CN105530215B - 一种基于cordic的8psk软差分译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及8PSK单载波调制***接收端相位差分译码方法，属于无线通信接收机信号处理领域。本专利提出一种新的差分译码方法，既克服相位模糊，又满足后续纠错译码对软信息的要求，可充分发挥纠错译码性能，降低解调门限要求。本专利提出的方法首先利用CORDIC算法求出符号同步后的IQ信息相位，获得发端标准相位，然后采用该标准相位和后一符号的相角相减，获得软差分译码后的相位信息。该信息没有相位模糊，保留了相位软信息，避免了相角误差扩散。新方法利用CORDIC算法结合8PSK差分相位特性，对接收端解调后的相角进行软差分译码，可以明显改善相位软信息的准确性，提高接收性能。算法复杂度小，易于实现。
Description
技术领域
本发明适用于无线通信领域的8PSK单载波调制体制接收端信号处理。本发明应用收端采用载波盲同步存在相位模糊问题的8PSK单载波连续通信***中，解决了硬差分译码损失软判决信息、传统软差分译码相角误差扩散的问题，该技术的基础是CORDIC算法设计和相位差分处理。
背景技术
在高速微波、卫星通信链路中，无线信道都属于功率和频率受限的信道，为了节省功率或者节省带宽、提高吞吐量等，需要采用更好的调制解调及编译码方式。在之前的卫星或微波通信***中，常采用8PSK+TCM的方式实现高速无线传输。随着编译码及大规模集成电路的发展，8PSK+LDPC的方式变得容易实现，性能相对8PSK+TCM的方式有一定的提升，为无线信道节省了功率或频率资源，获得了广泛的应用。8PSK盲同步相位模糊一般采用硬判决差分译码，但是为了最大程度发挥编译码性能，LDPC译码需要软判决信息，二者是矛盾的，需要寻找一种方法，既解决了相位模糊问题，又能提供译码的软判决信息。
由于相对较高的频谱利用率以及良好的抗干扰性能，8PSK调制在卫星通信和移动通信***中，获得了广泛的应用。由于8PSK的8个星座点均在单位圆上，所以调制后的发射信号峰均比较低，对功放要求相对QAM调制方式更低，可以降低对功放的要求、降低射频功耗等。在符号速率不变的前提下，采用8PSK技术所能达到的数据传输速率是GMSK的3倍，是QPSK的2倍。8PSK调制的特点是8个矢量端点均匀分布在单位圆周上，其数学表达式为：
（1）
调制框图如图1。
纠错编码后的数据送给联合映射模块，8PSK调制首先将发送序列进行3比特分组，根据3比特信息和相位变化的关系，实现比特信息和相角变化的格雷规则映射，同时映射的相角为变化量，实现了差分编码，映射关系如表1。
完成映射后，根据角度生成IQ调制信号，完成成型滤波等处理后送给DAC变换器转换为模拟基带信号，经过射频调制、放大后进行发射。
表1 输入符号和调制相位变化关系
| 输入符号 | 111 | 110 | 100 | 101 | 001 | 011 | 010 | 000 |
| 调制相位变化 | 0° | 45° | 90° | 135° | 180° | -45° | -90° | -135° |
在8PSK解调中，主要完成载波同步、符号同步、译码相位信息生成等。在采用盲同步的***中，载波同步常采用CORDIC算法进行鉴相，译码角度信息生成常采用CORDIC算法生成符号角度。典型框图如图2。
CORDIC算法即坐标旋转数字计算方法（Coordinate Rotation DigitalComputer）是1959年由Volder首次提出的。最初是用于计算三角函数的，后来由于其算法的简单，硬件易于实现等等多种优势，而被广泛的用于多种函数的运算中（其中包括三角函数，双曲函数，开方，指数函数，对数函数，乘法运算，除法运算等等），在通信***调制解调等方面，都有着广泛的应用。
CORDIC算法的基本表达式如下：
（2）
（3）
公式（2）代表CORDIC算法的迭代方式，公式（3）代表矢量旋转模式的结果，最终获得了直角坐标数据的极坐标信息，即角度和幅度。在8PSK解调中，CORDIC算法应用广泛，通常载波同步、差分译码、软信息生成都会应用该算法。
在8PSK接收端，由于采用载波盲同步，IQ信号载波同步和符号定时完成后，8PSK符号存在相位模糊。相位模糊为PSK、QAM调制体制中常见问题，一般采用差分编译码进行克服。比如8PSK差分编码***中，输入数据信息为相位累加器增量，相位累加结果为发送星座点相位，前后星座点相位变化量代表了输入数据信息。接收端采用前后相角相减的形式，获得的差角即还原为发送端输入数据信息。
硬差分译码实现简单，CORDIC模块生成相位信息后，采用相位判决后的3比特符号信息进行译码，只需要3比特减法器即可实现。但是软判决量化信息损失，存在后续纠错译码性能不能充分发挥的问题。
传统软差分实现稍复杂，在CORDIC模块生成相位信息前，前后两个符号IQ数据进行共轭乘，获得新的IQ两路数据，然后将共轭乘后的IQ信息求取相角，获得差分相位。或者是CORDIC模块生成相位信息后进行前后相角相减运算，获得差分相角。传统的两种方法克服了硬差分不能获得软判决译码信息的问题，但是都存在低信噪比时相角误差扩散的问题，降低后续译码软判决信息的准确性。
以图3为例进行传统软差分误码扩散的说明。B1、B2为标准点位置，分别为22.5°和67.5°。假设前符号发送的为B1点，下一符号输入110，根据表1所示映射规则，后符号发送相位在B1点上增加45°，发送的为B2点，根据判断规则，差分接收后的角度以45°为最佳，正确范围在22.5°和67.5°之间。受高斯噪声影响，接收的B1点可能在M11，也可能在M12，或者其他位置，接收的B2点可能在M21，也可能在M22，或者其他位置。如果B1接收点在M11点，B2接收点在M22点，差分后的角度可能大于67.5°；如果B1接收点在M12点，B2接收点在M21点，差分后的角度可能小于22.5°。显然在信噪比较低时，存在相角误差扩散，会降低后面译码软判决信息生成的准确性。
发明内容
硬差分译码实现简单，但是后续纠错译码不能使用软判决信息；传统软差分译码可以为后续纠错译码提供软信息，但是存在相角误差扩散的问题；新设计的软差分译码解决前面两种差分译码存在的问题，既克服了相位模糊，又没有相角误差扩散，满足后续纠错译码对软信息的要求。
本专利利用CORDIC算法结合8PSK差分相位特性，对接收端解调后的相角进行软差分译码，总体算法框图如图4所示。
首先设计CORDIC模块。CORDIC模块设计为相位旋转模式，相位[-π,π)量化为N位，范围为[-2N-1, 2N-1-1)。CORDIC模块设计可以参考XILINX、ALTERA等集成电路公司公开的CORDIC模块IP核介绍，如果在FPGA中实现，则可以直接调用现成的IP核实现。。
将IQ信号输入CORDIC模块，求出相位信息。
采用相位信息的高3比特生成标准相位，记为，进行存储延时，标准相位的生成可以采用查表的方式获得。8个标准信息存储为[2N/16, 2N/16+2N/8, 2N/16+2*2N/8, 2N/16+3*2N/8,- (2N/16+3*2N/8),-( 2N/16+2*2N/8),-( 2N/16+2N/8),- 2N/16]。高3比特以无符号数[000,001,010,011,100,101,110,111]查出对应的标准相位的值。
利用流水线CORDIC模块继续求取后面一个符号的相位信息，记为。
最后求出，即获得了软差分译码后的相位信息，将该信息提供给后续软判决信息生成模块，没有相位模糊和角度误差扩散，保留了较为真实的软信息。
同样以图3为例对新设计的软差分译码带来的好处进行说明。假设B1接收点在M11点，B2接收点在M22点。采用新方法，根据M11点硬判相位信息后，扩展为标准相位，对应的为B1点标准位置，M22点和B1差分后，相位不会大于67.5°，在正常范围22.5°和67.5°之间；假设B1接收点在M12点，B2接收点在M21点，采用新方法，根据M12点硬判相位信息后，扩展为标准相位，对应的为B1点标准位置，M21点和B1差分后，相位不会小于22.5°，在正常范围22.5°和67.5°之间。根据以上分析，新方法解决了差分后相角误差扩散问题。
附图说明
图1 8PSK典型发送端框图
图2 8PSK典型接收端框图
图3星座点相角示意图
图4软差分译码新方法实现框图
图5 8PSK接收端星座图
图6 LDPC译码性能对照图
具体实施
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下附图及实施例，对本发明的基于CORDIC的8PSK软差分译码方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
假设输入符号和调制相位关系如表1，收端进行载波盲同步、符号同步后的星座图如图5，起始偏移相位为π/8。
1)首先设计CORDIC模块，相位[-π,π)量化为16位，范围为[-32768,32767)。
2)符号同步后的IQ信号送入CORDIC模块，求取相位信息。
3)根据相位信息的高3比特进行查表，获得标准相位信息，记为。8个标准信息存储为[4096,12288,20480,28672,-28672,-20480,-12288,-4096]。高3比特以无符号数[000,001,010,011,100,101,110,111]查出对应的标准相位的值。
4)CORDIC模块为流水线运算方式，求取出下一IQ信号的相位，记为。
5)求出，即获得了软差分译码后的相位信息，该信息没有相位模糊，并保留了较为真实的软信息。将该信息用于软判决纠错译码可以获得更好的性能，LDPC译码性能对照图如图6所示。
Claims (1)
1.一种基于CORDIC的8PSK软差分译码方法，其特征在于，它利用CORDIC算法结合8PSK差分相位特性，对接收端解调后的相角进行软差分译码，实现步骤如下：
1）设计CORDIC模块，将相位[-π,π)量化为N位，范围为[-2N-1, 2N-1-1)；
2）8PSK 的8个标准相位量化为[2N/16, 2N/16+2N/8, 2N/16+2*2N/8, 2N/16+3*2N/8,-(2N/16+3*2N/8),-( 2N/16+2*2N/8),-( 2N/16+2N/8),- 2N/16]，构成一个地址深度为8，数据位宽为N的查找表LUT_P；
3）符号同步后的IQ信号送入CORDIC模块，求取相位信息，相位信息用符号表示；
4）截取相位信息的高3比特作为地址进行查表，即查LUT_P表，获得标准相位信息，记为；
5）CORDIC模块为流水线运算方式，求取出下一IQ信号的相位信息，记为；
6）求出，获得了软差分译码后的相位信息。
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