的信號(hào)為s，s∈χ，接收到的信號(hào)為r，則該信號(hào)的標(biāo)簽的各個(gè)比特值的后驗(yàn)概率可以依下式計(jì)算
P(vi=b;O)=Σs∈χbiP(r|s)Πj≠ij=0N-1P(vj=(μ-1(s))j;I)---(5).]]>其中P(r|s)表示接收信號(hào)的先驗(yàn)概率；χbi表示χ的子集，其中每個(gè)星座點(diǎn)的標(biāo)簽第i位的值都等于b，b∈{0，1}；(μ-1(s))j表示星座點(diǎn)s的標(biāo)簽的第j位的比特值。設(shè)噪聲的方差為N0/2，則近似有P(r|s)=1πN0exp(-|r-s|2N0)---(6)]]>當(dāng)標(biāo)簽的各個(gè)比特都沒有先驗(yàn)概率的時(shí)候，也就是先驗(yàn)等概時(shí)，(5)式可以簡化成P(vi=b;O)=Σs∈χbiP(r|s)---(7).]]>(5)、(7)式中計(jì)算的概率值還需要進(jìn)行歸一化。
圖2.2中給出了本系統(tǒng)的收端，對(duì)比1.2可知，該收端是在Turbo碼譯碼器上疊加了一個(gè)迭代解調(diào)的單元。圖中的符號(hào)意義與圖1.2中所描述的相同，另外，下標(biāo)dem1表示解調(diào)器1的輸入或輸出，下標(biāo)dem2表示解調(diào)器2的輸入或輸出。在迭代解調(diào)和譯碼的開始，接收機(jī)先通過解復(fù)接器2將接收到的信號(hào)進(jìn)行解復(fù)接分為兩個(gè)接收符號(hào)序列r1和r2，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)t1和t2，它們分別作為解調(diào)器1和解調(diào)器2的輸入。圖中實(shí)線連接的部分是一個(gè)Turbo碼的譯碼器，我們把它稱作“小環(huán)”譯碼，在該過程中，Turbo碼的兩個(gè)RSC碼譯碼器接收來自解調(diào)器1的信息比特序列的先驗(yàn)概率序列和來自解調(diào)器2的和校驗(yàn)比特序列的先驗(yàn)概率序列，信息比特序列的后驗(yàn)概率序列在兩個(gè)RSC碼譯碼器之間迭代傳遞，其過程與上文中描述的Turbo碼譯碼器譯碼過程相同。每迭代U次“小環(huán)”譯碼以后，將校驗(yàn)比特序列的后驗(yàn)概率序列輸出，經(jīng)過復(fù)接器1和交織器π2之后，成為解調(diào)器2的先驗(yàn)概率序列，解調(diào)器2進(jìn)行一次解調(diào)，然后再輸出校驗(yàn)比特序列的后驗(yàn)概率序列，該后驗(yàn)概率序列再經(jīng)過解交織器π2-1和解復(fù)接器1后成為“小環(huán)”譯碼的先驗(yàn)概率序列。迭代解調(diào)相關(guān)的過程在圖中以虛線表示。我們把一次解調(diào)器2的解調(diào)和U次“小環(huán)”譯碼一起稱作一次“大環(huán)”譯碼。把“大環(huán)”譯碼的迭代次數(shù)V叫做本方案的的迭代譯碼次數(shù)。
本發(fā)明的特征在于它依次含有以下步驟在發(fā)送端，依次含有以下步驟
第1步.在開始編碼前進(jìn)行初始化，設(shè)定交織器π1的交織深度L，隨機(jī)產(chǎn)生交織圖樣；設(shè)定交織器π2的交織深度為Lp＝2*(n-1)*L+2*n*m，隨機(jī)產(chǎn)生交織圖樣。編碼器1和編碼器2相同，都是編碼效率為R1＝1/n的系統(tǒng)碼編碼器，每輸入一個(gè)信息比特就會(huì)輸出n-1個(gè)校驗(yàn)比特，編碼器的記憶深度為m，將編碼器1和編碼器2的狀態(tài)都設(shè)為0狀態(tài)。
第2步.把序列長度為L的信息比特序列u輸入編碼器1進(jìn)行編碼，令u＝u0，u1，…，uL-1，輸出信息比特序列的校驗(yàn)比特序列p1，輸出收尾比特序列ut1，輸出收尾比特序列的校驗(yàn)比特序列pt1，將上述三個(gè)比特序列一起稱為分量碼1的校驗(yàn)比特序列p1’；同時(shí)該信息比特序列通過交織器π1進(jìn)行交織，然后輸入編碼器2進(jìn)行編碼，輸出信息比特序列的校驗(yàn)比特序列p2，輸出收尾比特序列ut2，輸出收尾比特序列的校驗(yàn)比特序列pt2，將上述三個(gè)比特序列一起稱為分量碼2的校驗(yàn)比特序列p2’。最終得到的碼字總長度為2*n*L-L+2*n*m，其中校驗(yàn)比特序列以及收尾比特序列(以后合在一起簡稱為Turbo碼的校驗(yàn)比特序列)的長度為Lp＝2*(n-1)*L+2*n*m。
第3步.將信息比特序列通過調(diào)制器1進(jìn)行2維Gray映射的調(diào)制，生成長度為 的2維調(diào)制信號(hào)序列t1，t1=t1,0,t1,1,···,t1,L2-1.]]>假設(shè)2維QPSK星座點(diǎn)可能的四種信號(hào)取值為(±a，±a)。信息比特序列u的第2k和2k+1兩個(gè)比特u2k和u2k+1分別決定t1，k的同相分量t1，kI和正交分量t1，kQt1,kI=(-1)u2ka,]]>t1,kQ=(-1)u2k+1a.]]>將編碼器1和編碼器2輸出的信息比特序列的校驗(yàn)比特序列、收尾比特序列、收尾比特序列的校驗(yàn)比特序列通過復(fù)接器1按照(p1，p2，ut1，pt1，ut2，pt2)的順序復(fù)接在一起，成為一個(gè)單獨(dú)的序列。之后通過交織器π2進(jìn)行交織，得到序列p，p=p0,p1,···,pLp-1.]]>p再通過調(diào)制器2按照選定的調(diào)制映射方案進(jìn)行N維QPSK調(diào)制映射，生成長度為 的N維調(diào)制信號(hào)序列t2，t2=t2,0,t2,1,···,t2,LPN-1.]]>該星座圖的星座點(diǎn)的集合為χ={s0,s1,···,s2N-1},]]>每個(gè)調(diào)制信號(hào)t2，i∈χ，t2，i的標(biāo)簽v2，i為校驗(yàn)比特序列p的第N*i到N*i+N-1個(gè)比特，v2，i＝(pNi，PNi+1，…，PNi+N-1)。
第4步.將調(diào)制器1輸出的調(diào)制信號(hào)序列t1和調(diào)制器2輸出的調(diào)制信號(hào)序列t2通過復(fù)接器2按照(t1，t2)的順序進(jìn)行復(fù)接，成為一個(gè)單獨(dú)的輸出符號(hào)序列，然后發(fā)送至信道。
在接收端，依次含有以下步驟第1步.在開始譯碼前進(jìn)行初始化，把輸入到譯碼器1的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec1)和輸入到解調(diào)器2的序列p先驗(yàn)概率序列P(p；Idem2)置為等概率。所述的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec1)也就是譯碼器2輸出的后驗(yàn)概率序列P(u；Odec2)經(jīng)過解交織器π1-1解交織器后得到的。
第2步.對(duì)從信道上接收到的符號(hào)用解復(fù)接器2進(jìn)行解復(fù)接，得到接收信號(hào)序列r1和r2，分別輸送給兩個(gè)解調(diào)器。r1=r1,0,r1,1,···,r1,LP2-1,]]>r2=r2,0,r2,1,···,r2,LPN-1,]]>它們分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)發(fā)射信號(hào)序列t1和t2。
第3步.解調(diào)器1根據(jù)接收信號(hào)序列r1計(jì)算并輸出序列u的后驗(yàn)概率序列P(u；Odem1)。對(duì)于序列r1中的第i個(gè)接收信號(hào)r1，i，它的同相分量r1，iI和正交分量r1，iQ兩個(gè)分量分別對(duì)應(yīng)于信息比特u2k和u2k+1，依下式計(jì)算它們的后驗(yàn)概率P(u2k=b;O)=1πN0exp(-|r1,iI-(-1)ba|2N0);]]>P(u2k+1=b;O)=1πN0exp(-|r1,iQ-(-1)ba|2N0).]]>上式中b∈{0，1}。對(duì)所有的r1，i所對(duì)應(yīng)的比特計(jì)算后驗(yàn)概率并進(jìn)行歸一化后，就得到后驗(yàn)概率序列P(u；Odem1)，它直接作為譯碼器1的序列u的先驗(yàn)概率序列輸入；另外，它經(jīng)過交織器π1進(jìn)行交織后將作為譯碼器2的先驗(yàn)概率序列輸入。
第4步.進(jìn)行V次“大環(huán)”迭代解調(diào)譯碼，包括一次解調(diào)器2的解調(diào)和U次“小環(huán)”迭代譯碼第4.1步.解調(diào)器2的工作解調(diào)器2的輸入有兩部分，包括從信道上接收到的信號(hào)序列r2和編碼器輸出的序列p的先驗(yàn)概率序列P(p；Idem2)。輸出為序列p的后驗(yàn)概率序列P(p；Odem2)。首先，對(duì)于序列r2中的第i個(gè)信號(hào)r2，i計(jì)算發(fā)送信號(hào)t2，i的先驗(yàn)概率P(r2，i|t2，i＝sj)，j＝0，1，…，2N-1
P(r2,i|t2,i=sj)=1πN0exp(-|r2,i-sj|2N0)]]>然后再計(jì)算r2，i的標(biāo)簽v2，i所對(duì)應(yīng)的N個(gè)比特的后驗(yàn)概率P(v2,il=b;O)=Σsj∈χblP(r2,i|t2,i=sj)Πh≠lh=0N-1P(v2,ih=(μ-1(sj))h;I),l,h=0,1,···,N-1.]]>其中，χbl表示χ的子集，其中每個(gè)星座點(diǎn)的標(biāo)簽第l位的值都等于b，b∈{0，1}；v2，il表示v2，i的第l個(gè)比特，(μ-1(sj))h表示信號(hào)sj的標(biāo)簽的第h個(gè)比特的值。對(duì)所有的r2，i的標(biāo)簽計(jì)算后驗(yàn)概率并進(jìn)行歸一化后，就得到序列p的后驗(yàn)概率序列P(p；Odem2)。
第4.2步.P(p；Odem2)經(jīng)過解交織器π2-1進(jìn)行解交織，然后經(jīng)過解復(fù)接器1進(jìn)行解復(fù)接，得到P(p1′；Idec1)和P(p2′；Idec2)，分別作為譯碼器1和譯碼器2的關(guān)于序列p1’和p2’的先驗(yàn)概率序列輸入。
第4.3步.進(jìn)行U次“小環(huán)”譯碼第4.3.1步.譯碼器1的譯碼譯碼器1對(duì)分量碼1進(jìn)行譯碼，它有三個(gè)輸入，分別是來自解調(diào)器1的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Odem1)；來自解交織器π1-1的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec1)；來自解復(fù)接器1的序列p1’的先驗(yàn)概率序列P(p1′；Idec1)。有兩個(gè)輸出，分別是序列u的后驗(yàn)概率序列P(u；Odec1)；序列p1’的后驗(yàn)概率序列P(p1′；Odec1)。
首先要完成前向和逆向的遞推。令A(yù)k(stB(e))表示在對(duì)第k個(gè)信息比特編碼時(shí)，該碼處于狀態(tài)stB(e)且輸出分支為e的概率，k＝0，1，…，M-1。有收尾比特，所以整個(gè)碼字一共有M＝L+m+1個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)；令Bk(stE(e))表示在第k個(gè)信息比特編碼時(shí)，該碼處于狀態(tài)stE(e)且輸入分支為e的概率，k＝1，2，…，M；當(dāng)k＜L時(shí)，u(e)表示當(dāng)分支為e的時(shí)候在該編碼節(jié)點(diǎn)上輸入的信息比特，它對(duì)應(yīng)于序列u中的第k個(gè)比特，u(e)＝uk；pj(e)表示當(dāng)分支為e的時(shí)候在該編碼節(jié)點(diǎn)上輸出的校驗(yàn)比特序列中第j個(gè)比特，j＝0，1，…，n-2，它對(duì)應(yīng)于序列p1中的第(n-1)*k+j個(gè)比特，pj(e)＝P1，(n-1)·k+j；當(dāng)k≥L時(shí)，u(e)則表示第k-L個(gè)收尾比特，pj(e)表示第k-L個(gè)收尾比特的校驗(yàn)比特序列中的第j個(gè)比特。則前向遞推為Ak(st)=Σe:stE(e)=stAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)Πj=0n-2Pk(pj(e);I)]]>逆向遞推為Bk(st)=Σe:stB(e)=stBk+1(stE(e))Pk+1(u(e);I)Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)]]>編碼器1的初始狀態(tài)為0，經(jīng)過收尾以后，最終的狀態(tài)也為0。上述遞推公式的初始值為A0(st0)＝1，A0(sti)＝0，i＝1，2，…，2m-1；BM(st0)＝1，BM(sti)＝0，i＝1，2，…，2m-1。
然后計(jì)算第k個(gè)信息比特及其所對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)比特的后驗(yàn)概率Pk(u(e)=b;O)=Σe:u(e)=bAk-1(stB(e))Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)Bk(stE(e))]]>Pk(pj(e)=b;O)=Σe:pj(e)=bAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)(Σi=0i≠jv-2Pk(pi(e);I))Bk(stE(e))]]>式中j＝0，1，…，n-2，序列u的輸入先驗(yàn)概率可以按下式得到，需要?dú)w一化處理。
Pk(u＝b；I)＝Pk(u＝b；Idec1)*Pk(u＝b；Odem1)以上各式式中得到的概率值需要進(jìn)行歸一化。
第4.3.2步.序列P(u；Odec1)通過交織器π1進(jìn)行交織，得到序列P(u；Idec2)。
第4.3.3步.譯碼器2的譯碼與譯碼器1的工作是對(duì)稱的；譯碼器2對(duì)分量碼2進(jìn)行譯碼，它有三個(gè)輸入，分別是經(jīng)過交織器π1來自解調(diào)器1的序列u的先驗(yàn)概率序列；經(jīng)過交織器π1來自譯碼器1的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec2)；來自解復(fù)接器1的序列p2’的先驗(yàn)概率序列P(p2′；Idec2)。有兩個(gè)輸出，分別是序列u的后驗(yàn)概率序列P(u；Odec2)；序列p2’的后驗(yàn)概率序列P(p2′；Odec2)。具體譯碼過程與第i.)步中譯碼器1相同。
第4.3.4步. 序列P(u；Odec2)通過解交織器π1-1進(jìn)行解交織，得到序列P(u；Idec1)。
第4.4步.將“小環(huán)”迭代譯碼輸出的序列p1’和p2’的后驗(yàn)概率序列P(p1′；Odec1)和P(p2′；Odec2)通過復(fù)接器1進(jìn)行復(fù)接，然后再通過交織器π2進(jìn)行交織，得到解調(diào)器2的輸入先驗(yàn)概率序列P(p；Idem2)。
第5步.根據(jù)譯碼得到的序列u的后驗(yàn)概率P(u；Odec1)、P(u；Odec2)以及解調(diào)器1得到的后驗(yàn)概率P(u；Odem1)，依下式計(jì)算序列u的概率序列P(u)，并根據(jù)此值進(jìn)行硬判決，得到譯碼結(jié)果。
Pk(u＝b)＝Pk(u＝b；Idec1)*Pk(u＝b；Odec1)*Pk(u＝b；Odem1)實(shí)驗(yàn)效果如下按照下文中的實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案得到的實(shí)際系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖4。當(dāng)U＝2，V＝30，L＝50000時(shí)，將該方案的性能與每個(gè)分量碼的狀態(tài)數(shù)都是16的Turbo碼(37，21)相比較，該Turbo碼譯碼的迭代次數(shù)也是30，碼長也是50000，編碼效率也是1/2。由圖中可見，本系統(tǒng)方案明顯好于Turbo碼，由于本系統(tǒng)方案使用的是分量碼為4狀態(tài)的Turbo碼，所以兩次小環(huán)迭代的復(fù)雜度只相當(dāng)于一個(gè)16狀態(tài)的RSC碼的譯碼復(fù)雜度，也就是說，兩次小環(huán)迭代的復(fù)雜度只相當(dāng)于1/2次的16的Turbo碼迭代譯碼的復(fù)雜度。一次8維QPSK的MAP解調(diào)復(fù)雜度相當(dāng)于一個(gè)16狀態(tài)的RSC碼的譯碼復(fù)雜度，而且比RSC碼的譯碼器更容易并行實(shí)現(xiàn)。由此可見，圖中進(jìn)行性能比較的兩個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度大致相同，而本發(fā)明中提出的方案更加有利于并行實(shí)現(xiàn)。


圖1傳統(tǒng)的Turbo碼的編譯碼器結(jié)構(gòu)1.1、Turbo碼的編碼器；1.2、Turbo碼的譯碼器。
圖2 Turbo碼與多維調(diào)制級(jí)聯(lián)的迭代譯碼解調(diào)系統(tǒng)的編譯碼器結(jié)構(gòu)2.1、發(fā)送端；2.2、接收端。
圖3N維QPSK調(diào)制星座圖舉例3.1、2維Gray映射的QPSK；3.2、4維QPSK舉例。
圖4實(shí)際系統(tǒng)方案的實(shí)驗(yàn)效果。
圖5編碼效率為1/2的RSC碼的編碼器。
實(shí)際系統(tǒng)方案這里給出適合于本發(fā)明中提出的編譯碼結(jié)構(gòu)一套實(shí)際系統(tǒng)方案。先規(guī)定命名規(guī)范，如果編碼效率為1/2的RSC碼的生成多項(xiàng)式為(G1，G2)，則意味著該RSC碼編碼器的結(jié)構(gòu)如圖5中所示，如果使用二進(jìn)制表示，則有G1=g10,g11,g12,···,g1m;]]>G2=g20,g21,g22,···,g2m,]]>其中m是前文中提到的RSC碼的記憶深度。習(xí)慣上G1和G2使用八進(jìn)制進(jìn)行表示。系統(tǒng)方案分別如下兩個(gè)RSC碼的生成多項(xiàng)式均為(0×7，0×6)，是記憶深度為2，狀態(tài)數(shù)為4的RSC碼，鑿孔到編碼效率為2/3，鑿孔圖案使用最常用的圖案，即編碼器輸出的校驗(yàn)比特序列每隔一個(gè)比特刪掉一個(gè)比特。調(diào)制器2為8維QPSK調(diào)制，調(diào)制映射見表1。在交織深度較大的情況下，本方案的編碼速率約等于1/2。
附表中的星座點(diǎn)標(biāo)號(hào)i是以十進(jìn)制表示的，它決定了該星座點(diǎn)的坐標(biāo)，如果用二進(jìn)制表示，i＝(i0，i1，…，iN-1)，則對(duì)應(yīng)的星座點(diǎn)坐標(biāo)為si=((-1)i0·a,(-1)i1·a,···,(-1)iN-1·a).]]>標(biāo)簽的標(biāo)號(hào)k同樣是以十進(jìn)制表示的，對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽值就是k的二進(jìn)制表示，vk＝(k0，k1，…，kN-1)。
表1 8維QPSK調(diào)制映射方式

注表1中只列出了8維QPSK的前128個(gè)星座點(diǎn)的映射方式，后面128個(gè)星座點(diǎn)的標(biāo)簽為vk＝(1，k1′，…，kN-1′)，k′＝k-128。
權(quán)利要求
1.一種Turbo碼與多維調(diào)制級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)編譯碼方法，其特征在于它依次含有以下步驟在發(fā)送端，依次含有以下步驟第1步.在開始編碼前進(jìn)行初始化，設(shè)定交織器(π1)的交織深度L，隨機(jī)產(chǎn)生交織圖樣；設(shè)定交織器(π2)的交織深度為Lp＝2*(n-1)*L+2*n*m，隨機(jī)產(chǎn)生交織圖樣；編碼器(1)和編碼器(2)相同，都是編碼效率為R1＝1/n的系統(tǒng)碼編碼器，每輸入一個(gè)信息比特就會(huì)輸出n-1個(gè)校驗(yàn)比特，編碼器的記憶深度為m，將編碼器(1)和編碼器(2)的狀態(tài)都設(shè)為0狀態(tài)；第2步.把序列長度為L的信息比特序列u輸入編碼器(1)進(jìn)行編碼，令u＝u0，u1，…，uL-1，輸出信息比特序列的校驗(yàn)比特序列p1，輸出收尾比特序列ut1，輸出收尾比特序列的校驗(yàn)比特序列pt1，將上述三個(gè)比特序列一起稱為分量碼(1)的校驗(yàn)比特序列p1’；同時(shí)該信息比特序列通過交織器(π1)進(jìn)行交織，然后輸入編碼器(2)進(jìn)行編碼，輸出信息比特序列的校驗(yàn)比特序列p2，輸出收尾比特序列ut2，輸出收尾比特序列的校驗(yàn)比特序列pt2，將上述三個(gè)比特序列一起稱為分量碼(2)的校驗(yàn)比特序列p2’；最終得到的碼字總長度為2*n*L-L+2*n*m，其中校驗(yàn)比特序列以及收尾比特序列(以后合在一起簡稱為Turbo碼的校驗(yàn)比特序列)的長度為Lp＝2*(n-1)*L+2*n*m；第3步.將信息比特序列通過調(diào)制器(1)進(jìn)行2維Gray映射的調(diào)制，生成長度為 的2維調(diào)制信號(hào)序列t1，t1=t1,0,t1,1,···,t1,L2-1;]]>假設(shè)2維QPSK星座點(diǎn)可能的四種信號(hào)取值為(±a，±a)；信息比特序列u的第2k和2k+1兩個(gè)比特u2k和u2k+1分別決定t1，k的同相分量t1，kI和正交分量t1，kQt1,kI=(-1)u2ka,t1,kQ=(-1)u2k+1a;]]>將編碼器(1)和編碼器(2)輸出的信息比特序列的校驗(yàn)比特序列、收尾比特序列、收尾比特序列的校驗(yàn)比特序列通過復(fù)接器(1)按照(p1，p2，ut1，pt1，ut2，pt2)的順序復(fù)接在一起，成為一個(gè)單獨(dú)的序列；之后通過交織器(π2)進(jìn)行交織，得到序列p，p=p0,p1,···,pLp-1;]]>p再通過調(diào)制器(2)按照選定的調(diào)制映射方案進(jìn)行N維QPSK調(diào)制映射，生成長度為 的N維調(diào)制信號(hào)序列t2，t2=t2,0,t2,1,···,t2,LpN-1;]]>該調(diào)制星座圖的星座點(diǎn)的集合為χ={s0,s1,···,s2N-1},]]>每個(gè)調(diào)制信號(hào)t2，i∈χ，t2，i的標(biāo)簽v2，i為校驗(yàn)比特序列p的第N*i到N*i+N-1個(gè)比特，v2，i＝(pNi，pNi+1，…，pNi+N-1)；第4步.將調(diào)制器(1)輸出的調(diào)制信號(hào)序列t1和調(diào)制器(2)輸出的調(diào)制信號(hào)序列t2通過復(fù)接器(2)按照(t1，t2)的順序進(jìn)行復(fù)接，成為一個(gè)單獨(dú)的輸出符號(hào)序列，然后發(fā)送至信道；在接收端，依次含有以下步驟第1步.在開始譯碼前進(jìn)行初始化，把輸入到譯碼器(1)的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec1)和輸入到解調(diào)器(2)的序列p先驗(yàn)概率序列P(p；Idem2)置為等概率；所述的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec1)也就是譯碼器(2)輸出的后驗(yàn)概率序列P(u；Odec2)經(jīng)過解交織器π1-1解交織后得到的；第2步.對(duì)從信道上接收到的符號(hào)用解復(fù)接器(2)進(jìn)行解復(fù)接，得到接收信號(hào)序列r1和r2，分別輸送給兩個(gè)解調(diào)器；r1=r1,0,r1,1,···,r1,Lp2-1,r2=r2,0,r2,1,···,r2,LpN-1,]]>它們分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)發(fā)射信號(hào)序列t1和t2；第3步.解調(diào)器(1)根據(jù)接收信號(hào)序列r1計(jì)算并輸出序列u的后驗(yàn)概率序列P(u；Odem1)；對(duì)于序列r1中的第i個(gè)接收信號(hào)r1，i，它的同相分量r1，iI和正交分量r1，iQ兩個(gè)分量分別對(duì)應(yīng)于信息比特u2k和u2k+1，依下式計(jì)算它們的后驗(yàn)概率P(u2k=b;O)=1πN0exp(-|r1,iI-(-1)ba|2N0);]]>P(u2k+1=b;O)=1πN0exp(-|r1,iQ-(-1)ba|2N0);]]>上式中b∈{0，1}；對(duì)所有的r1，i所對(duì)應(yīng)的比特計(jì)算后驗(yàn)概率并進(jìn)行歸一化后，就得到后驗(yàn)概率序列P(u；Odem1)，它直接作為譯碼器(1)的序列u的先驗(yàn)概率序列輸入；另外，它經(jīng)過交織器π1進(jìn)行交織后將作為譯碼器(2)的先驗(yàn)概率序列輸入；第4步.進(jìn)行V次“大環(huán)”迭代解調(diào)譯碼，包括一次解調(diào)器(2)的解調(diào)和U次“小環(huán)”迭代譯碼第4.1步.解調(diào)器(2)的工作解調(diào)器(2)的輸入有兩部分，包括從信道上接收到的信號(hào)序列r2和交織器(π2)輸出的序列p的先驗(yàn)概率序列P(p；Idem2)；輸出為序列p的后驗(yàn)概率序列P(p；Odem2)；首先，對(duì)于序列r2中的第i個(gè)信號(hào)r2，i計(jì)算發(fā)送信號(hào)t2，i的先驗(yàn)概率P(r2，i|t2，i＝sj)，j＝0，1，…，2N-1P(r2,i|t2,i=sj)=1πN0exp(-|r2,i-sj|2N0)]]>然后再計(jì)算r2，i的標(biāo)簽v2，i所對(duì)應(yīng)的N個(gè)比特的后驗(yàn)概率P(v2,il=b;O)=Σsj∈χblP(r2,i|t2,i=sj)Πh≠lh=0N-1P(v2,ih=(μ-1(sj))h;I),l,h=0,1,···,N-1;]]>其中，χbl表示χ的子集，其中每個(gè)星座點(diǎn)的標(biāo)簽第l位的值都等于b，b∈{0，1}；v2，il表示v2，i的第l個(gè)比特，(μ-1(sj))h表示信號(hào)sj的標(biāo)簽的第h個(gè)比特的值；對(duì)所有的r2，i的標(biāo)簽計(jì)算后驗(yàn)概率并進(jìn)行歸一化后，就得到序列p的后驗(yàn)概率序列P(p；Odem2)；第4.2步.P(p；Odem2)經(jīng)過解交織器(π2-1)進(jìn)行解交織，然后經(jīng)過解復(fù)接器(1)進(jìn)行解復(fù)接，得到P(p1′；Idec1)和P(p2′；Idec2)，分別作為譯碼器(1)和譯碼器(2)的關(guān)于序列p1’和p2’的先驗(yàn)概率序列輸入；第4.3步.進(jìn)行U次“小環(huán)”譯碼第4.3.1步.譯碼器(1)的譯碼譯碼器(1)對(duì)分量碼(1)進(jìn)行譯碼，它有三個(gè)輸入，分別是來自解調(diào)器(1)的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Odem1)；來自解交織器(π1-1)的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec1)；來自解復(fù)接器(1)的序列p1’的先驗(yàn)概率序列P(p1′；Idec1)；有兩個(gè)輸出，分別是序列u的后驗(yàn)概率序列P(u；Odec1)；序列p1’的后驗(yàn)概率序列P(p1′；Odec1)；首先要完成前向和逆向的遞推；令A(yù)k(stB(e))表示在對(duì)第k個(gè)信息比特編碼時(shí)，該碼處于狀態(tài)stB(e)且輸出分支為e的概率，k＝0，1，…，M-1；有收尾比特，所以整個(gè)碼字一共有M＝L+m+1個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)；令Bk(stE(e))表示在第k個(gè)信息比特編碼時(shí)，該碼處于狀態(tài)stE(e)且輸入分支為e的概率，k＝1，2，…，M；當(dāng)k＜L時(shí)，u(e)表示當(dāng)分支為e的時(shí)候在該編碼節(jié)點(diǎn)上輸入的信息比特，它對(duì)應(yīng)于序列u中的第k個(gè)比特，u(e)＝uk；pj(e)表示當(dāng)分支為e的時(shí)候在該編碼節(jié)點(diǎn)上輸出的校驗(yàn)比特序列中第j個(gè)比特，j＝0，1，…，n-2，它對(duì)應(yīng)于序列p1中的第(n-1)*k+j個(gè)比特，pj(e)＝p1，(n-1)·k+j；當(dāng)k≥L時(shí)，u(e)則表示第k-L個(gè)收尾比特，pj(e)表示第k-L個(gè)收尾比特的校驗(yàn)比特序列中的第j個(gè)比特；則前向遞推為Ak(st)=Σe:stE(e)=stAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)Πj=0n-2Pk(pj(e);I)]]>逆向遞推為Bk(st)=Σe:stB(e)=stBk+1(stE(e))Pk+1(u(e);I)Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)]]>編碼器(1)的初始狀態(tài)為0，經(jīng)過收尾以后，最終的狀態(tài)也為0；上述遞推公式的初始值為A0(st0)＝1，A0(sti)＝0，i＝1，2，…，2m-1；BM(st0)＝1，BM(sti)＝0，i＝1，2，…，2m-1；然后計(jì)算第k個(gè)信息比特及其所對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)比特的后驗(yàn)概率Pk(u(e)=b;O)=Σe:u(e)=bAk-1(stB(e))Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)Bk(stE(e))]]>Pk(pj(e)=b;O)=Σe:pj(e)=bAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)(Σi=0i≠jv-2Pk(pi(e);I))Bk(stE(e))]]>式中j＝0，1，…，n-2，序列u的輸入先驗(yàn)概率可以按下式得到，需要?dú)w一化處理；Pk(u＝b；I)＝Pk(u＝b；Idec1)*Pk(u＝b；Odem1)以上各式式中得到的概率值需要進(jìn)行歸一化；第4.3.2步.序列P(u；Odec1)通過交織器(π1)進(jìn)行交織，得到序列P(u；Idec2)；第4.3.3步.譯碼器(2)的譯碼與譯碼器(1)的工作是對(duì)稱的；譯碼器(2)對(duì)分量碼(2)進(jìn)行譯碼，它有三個(gè)輸入，分別是經(jīng)過交織器(π1)來自解調(diào)器(1)的序列u的先驗(yàn)概率序列；經(jīng)過交織器(π1)來自譯碼器(1)的序列u的先驗(yàn)概率序列P(u；Idec2)；來自解復(fù)接器(1)的序列p2’的先驗(yàn)概率序列P(p2′；Idec2)；有兩個(gè)輸出，分別是序列u的后驗(yàn)概率序列P(u；Odec2)；序列p2’的后驗(yàn)概率序列P(p2′；Odec2)；具體譯碼過程與第i.)步中譯碼器(1)相同；第4.3.4步.序列P(u；Odec2)通過解交織器(π1-1)進(jìn)行解交織，得到序列P(u；Idec1)；第4.4步.將“小環(huán)”迭代譯碼輸出的序列p1’和p2’的后驗(yàn)概率序列P(p1′；Odec1)和P(p2′；Odec2)通過復(fù)接器(1)進(jìn)行復(fù)接，然后再通過交織器(π2)進(jìn)行交織，得到解調(diào)器(2)的輸入先驗(yàn)概率序列P(p；Idem2)；第5步.根據(jù)譯碼得到的序列u的后驗(yàn)概率P(u；Odec1)、P(u；Odec2)以及解調(diào)器(1)得到的后驗(yàn)概率P(u；Odem1)，依下式計(jì)算序列u的概率序列P(u)，并根據(jù)此值進(jìn)行硬判決，得到譯碼結(jié)果；Pk(u＝b)＝Pk(u＝b；Idec1)*Pk(u＝b；Odec1)*Pk(u＝b；Odem1)。
全文摘要
一種Turbo碼與多維調(diào)制級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)編譯碼方案。其特征在于在發(fā)送端，將Turbo碼編碼器輸出的比特流進(jìn)行不同類型的調(diào)制，其中，信息比特序列使用傳統(tǒng)的兩維Gray映射QPSK調(diào)制，而校驗(yàn)比特序列使用經(jīng)過星座圖映射方式優(yōu)化的多維QPSK調(diào)制。在接收端，Turbo碼譯碼和多維調(diào)制的迭代解調(diào)間進(jìn)行聯(lián)合迭代解調(diào)譯碼，其中，迭代解調(diào)使得傳統(tǒng)Turbo碼所無法利用的校驗(yàn)比特的后驗(yàn)概率得到利用。在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度下，相對(duì)于單純的Turbo碼，本系統(tǒng)可以獲得系統(tǒng)誤比特率性能上的明顯增益。
文檔編號(hào)H03M13/23GK1645752SQ200510011229
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者齊心, 周世東, 趙明, 王京, 許希斌, 肖立民 申請(qǐng)人:清華大學(xué)