[发明专利]一种Turbo码与多维调制级联的系统编译码方案

摘要

一种Turbo码与多维调制级联的系统编译码方案。其特征在于：在发送端，将Turbo码编码器输出的比特流进行不同类型的调制，其中，信息比特序列使用传统的两维Gray映射QPSK调制，而校验比特序列使用经过星座图映射方式优化的多维QPSK调制。在接收端，Turbo码译码和多维调制的迭代解调间进行联合迭代解调译码，其中，迭代解调使得传统Turbo码所无法利用的校验比特的后验概率得到利用。在相同的系统复杂度下，相对于单纯的Turbo码，本系统可以获得系统误比特率性能上的明显增益。

主权项

1.一种Turbo码与多维调制级联的系统编译码方法，其特征在于它依次含有以下步骤：在发送端，依次含有以下步骤：第1步.在开始编码前进行初始化，设定交织器(π₁)的交织深度L，随机产生交织图样；设定交织器(π₂)的交织深度为L_p＝2*(n-1)*L+2*n*m，随机产生交织图样；编码器(1)和编码器(2)相同，都是编码效率为R₁＝1/n的系统码编码器，每输入一个信息比特就会输出n-1个校验比特，编码器的记忆深度为m，将编码器(1)和编码器(2)的状态都设为0状态；第2步.把序列长度为L的信息比特序列u输入编码器(1)进行编码，令u＝u₀，u₁，…，u_L-1，输出信息比特序列的校验比特序列p₁，输出收尾比特序列ut₁，输出收尾比特序列的校验比特序列pt₁，将上述三个比特序列一起称为分量码(1)的校验比特序列p₁’；同时该信息比特序列通过交织器(π₁)进行交织，然后输入编码器(2)进行编码，输出信息比特序列的校验比特序列p₂，输出收尾比特序列ut₂，输出收尾比特序列的校验比特序列pt₂，将上述三个比特序列一起称为分量码(2)的校验比特序列p₂’；最终得到的码字总长度为2*n*L-L+2*n*m，其中校验比特序列以及收尾比特序列(以后合在一起简称为Turbo码的校验比特序列)的长度为L_p＝2*(n-1)*L+2*n*m；第3步.将信息比特序列通过调制器(1)进行2维Gray映射的调制，生成长度为的2维调制信号序列t₁，t1=t1,0,t1,1,···,t1,L2-1;]]>假设2维QPSK星座点可能的四种信号取值为(±a，±a)；信息比特序列u的第2k和2k+1两个比特u_2k和u_2k+1分别决定t_1，k的同相分量t_1，k^I和正交分量t_1，k^Q：t1,kI=(-1)u2ka,t1,kQ=(-1)u2k+1a;]]>将编码器(1)和编码器(2)输出的信息比特序列的校验比特序列、收尾比特序列、收尾比特序列的校验比特序列通过复接器(1)按照(p₁，p₂，ut₁，pt₁，ut₂，pt₂)的顺序复接在一起，成为一个单独的序列；之后通过交织器(π₂)进行交织，得到序列p，p=p0,p1,···,pLp-1;]]>p再通过调制器(2)按照选定的调制映射方案进行N维QPSK调制映射，生成长度为的N维调制信号序列t₂，t2=t2,0,t2,1,···,t2,LpN-1;]]>该调制星座图的星座点的集合为χ={s0,s1,···,s2N-1},]]>每个调制信号t_2，i∈χ，t_2，i的标签v_2，i为校验比特序列p的第N*i到N*i+N-1个比特，v_2，i＝(p_Ni，p_Ni+1，…，p_Ni+N-1)；第4步.将调制器(1)输出的调制信号序列t₁和调制器(2)输出的调制信号序列t₂通过复接器(2)按照(t₁，t₂)的顺序进行复接，成为一个单独的输出符号序列，然后发送至信道；在接收端，依次含有以下步骤：第1步.在开始译码前进行初始化，把输入到译码器(1)的序列u的先验概率序列P(u；I_dec1)和输入到解调器(2)的序列p先验概率序列P(p；I_dem2)置为等概率；所述的先验概率序列P(u；I_dec1)也就是译码器(2)输出的后验概率序列P(u；O_dec2)经过解交织器π₁^-1解交织后得到的；第2步.对从信道上接收到的符号用解复接器(2)进行解复接，得到接收信号序列r₁和r₂，分别输送给两个解调器；r1=r1,0,r1,1,···,r1,Lp2-1,r2=r2,0,r2,1,···,r2,LpN-1,]]>它们分别对应于两个发射信号序列t₁和t₂；第3步.解调器(1)根据接收信号序列r₁计算并输出序列u的后验概率序列P(u；O_dem1)；对于序列r₁中的第i个接收信号r_1，i，它的同相分量r_1，i^I和正交分量r_1，i^Q两个分量分别对应于信息比特u_2k和u_2k+1，依下式计算它们的后验概率：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}；对所有的r_1，i所对应的比特计算后验概率并进行归一化后，就得到后验概率序列P(u；O_dem1)，它直接作为译码器(1)的序列u的先验概率序列输入；另外，它经过交织器π₁进行交织后将作为译码器(2)的先验概率序列输入；第4步.进行V次“大环”迭代解调译码，包括一次解调器(2)的解调和U次“小环”迭代译码：第4.1步.解调器(2)的工作：解调器(2)的输入有两部分，包括：从信道上接收到的信号序列r₂和交织器(π₂)输出的序列p的先验概率序列P(p；I_dem2)；输出为序列p的后验概率序列P(p；O_dem2)；首先，对于序列r₂中的第i个信号r_2，i计算发送信号t_2，i的先验概率P(r_2，i|t_2，i＝s_j)，j＝0，1，…，2^N-1：P(r2,i|t2,i=sj)=1πN0exp(-|r2,i-sj|2N0)]]>然后再计算r_2，i的标签v_2，i所对应的N个比特的后验概率：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，χ_b^l表示χ的子集，其中每个星座点的标签第l位的值都等于b，b∈{0，1}；v_2，i^l表示v_2，i的第l个比特，(μ^-1(s_j))^h表示信号s_j的标签的第h个比特的值；对所有的r_2，i的标签计算后验概率并进行归一化后，就得到序列p的后验概率序列P(p；O_dem2)；第4.2步.P(p；O_dem2)经过解交织器(π₂^-1)进行解交织，然后经过解复接器(1)进行解复接，得到P(p₁′；I_dec1)和P(p₂′；I_dec2)，分别作为译码器(1)和译码器(2)的关于序列p₁’和p₂’的先验概率序列输入；第4.3步.进行U次“小环”译码：第4.3.1步.译码器(1)的译码：译码器(1)对分量码(1)进行译码，它有三个输入，分别是来自解调器(1)的序列u的先验概率序列P(u；O_dem1)；来自解交织器(π₁^-1)的序列u的先验概率序列P(u；I_dec1)；来自解复接器(1)的序列p₁’的先验概率序列P(p₁′；I_dec1)；有两个输出，分别是序列u的后验概率序列P(u；O_dec1)；序列p₁’的后验概率序列P(p₁′；O_dec1)；首先要完成前向和逆向的递推；令A_k(st^B(e))表示在对第k个信息比特编码时，该码处于状态st^B(e)且输出分支为e的概率，k＝0，1，…，M-1；有收尾比特，所以整个码字一共有M＝L+m+1个状态节点；令B_k(st^E(e))表示在第k个信息比特编码时，该码处于状态st^E(e)且输入分支为e的概率，k＝1，2，…，M；当k＜L时，u(e)表示当分支为e的时候在该编码节点上输入的信息比特，它对应于序列u中的第k个比特，u(e)＝u_k；p^j(e)表示当分支为e的时候在该编码节点上输出的校验比特序列中第j个比特，j＝0，1，…，n-2，它对应于序列p₁中的第(n-1)*k+j个比特，p^j(e)＝p_{1，(n-1)·k+j}；当k≥L时，u(e)则表示第k-L个收尾比特，p^j(e)表示第k-L个收尾比特的校验比特序列中的第j个比特；则前向递推为：Ak(st)=Σe:stE(e)=stAk-1(stB(e))Pk(u(e);I)Πj=0n-2Pk(pj(e);I)]]>逆向递推为：Bk(st)=Σe:stB(e)=stBk+1(stE(e))Pk+1(u(e);I)Πj=0n-2Pk+1(pj(e);I)]]>编码器(1)的初始状态为0，经过收尾以后，最终的状态也为0；上述递推公式的初始值为：A₀(st₀)＝1，A₀(st_i)＝0，i＝1，2，…，2^m-1；B_M(st₀)＝1，B_M(st_i)＝0，i＝1，2，…，2^m-1；然后计算第k个信息比特及其所对应的校验比特的后验概率：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的输入先验概率可以按下式得到，需要归一化处理；P_k(u＝b；I)＝P_k(u＝b；I_dec1)*P_k(u＝b；O_dem1)以上各式式中得到的概率值需要进行归一化；第4.3.2步.序列P(u；O_dec1)通过交织器(π₁)进行交织，得到序列P(u；I_dec2)；第4.3.3步.译码器(2)的译码：与译码器(1)的工作是对称的；译码器(2)对分量码(2)进行译码，它有三个输入，分别是经过交织器(π₁)来自解调器(1)的序列u的先验概率序列；经过交织器(π₁)来自译码器(1)的序列u的先验概率序列P(u；I_dec2)；来自解复接器(1)的序列p₂’的先验概率序列P(p₂′；I_dec2)；有两个输出，分别是序列u的后验概率序列P(u；O_dec2)；序列p₂’的后验概率序列P(p₂′；O_dec2)；具体译码过程与第i.)步中译码器(1)相同；第4.3.4步.序列P(u；O_dec2)通过解交织器(π₁^-1)进行解交织，得到序列P(u；I_dec1)；第4.4步.将“小环”迭代译码输出的序列p₁’和p₂’的后验概率序列P(p₁′；O_dec1)和P(p₂′；O_dec2)通过复接器(1)进行复接，然后再通过交织器(π₂)进行交织，得到解调器(2)的输入先验概率序列P(p；I_dem2)；第5步.根据译码得到的序列u的后验概率P(u；O_dec1)、P(u；O_dec2)以及解调器(1)得到的后验概率P(u；O_dem1)，依下式计算序列u的概率序列P(u)，并根据此值进行硬判决，得到译码结果；P_k(u＝b)＝P_k(u＝b；I_dec1)*P_k(u＝b；O_dec1)*P_k(u＝b；O_dem1)。