CN101610229B - 联合ldpc编码的递归msk调制解调***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，包括发送端和接收端。所述发送端包括LDPC外编码器和递归MSK调制器，所述接收端包括正交下变频及低通滤波器、粗载波频偏估计模块、缓存器、解调选择器、MSK差分解调器、N路帧同步头相关检测器、MSK相干解调器、载波及定时同步处理模块、并/串变换模块及LDPC译码器。本发明通过将递归MSK的差分编码部分完全融合到LDPC码中，完全消除了MSK差分编码带来的性能损失，并且充分利用递归MSK可进行差分解调的特点，在无需精确载波同步的前提下，快速实现LDPC码帧同步头序列的检测，再切换到MSK相干解调，进行同步和LDPC译码，实现了快速解调和译码的功能。

Description

联合LDPC编码的递归MSK调制解调***及方法
技术领域
本发明涉及数字通信技术领域，特别涉及一种联合编码调制解调***及方法。
背景技术
在数字通信中采用非线性功率放大器时，为了提高信号的接收性能，可采用连续相位恒包络调制。其中，MSK(Minimum Shift Keying，最小相移键控)调制具有良好的频谱特性，可以工作在非线性功率放大器效率最高的饱和工作区，并且实现简单，误码性能好，因此在无线、卫星及深空通信中得到了广泛应用。
MSK调制作为连续相位调制，它的调制器可分解成一个码率为1/2的二进制连续相位编码器(CPE)和一个无记忆调制器。根据CPE为递归或非递归形式，MSK调制可分为递归MSK和非递归MSK。在包含非递归MSK的联合编码调制***中，已通过预编码的方式消除了MSK中CPE差分编码的影响，其中信道编码的设计与其在加性高斯白噪声(AWGN)信道下采用二进制相移键控(BPSK)调制时的优化设计相同。而递归MSK调制中的CPE差分编码部分会在调制后的相邻符号间引入相关性，对设计联合编码递归MSK调制***具有较大影响，使得在AWGN信道下设计的最佳信道编码与递归MSK调制进行简单级联后得到的***不能达到该信道编码的最佳性能，因此，为了进一步提高采用递归MSK调制的联合***的性能，需要将MSK中的CPE差分编码部分与信道编码进行联合优化设计。
现有的与MSK调制进行联合编码调制设计的方法包括：MSK与卷积码的联合方法、MSK与Turbo码的联合方法及MSK与LDPC(Low DensityParity Check，低密度奇偶校验)码的联合方法。其中，MSK与卷积码联合方法的思想是将MSK的CPE看成一个特殊的卷积码，将其与外接的卷积编码器进行简单级联，共同构成一个复合的卷积编码器。受限于卷积码本身的性能，该方法的性能较差，但实现简单，适用于对性能要求不高的场合。MSK与Turbo码的联合方法包括MSK与串行Turbo码的联合方法及MSK与并行Turbo码的联合方法。MSK与Turbo码的联合方法相较于与卷积码的联合方法在性能上有较大提高，但是由于Turbo译码的实现复杂度非常高，且存在误码平底效应，使得该方法在应用上受到限制。MSK与LDPC码联合方法的主要思想是在低编码复杂度的结构化LDPC码和MSK之间增加交织结构，以消除CPE差分部分对LDPC译码的影响。该方法编译码复杂度较低，性能较好，具有较大的实用意义。缺点是，在LDPC码和MSK之间增加了交织结构，使得整个***的实现复杂度较高，而且也不能完全消除MSK中差分编码的影响，影响了该方法的实用性。因此，需要一种方法解决上述问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决递归MSK差分编码对联合***的性能带来损失的问题。
为了达到上述目的，本发明提出一种联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，包括编码调制端和解调译码端。其中，所述编码调制端用于对输入数据进行联合LDPC编码和递归MSK的联合编码调制处理，包括LDPC外编码器和递归MSK调制器；所述解调译码端用于对接收信号进行联合LDPC译码和递归MSK的解调译码处理，包括正交下变频及低通滤波器、粗载波频偏估计模块、缓存器、解调选择器、MSK差分解调器、N路帧同步头相关检测器、MSK相干解调器、载波及定时同步处理模块、并/串变换模块及LDPC译码器。
本发明另一方面还提出一种联合LDPC编码和递归MSK的编码调制方法，包括以下步骤：对输入的信息数据分别进行差分译码和线性编码；将所述差分译码和线性编码的结果分别进行正交调制，得到编码调制结果。
本发明又另一方面还提出一种联合LDPC译码和递归MSK的解调译码方法，包括以下步骤：对接收信号依次进行正交下变频、低通滤波、粗载波频偏估计及补偿后，将处理结果保存于缓存中；对所述保存于缓存中的基带信号数据进行差分解调；对所述差分解调后的数据进行相关检测；如果所述相关检测中检测到帧同步头，则控制所述缓存及解调选择器，使解调方式切换到MSK相干解调，并用检测到的帧同步头的信号数据定位所述LDPC译码的帧同步位置，否则，继续进行所述相关检测；对所述已完成帧同步的信号数据进行MSK相干解调，得到解调数据；对所述解调数据进行载波及定时同步处理后进行LDPC译码，将译码结果判决输出。
本发明通过将递归MSK的差分编码部分完全融合到LDPC码中，完全消除了MSK差分编码带来的性能损失，并且充分利用递归MSK可进行差分解调的特点，在无需精确载波同步的前提下，快速实现LDPC码帧同步头序列的检测，再切换到MSK相干解调，进行同步和LDPC译码，实现了快速解调和译码的功能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为联合编码调制和联合解调译码的通用***结构图；
图2为本发明实施例的联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***的结构图；
图3为本发明实施例的递归MSK调制器的同相-正交等效实现结构图；
图4为本发明实施例的校验矩阵H的示意图；
图5为本发明实施例的联合递归MSK解调LDPC译码模块的结构图；
图6为本发明实施例的N路帧同步头相关检测器的结构图；
图7为在AWGN信道下，本发明实施例的方法和其他方法的仿真比较结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明主要在于将递归MSK的差分编码部分完全融合到LDPC码中，完全消除MSK差分编码带来的性能损失，并且充分利用递归MSK可进行差分解调的特点，在无需精确载波同步的前提下，快速实现LDPC码帧同步头序列的检测，再切换到MSK相干解调，进行同步和LDPC译码，实现快速解调和译码的功能。
如图1所示，为联合编码调制和联合解调译码的通用***结构图。在联合***的编码调制端，信号经过LDPC外编码器后，通过可选的交织器输入到MSK调制器。通常，采用编码复杂的完全随机构造的LDPC码已具有交织功能，交织器对于联合***就不是必需的，但是，对于eIRA等易编码结构的LDPC码，其结构化的校验矩阵中部分相邻变量节点间也具有相关性，此时联合***需采用交织器克服因MSK记忆效应造成的相邻调制信号之间的相关性。在联合***的解调译码端，对于不采用交织/解交织结构的联合解调译码，接收信号经MSK中无记忆解调器后得到软解调信息，并用消息传递方法进行联合译码：首先，该软解调信息经过MSK中的差分译码器后，将消息传递给LDPC译码器进行处理，并把处理后的消息反馈回MSK中的差分译码器，然后，消息将在这两个差分译码器之间迭代，充分迭代后，得到译码结果输出。对于采用交织结构的方案，在这两个译码器之间需要额外增加交织/解交织器，以对消息传递进行随机化处理，并消除相邻符号间消息的相关性。
如图2所示，为本发明实施例的联合LDPC编码递归MSK调制解调***的结构图。该***包括发送端和接收端。发送端由LDPC外编码器和递归MSK调制器构成。接收端包括正交下变频及低通滤波器、粗载波频偏估计模块、缓存器、解调选择器、MSK差分解调器、N路帧同步头相关检测器、MSK相干解调器、载波及定时同步处理模块、并/串转换模块和LDPC译码器。
如图3所示，为本发明实施例的递归MSK调制器的同相-正交等效实现结构图。该MSK调制器包括差分编码结构的CPE和同相-正交无记忆调制器两部分，其中，差分编码结构的CPE给调制信号带来记忆效应，并且使MSK调制的相邻符号之间产生相关性；同相-正交无记忆调制器实现正交调制，完成信号的成型和上变频的功能，与传统的正交调制不同的是，该同相-正交无记忆调制器调制中的正交相信号需要延迟一个符号时间。
在本发明实施例中，将递归MSK调制器中的差分编码部分合并到LDPC外编码器构成等效eIRA结构的LDPC编码器。如图2所示，等效eIRA结构的LDPC编码器由两个彼此独立的部分构成，第一部分由差分译码器和递归MSK调制器的第一差分编码器串联而成，第二部分由线性编码模块和递归MSK调制器的第二差分编码器串联而成。
在联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***的发送端，对输入数据进行LDPC编码和递归MSK调制的联合编码调制处理，包括以下步骤：
首先，设LDPC码的码长为n，码率为R，信息比特长度为k，校验比特长度为m，其中，n、k和m分别为自然数，且满足：0＜R＜1，R＝k/n及n＝k+m。定义一个元素为“0”或“1”的m×n校验矩阵
Figure G2009100890017D00051
如图4所示，为本发明实施例的校验矩阵H的示意图，其中，Hu是一个m×k随机构造的矩阵，Hp是一个m×m具有右侧双对角线固定结构的矩阵。如果设矩阵中每列“1”的个数为列重，则Hp具有m-1个列重为2的列和1个列重为1的列。
然后，用eIRA结构的LDPC编码器对每次输入的k比特的原信息数据分两路分别进行差分译码和线性编码：
一路信息数据的处理过程如下：先将k比特的信息数据进行差分译码，得到k比特的差分译码结果，然后，将该结果输入到递归MSK调制器的第一差分编码器。
另一路信息数据的处理过程如下：先将k比特的信息数据输入到一个线性编码结构，得到LDPC码校验比特的中间结果，然后，将该中间结果输入到递归MSK调制器的第一差分编码器。其中，线性编码结构实现输入信息数据与该结构对应的矩阵Hu在模-2域相乘的功能。
最后，将上述两路信息数据的处理结果分别输入递归MSK调制器的同相-正交无记忆调制器中，得到LDPC编码和递归MSK的联合编码调制结果。
如图3所示，递归MSK调制器的同相-正交无记忆调制器包括矩形脉冲成型模块和调制模块，调制模块还包括串/并转换模块、第一乘法器、第二乘法器、延迟单元、第三乘法器、第四乘法器和加法器。上述两路信息数据的处理结果经过矩形脉冲成型模块后输入到串/并转换模块后分成两路信号：第一输出信号和第二输出信号。第一输出信号输入到第一乘法器中与cos(π·t/2T)信号相乘，相乘后的结果输入到第二乘法器中再与cos(2π·fct)信号相乘；第二输出信号经T时间的延迟后，输入到第三乘法器中与sin(π·t/2T)信号相乘，相乘后的结果输入到第四乘法器中再与sin(2π·fct)信号相乘。然后，第二乘法器的输出信号和第三乘法器的输出信号在加法器中相加，得到调制信号。其中，T为信息序列符号周期，fc为调制载波频率。
在联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***的接收端，对接收信号进行联合LDPC译码和递归MSK的解调译码处理。如图5所示，为本发明实施例的联合递归MSK解调LDPC译码模块的结构图。该联合递归MSK解调LDPC译码的方法包括采用MSK差分解调的快速LDPC帧同步头相关检测方法和级联MSK相干解调的LDPC译码方法，具体步骤如下：
首先，对MSK接收信号进行下变频、低通滤波及载波粗估计并补偿后，将处理结果保存于缓存中。
在本发明实施例的低通滤波处理过程中，对数据进行4倍上采样。
然后，采用MSK差分解调的快速LDPC帧同步头相关检测方法：首先，采用MSK差分解调器对保存在缓存中的基带信号数据进行差分解调，对解调后的数据用4路LDPC帧同步头相关检测器进行相关检测。检测到帧同步头后，控制缓存及解调选择器，使解调方式切换到MSK相干解调，并用检测到的帧同步头数据序号，定位LDPC译码的帧同步位置，否则，继续执行帧同步头相关检测器的相关检测处理。
如图6所示，为本发明实施例的4路LDPC帧同步头相关检测器的结构图。该相关检测器包括1:4串并变换器、4个相关模块、最大值判断器和比较器。外部输入的数据输入到1:4串并变换器后输出4路数据，然后将这4路数据分别输入到4个相关模块与已知同步头数据序列进行相关运算，得到4个相关结果，然后用最大值判断器判断4个相关结果中的最大值，并得到该最大值对应的数据段的第一个数据在整个输入数据序列中的位置n，其中，n为自然数，表示数据序号。最后，用比较器判断该最大值是否大于相关门限，如果该最大值大于相关门限，则输出LDPC码的起始位置序号n和帧同步检测成功信号。其中，相关模块包括移位寄存器、L个乘法器、存储器和累加器。输入数据移位寄存在长为L的移位寄存器中，然后分别用L个乘法器将移位寄存器中的L个数据与存储器中的本地数据中对应序号的数据相乘，并把这L个相乘结果用累加器累加，得到相关结果，其中，L为自然数，表示相关运算的长度。
通过上述实施例中可以看出，可以选择不同的低通滤波上采样倍数和不同路数的帧同步头相关检测器，以上实施例仅是示意性的实施例，并不限制本发明仅能够通过上述实施例实现，还可通过其他方式实现。
最后，采用级联MSK相干解调的LDPC译码方法：首先，将保存在缓存中的基带信号数据用MSK相干解调器进行相干解调，得到解调数据。在相干解调数据的基础上，采用载波与定时同步方法进行同步处理后，将处理结果送往并/串转换模块，把并/串转换输入到LDPC译码器，将不存在差分译码造成的损失的译码结果输出。
其中，在信噪比较低或信道环境恶劣的工作场合，需要采用导频或训练序列的方式实现同步，在其他情况下可采用自同步方式。
如图2所示，MSK相干解调器包括复信号分路模块、延时单元、第一乘法器、第一积分器、第二乘法器和第二积分器。接收信号输入到复信号分路模块后输出两路信号：实部信号和虚部信号。实部信号经过T时间的延时单元后，在第一乘法器中与cos(π·t/2T)信号相乘，相乘后的输出信号经过第一积分器进行积分处理；虚部信号直接在第二乘法器与与sin(π·t/2T)信号相乘，相乘后的输出信号经过第二积分器进行积分处理。
下面通过将本发明实施例的方法和其他方法在AWGN信道下进行仿真。所述其他方法包括理想编码(BPSK调制下LDPC码的理想性能)、对照方法(带交织的联合LDPC编码和递归MSK方法)和未联合方法(未经优化的简单级联LDPC和递归MSK的方法)。通过比较仿真结果，本发明上述的和/或附加的方面和优点将变得更加明显和容易理解。
在本发明实施例中，仿真参数的设置如下：采用递归MSK调制和经优化设计的eIRA结构的LDPC码(2048，1024)，并采用LDPC度分布设计方法得到该码的变量和校验节点度分布为λ(x)＝0.5x+0.4286x3+0.0714x17和ρ(x)＝x7，然后采用计算机随机搜索的方法并结合度分布和LDPC码的基本约束(如，不能出现环长为4的“1”分布)得到该码的校验矩阵。输入信息数据用随机方式生成，信道为AWGN信道，信噪比范围为0.75分贝到4.5分贝。仿真采用蒙特卡罗仿真，联合解调译码迭代次数最大为50次。
如图7所示，为本发明实施例的方法和其他方法的误码性能结果比较示意图。由图可见，在相同仿真条件下，误码率为10-5时，本发明实施例的方法的性能接近该LDPC码在BPSK调制下的理想性能。相对于对照方法，即带交织的联合方法，本发明实施例方法的误码性能提高约2dB，而相对于未联合方法，本发明实施例方法的误码性能提高约2.7dB。
本发明通过将递归MSK的差分编码部分完全融合到LDPC码中，完全消除了MSK差分编码带来的性能损失，并且充分利用递归MSK可进行差分解调的特点，在无需精确载波同步的前提下，快速实现LDPC码帧同步头序列的检测，再切换到MSK相干解调，进行同步和LDPC译码，实现了快速解调和译码的功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，包括发送端和接收端，
所述发送端，用于对输入数据进行联合LDPC编码和递归MSK的联合编码调制处理，包括LDPC外编码器和递归MSK调制器；将递归MSK调制器中的差分编码部分合并到LDPC外编码器构成等效eIRA结构的LDPC编码器；等效eIRA结构的LDPC编码器由两个彼此独立的部分构成，第一部分由差分译码器和递归MSK调制器的第一差分编码器串联而成，第二部分由线性编码模块和递归MSK调制器的第二差分编码器串联而成；
所述接收端，用于对接收信号进行联合LDPC译码和递归MSK的解调译码处理，包括正交下变频及低通滤波器、粗载波频偏估计模块、缓存器、解调选择器、MSK差分解调器、帧同步头相关检测器、MSK相干解调器、载波及定时同步处理模块、并/串变换模块及LDPC译码器；对接收信号依次进行正交下变频、低通滤波、粗载波频偏估计及补偿后，将处理结果保存于缓存中；对所述保存于缓存中的基带信号数据进行差分解调；对所述差分解调后的数据进行相关检测；如果所述相关检测中检测到帧同步头，则控制所述缓存及解调选择器，使解调方式切换到MSK相干解调，并用检测到的帧同步头的信号数据定位所述LDPC译码的帧同步位置，否则，继续进行所述相关检测；对所述已完成帧同步的信号数据进行MSK相干解调，得到解调数据；对所述解调数据进行载波及定时同步处理后进行LDPC译码，将译码结果判决输出。
2.如权利要求1所述的联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，其特征在于，所述递归MSK调制器包括差分编码器和同相-正交无记忆调制器，
所述差分编码器，用于合并到所述LDPC外编码器，构成eIRA结构的LDPC编码器，消除MSK中的差分编码性能损失；
所述同相-正交无记忆调制器，用于实现正交调制，完成信号的成型和上变频。
3.如权利要求2所述的联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，其特征在于，同相-正交无记忆调制器包括矩形脉冲成型模块和调制模块。
4.如权利要求3所述的联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，其特征在于，同相-正交无记忆调制器的调制模块，包括串/并转换模块、第一乘法器、第二乘法器、延迟单元、第三乘法器、第四乘法器和加法器，
所述串/并转换模块，用于将所述矩形脉冲成型模块的输出信号分成两路信号；
所述第一乘法器，用于将所述串/并转换模块的第一输出信号和cos(π·t/2T)信号相乘，其中，所述T为信息序列符号周期；
所述第二乘法器，用于将所述第一乘法器的输出信号和cos(2π·fct)信号相乘，其中，所述fc为调制载波频率；
所述延迟单元，用于对所述串/并转换模块的第二输出信号进行T时间的延迟；
所述第三乘法器，用于将所述延迟后的第二输出信号和sin(π·t/2T)信号相乘；
所述第四乘法器，用于将所述第三乘法器的输出信号和sin(2π·fct)信号相乘；
所述加法器，用于将所述第三乘法器和第四乘法器的输出信号相加，得调制信号。
5.如权利要求1所述的联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，其特征在于，N路帧同步头相关检测器，包括1：N串/并变换器、N个相关模块、最大值判断器和比较器，
所述1：N串并转换器，用于将输入数据转换成N路输出数据，其中，所述N为自然数，表示接收机对信号的上采样倍数；
所述相关模块，用于将每路输出数据与已知同步头数据序列进行相关运算，得到相关结果；
所述最大值判断器，用于判断所述N个相关结果的最大值，并得到所述最大值对应的数据段的第一个数据在整个所述输入数据序列中的位置；
所述比较器，用于判断所述最大值是否大于相关门限，如果是，则输出LDPC码的起始位置序号和帧同步检测成功信号。
6.如权利要求1所述的联合LDPC编码和递归MSK的调制解调***，其特征在于，所述MSK相干解调器，包括复信号分路模块、延时单元、第一乘法器、第一积分器、第二乘法器和第二积分器，
所述复信号分路模块，用于将所述接收信号分成实部信号和虚部信号；
所述延时单元，用于对所述实部信号进行T时间的延时；
所述第一乘法器，用于将所述延时后的实部信号与cos(π·t/2T)信号相乘；
所述第一积分器，用于对所述第一乘法器的输出信号进行积分处理；
所述第二乘法器，用于将所述虚部信号与sin(π·t/2T)信号相乘；
所述第二积分器，用于对所述第二乘法器的输出信号进行积分处理。
7.一种联合LDPC译码和递归MSK的解调译码方法，包括以下步骤：
对接收信号依次进行正交下变频、低通滤波、粗载波频偏估计及补偿后，将处理结果保存于缓存中；
对所述保存于缓存中的基带信号数据进行差分解调；
对所述差分解调后的数据进行相关检测；
如果所述相关检测中检测到帧同步头，则控制所述缓存及解调选择器，使解调方式切换到MSK相干解调，并用检测到的帧同步头的信号数据定位所述LDPC译码的帧同步位置，否则，继续进行所述相关检测；
对所述包含帧同步头的信号数据进行MSK相干解调，得到解调数据；
对所述解调数据进行同步处理后进行LDPC译码，将译码结果判决输出。
8.如权利要求7所述的联合LDPC译码和递归MSK的解调译码方法，其特征在于，所述同步处理包括：
在信噪比较低或信道环境恶劣的工作场合，采用导频或训练序列的方式实现同步；
在其他情况下，采用自同步方式。
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