一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的ldpc編碼及譯碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非相干超寬帶無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于傳輸參考脈沖簇的非相干 超寬帶通信系統(tǒng)中的信道編碼方法，具體涉及一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC 編碼及譯碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、融合，超寬帶（Ultra-wideband, UWB)技術(shù)以 低成本、低功耗及良好的時(shí)域分辨能力等特點(diǎn)成為一種短距離無(wú)線通信解決方案。IEEE 802. 15. 4a標(biāo)準(zhǔn)采用基于脈沖無(wú)線電（Impulse radio, IR)制式的UWB方案。IR-UWB系統(tǒng) 具備精確的定位性能，然而其仍然面臨低成本、低功耗等現(xiàn)實(shí)要求的巨大挑戰(zhàn)。因此，在低 碼率場(chǎng)合，更多地是采用復(fù)雜度較低、對(duì)采樣速率要求不高且不需要信道估計(jì)的非相干接 收機(jī)。其中，采用傳輸參考（Transmitter Reference, TR)技術(shù)的自相關(guān)接收機(jī)由于其結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、無(wú)需精準(zhǔn)同步及信道估計(jì)、性能穩(wěn)健等特點(diǎn)備受關(guān)注。然而TR-UWB系統(tǒng)在進(jìn)行自相 關(guān)接收時(shí)為了避免多徑延時(shí)擴(kuò)展造成的脈沖間干擾（Inter-pulse Interference, IPI)，需 要引入過(guò)長(zhǎng)的延遲線來(lái)隔離參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖，這以當(dāng)前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)是不可行的。
[0003] 傳輸參考脈沖簇（Transmitter Reference pulse cluster, TRPC)系統(tǒng)的提出就 是為了解決TR系統(tǒng)中的長(zhǎng)延遲線問(wèn)題。TRPC信號(hào)的參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖具有更加統(tǒng)一、緊 湊的結(jié)構(gòu)。參考脈沖與數(shù)據(jù)脈沖之間以較小的延遲T d順序發(fā)送，最小延遲就是一個(gè)脈沖的 寬度Tp，即Td= Tp。一個(gè)參考脈沖和一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖組成一個(gè)脈沖對(duì)，每個(gè)脈沖對(duì)以 間隔重復(fù)發(fā)送。
[0004] 在TRPC系統(tǒng)中，信號(hào)若直接發(fā)送很難提供理想的誤碼率性能，因此在發(fā)送前進(jìn)行 信道編碼來(lái)提高系統(tǒng)性能。IEEE 802. 15. 4a標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的編碼方式是RS碼，但是實(shí)際中還 存在一些比RS碼性能更好的碼，如系統(tǒng)長(zhǎng)卷積碼、非系統(tǒng)長(zhǎng)卷積碼等。
[0005] 近年來(lái)，LDPC碼由于其接近香農(nóng)限的良好性能而成為理論界研宄的熱點(diǎn)。在二十 世紀(jì)六十年代，LDPC碼由于受硬件條件的限制而未受到重視，如今LDPC碼已得到廣泛的應(yīng) 用，其中不乏在通信系統(tǒng)編譯碼和高碼率UWB中的應(yīng)用。然而，要想將LDPC碼應(yīng)用到非相 干TRPC-UWB系統(tǒng)中，還存在如下問(wèn)題：1、如何構(gòu)造好的奇偶校驗(yàn)矩陣，避免短環(huán)并保證子 矩陣的非奇異性，從而得到生成矩陣進(jìn)行編譯碼；2、采用BP算法進(jìn)行譯碼時(shí)，需已知信道 的先驗(yàn)概率。3、要求信道的先驗(yàn)概率，還需已知多徑信道噪聲的方差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于將性能更好的LDPC碼用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)中，解決 LDPC碼在該系統(tǒng)編譯碼過(guò)程中的問(wèn)題，提出了一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC 編碼及譯碼方法。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0008] 包括以下步驟：
[0009] 1)、采用LDPC碼對(duì)待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行信道編碼，得到發(fā)送信號(hào)；
[0010] 2)、將待發(fā)送信號(hào)通過(guò)UWB信道進(jìn)行發(fā)送；
[0011] 3)、接收端接收待發(fā)送信號(hào)，并對(duì)接收到的待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行濾波，得到接收信號(hào)；
[0012] 4)、在接收端采用BP算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行譯碼，計(jì)算譯碼所需的各個(gè)參數(shù)，獲得 所需要的接收信號(hào)。
[0013] 所述步驟（1)具體過(guò)程為：
[0014] 1. 1)、設(shè)置待發(fā)送信號(hào)為Nf個(gè)緊密排列的脈沖對(duì)組成，且每個(gè)脈沖對(duì)包括一個(gè)參 考脈沖和一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖，按照延遲T d順序發(fā)送。在發(fā)射端生成的發(fā)送信號(hào)為：
[0015]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法，其特征在于，包括以下 步驟： 1) 、采用LDPC碼對(duì)待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行信道編碼，得到發(fā)送信號(hào)； 2) 、將待發(fā)送信號(hào)通過(guò)UWB信道進(jìn)行發(fā)送； 3) 、接收端接收待發(fā)送信號(hào)，并對(duì)接收到的待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行濾波，得到接收信號(hào)； 4) 、在接收端采用BP算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行譯碼，計(jì)算譯碼所需的各個(gè)參數(shù)，獲得所需 要的接收信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法，其 特征在于，所述步驟1)具體過(guò)程為： I. 1)、設(shè)置待發(fā)送信號(hào)為Nf個(gè)緊密排列的脈沖對(duì)組成，且每個(gè)脈沖對(duì)包括一個(gè)參考脈 沖和一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖，按照延遲Tj_序發(fā)送，在發(fā)射端生成的發(fā)送信號(hào)為：
其中，Eb代表每比特的發(fā)射能量，N代表碼字?jǐn)?shù)據(jù)包的比特?cái)?shù)，Nf代表每個(gè)符號(hào)中脈沖 對(duì)重復(fù)的次數(shù)，g(t)代表能量歸一化超寬帶脈沖，bn(i) e {±1}為發(fā)射的二進(jìn)制數(shù)據(jù)符 號(hào)，Ts為符號(hào)周期，T p為脈沖寬度，m為非負(fù)整數(shù)，t為連續(xù)時(shí)間變量，s i (t)定義為：
1. 2)、采用循環(huán)移位矩陣構(gòu)造 QC-LDPC碼（N，j，k)，N代表碼長(zhǎng)，j代表列重，k代表行 重，首先給出索引矩陣P : ~ ^ ^_丨 _
其中，P是一個(gè)維度為jXk的索引矩陣，其中O < s < j_l，0 < t < k_l且a，b是素 數(shù)，j小于k ;索引矩陣中的每個(gè)元素的值代表校驗(yàn)矩陣的子矩陣向右移的位數(shù)； 校驗(yàn)矩陣H為：
H的維度為jMXkM，M = N/k代表子矩陣的維度； 1.3)將H表示為如下形式： H = [AB] (5) 其中A是維度為jMX jM的方陣，B的維度為jMX (k-j)M ;則生成矩陣G : G= [(A^-B)tI] (6) 其中，方陣A是非奇異矩陣； 1. 4)、根據(jù)生成矩陣G，對(duì)待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行編碼，生成發(fā)送信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法， 其特征在于，所述方陣A構(gòu)造方法為： 2. 1)、改變索引矩陣P，得到新的索引矩陣P1:
2. 2)、在該矩陣中，z代表的是零矩陣，相應(yīng)的校驗(yàn)矩陣表示為：
從H1中可以得到A1
通過(guò)這種改變，A1是非奇異的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法， 其特征在于，所述方陣A構(gòu)造方法為： 3. 1)、首先交換公式（5)中H的各列，使A的對(duì)角線元素全部為1 ; 3. 2)、當(dāng)交換矩陣H的列時(shí)，矩陣的列重和環(huán)特性保持不變； 3. 3)、對(duì)交換矩陣H進(jìn)行變換： 第一步：從第1行到第jM行，將方陣A對(duì)角線下方的元素1替換為0,同時(shí)檢查方陣A 是否非奇異；如果不是非奇異的，則重復(fù)進(jìn)行該步驟，直到A非奇異； 第二步：從方陣A得到生成矩陣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法， 其特征在于，所述步驟3)的具體步驟為： 在TRPC系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼且通過(guò)UWB信道及濾波器后，接收到的信號(hào)為：
其中，*代表線性卷積，n(t)代表加性高斯白噪聲，在IEEE 802. 15. 4a標(biāo)準(zhǔn)中，多徑信 道沖激響應(yīng)表示為：
其中，α#Ρ τ k分別代表第K路多徑分量的復(fù)衰落系數(shù)和到達(dá)延時(shí)；為了確保沒(méi)有符 號(hào)間干擾，設(shè)Ts> 2N fTd+ τ _，其中τ _代表信道的最大延時(shí)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法， 其特征在于，所述步驟4)的具體步驟為： 4. 1)、接收端對(duì)接收到的信號(hào)以及自身的！^延遲進(jìn)行自相關(guān)，得到的判決變量y⑴表 示為：
其中，！\和T 2分別表示自相關(guān)積分區(qū)間的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，（·）#表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算； 4. 2)、獲取先驗(yàn)概率，并根據(jù)先驗(yàn)概率對(duì)判決變量y (i)采用BP算法進(jìn)行譯碼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法， 其特征在于，獲取先驗(yàn)概率具體包括以下步驟： 5. 1)、若X是等概率產(chǎn)生的隨機(jī)變量，那么通過(guò)貝葉斯公式可得到：
其中，Utl代表的發(fā)送為"0"時(shí)的比特，u玳表的是發(fā)送為" 1"時(shí)的比特，y代表的是接 收到的信息比特，P (y/x = U1)代表的是當(dāng)發(fā)送的信息為七時(shí)接收到y(tǒng)的概率，X是等概率 產(chǎn)生的隨機(jī)變量； 5. 2)、設(shè)Utl代表當(dāng)比特"0"通過(guò)去掉噪聲的信道后的值，U1代表的是比特"1"通過(guò)該 信道后的值；y是實(shí)際系統(tǒng)中通過(guò)信道接收到的值；則公式（13)為：
定義P (y/χ = U1) = P1，通過(guò)化簡(jiǎn)（14)可以得到
5. 3)、用先驗(yàn)概率進(jìn)行初始化后，按照BP算法進(jìn)行譯碼，得到U(l，U1，方差δ 2依賴于信 道特性，可以通過(guò)樣本值得到。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于非相干超寬帶通信系統(tǒng)的LDPC編碼及譯碼方法，涉及非相干超寬帶(UWB)通信領(lǐng)域，特別是基于傳輸參考脈沖簇(TRPC)的非相干UWB通信系統(tǒng)。本發(fā)明方法將兩種LDPC碼的構(gòu)造方法用于該系統(tǒng)中，并對(duì)LDPC碼采用BP算法譯碼，采用該算法需針對(duì)信道特性求得先驗(yàn)概率。本發(fā)明方法針對(duì)TRPC系統(tǒng)的信道特性，在實(shí)際仿真中采用樣本值來(lái)求解信道噪聲方差。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明與非相干超寬帶通信系統(tǒng)目前使用的RS碼、系統(tǒng)長(zhǎng)卷積碼以及非系統(tǒng)長(zhǎng)卷積碼相比，能夠獲得更好的性能。
【IPC分類】H04L1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104734814
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510145176
【發(fā)明人】梁中華, 臧俊杉, 劉瑾瑾, 李培培
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月30日