專利名稱：一種基于ldpc編碼輔助的mpsk系統(tǒng)載波同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)編碼輔助的M電平相移鍵控 (MPSK)系統(tǒng)的載波同步方法，屬于數(shù)字通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)是一種接近香農(nóng)限的編碼，在實(shí)際生活中有諸多應(yīng)用 第二代衛(wèi)星數(shù)字電視廣播(BVD-S》系統(tǒng)采用BCH和LDPC鏈接碼作為其前向糾錯(cuò)碼；空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)也提出了一系列方便近地應(yīng)用和深空應(yīng)用的LDPC編碼。但是 LDPC調(diào)制技術(shù)需要接收機(jī)工作在低信噪比環(huán)境下，而此時(shí)就會(huì)帶來(lái)載波頻率恢復(fù)的門限效應(yīng)。載波頻率恢復(fù)的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是初始頻偏、相偏的估計(jì)以及解調(diào)過(guò)程中頻率、相位的跟
S示ο初始頻偏估計(jì)和相偏估計(jì)可以轉(zhuǎn)化為對(duì)一個(gè)復(fù)正弦信號(hào)頻率和初始相位的估計(jì)。 在低信噪比的環(huán)境下，對(duì)于個(gè)數(shù)有限的數(shù)據(jù)塊，該過(guò)程采用漸進(jìn)最優(yōu)的MLE方法能夠得到最好的性能，但是由于似然函數(shù)是頻率的非線性函數(shù)(在有噪聲的情況下此種特性更為突出)，所以準(zhǔn)確的MLE就需要在可能的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的搜索。解決解調(diào)過(guò)程中頻率、相位跟蹤的傳統(tǒng)方法是采用鎖相環(huán)(PLL)，以BPSK調(diào)制為例，鎖相環(huán)的原理圖如圖1所示。但是當(dāng)信噪比低于6dB時(shí)，鎖相環(huán)在跟蹤過(guò)程中的跳周現(xiàn)象(即去除相位模糊后的載波又出現(xiàn)相位模糊)就已經(jīng)比較明顯，不能穩(wěn)定的工作。為了更好的實(shí)現(xiàn)頻率、相位跟蹤同步，一些系統(tǒng)比如DVB-S2在信息數(shù)據(jù)周期間插入導(dǎo)頻符號(hào)， 但是導(dǎo)頻符號(hào)會(huì)帶來(lái)額外的開(kāi)銷，從而降低了頻譜利用率；另外一些文章提出了在解調(diào)和解碼之間進(jìn)行迭代來(lái)獲得頻率跟蹤的方法，但是迭代帶來(lái)了計(jì)算復(fù)雜度的大大增加。以上所述方法均不適合實(shí)際工程應(yīng)用。目前，已有一些基于頻偏估計(jì)及補(bǔ)償?shù)耐椒椒?，其基本?shí)現(xiàn)原理如圖2所示。接收到的中頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)本振正交下變頻變到基帶，再經(jīng)過(guò)AD采樣離散化。假設(shè)有理想的位定時(shí)，則經(jīng)下變頻后的基帶信號(hào)！"k可表示為rk = exp (j θ k) exp (j2 π fdkTs+j Φ0) +zk (1)式(1)中，ek為傳輸?shù)男亲c(diǎn)符號(hào)的相位，即調(diào)制信息，對(duì)于MPSK，其取值為 θ k e {0，2 π /Μ，Λ，2 (M-I) π /Μ}，M為調(diào)制階數(shù)；fd是殘留頻偏；TS是符號(hào)周期；Φ C1是初始相偏Pk是噪聲，不失一般性，假設(shè)其為加性復(fù)高斯白噪聲(AWGN)，其均值為0，方差為ο2; j為虛數(shù)單位；k表示第k個(gè)采樣點(diǎn)的標(biāo)號(hào)。信號(hào)的功率歸一化為1。去除中的調(diào)制信息，得到一個(gè)只被加性噪聲污染的單載波信號(hào)hk = rk QXTpi-Jθ,) = Qx^(J27fdkTs +j^0) + zk,k = 0,1, AL0-I (2)采用基于二分法的搜索算法，可以得到hk的頻率fd和初相(K的最大似然估計(jì)值義和武，進(jìn)而對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，恢復(fù)出原信號(hào)并得到解調(diào)結(jié)果dk
_U dk=rk Qxp(-j27fdkTs -)(3)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)采用LDPC編碼的相位調(diào)制系統(tǒng)中現(xiàn)有的載波同步實(shí)現(xiàn)方法的不足，提出了一種基于LDPC編碼輔助的載波同步方法。通信系統(tǒng)包括兩種傳輸模式突發(fā)通信和連續(xù)通信。突發(fā)通信的數(shù)據(jù)由幀頭和數(shù)據(jù)組成，幀頭用于標(biāo)記突發(fā)幀的開(kāi)始和同步，其內(nèi)容對(duì)于接收端是已知的，突發(fā)通信幀數(shù)據(jù)格式如圖3所示。每一幀均有一個(gè)幀頭和η個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，每個(gè)數(shù)據(jù)塊均為L(zhǎng)DPC碼分組。 幀頭表示為H，包含Ltl個(gè)符號(hào)；數(shù)據(jù)塊表示為Bi, i = 1，2，K，η，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含Ld個(gè)符號(hào)， 且、=N/logf，N每個(gè)數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度，單位為比特，M為MPSK調(diào)制的階數(shù)。連續(xù)通信的數(shù)據(jù)則是連續(xù)發(fā)送的，中間勤務(wù)地發(fā)一些用于去除相位模糊度的獨(dú)特碼，獨(dú)特碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)于接收端也是已知的，但一般獨(dú)特碼很短，在低信噪比條件下無(wú)法用于載波同步，連續(xù)通信幀數(shù)據(jù)格式如圖4所示。連續(xù)通信模式下只有一個(gè)幀，由幀頭和無(wú)數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，幀頭和各個(gè)數(shù)據(jù)塊的定義同通突發(fā)模式下的定義。本發(fā)明方法包含的兩個(gè)步驟步驟一、初始頻偏和相偏估計(jì)根據(jù)下式去除經(jīng)下變頻后的基帶信號(hào)中的調(diào)制信息，得到單載波信號(hào)hk hk = rk exp(-7<9,) = expO'2^/2； + j(k) + ,
k = 0,1,Λ ,L0 + nLd -1；突發(fā)通信模式 > = 0,1,2K;連續(xù)通信模式其中，Ltl為幀頭中符號(hào)的個(gè)數(shù)；ek為傳輸?shù)男亲c(diǎn)符號(hào)的相位，其取值為 θ k e {0，2 π /M，4 π /Μ，Λ，2 (M-I) π /Μ}，M為MPSK調(diào)制階數(shù)；fd是殘留頻偏；TS是符號(hào)周期；Φο是初始相偏；j為虛數(shù)單位；k表示該單載波信號(hào)第k個(gè)采樣點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，k為正整數(shù)； ^ =、exp(__/+^)為加性復(fù)高斯白噪聲，均值為0，方差為σ2 ^k是加性復(fù)高斯白噪聲的幅度；對(duì)于突發(fā)通信模式，每一幀均有一個(gè)幀頭和η個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含Ld個(gè)編碼符號(hào)，且、=Njlogf，N每個(gè)數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。然后獲得單載波信號(hào)hk的初始頻偏fd和初始相偏Φ ο的最大似然估計(jì)值； 以及幀頭中間符號(hào)的相偏的無(wú)偏估計(jì) ^?！?2 ；作為優(yōu)選，利用現(xiàn)有技術(shù)，可以采用基于二分法(請(qǐng)參考專利號(hào)200910087839. 2)的搜索算法，得到單載波信號(hào)hk的初始頻偏fd和初始相偏Φο的最大似然估計(jì)值Λ和武。步驟二、利用LDPC的解碼結(jié)果輔助頻偏和相偏的跟蹤，對(duì)于第一個(gè)數(shù)據(jù)塊，采用直接判決(Decision-Directed)檢測(cè)器，利用直接相位補(bǔ)償算法對(duì)相位進(jìn)行跟蹤，而在將第一個(gè)數(shù)據(jù)塊解調(diào)解碼之后，再利用解碼信息得到更準(zhǔn)確的相偏估計(jì)，進(jìn)而對(duì)剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明方法在頻偏和相偏跟蹤過(guò)程中利用LDPC解碼結(jié)果輔助載波跟蹤算法，不僅不需要額外的引導(dǎo)符號(hào)，而且在低信噪比環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。


圖1為鎖相環(huán)的原理圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的基于頻偏估計(jì)及補(bǔ)償載波同步的基本實(shí)現(xiàn)原理圖；圖3為突發(fā)通信數(shù)據(jù)格式示意圖；圖4為連續(xù)通信數(shù)據(jù)格式示意圖；圖5為相偏估計(jì)誤差的離散概率分布圖6為伴隨式和值的概率分布。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的是針對(duì)采用LDPC編碼的相位調(diào)制系統(tǒng)中現(xiàn)有的載波同步實(shí)現(xiàn)方法的不足，提出了一種基于LDPC編碼輔助的載波同步方法。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋。本發(fā)明方法包含的兩個(gè)步驟步驟一、初始頻偏和相偏估計(jì)對(duì)于接收端，幀頭符號(hào)是已知的，利用幀頭符號(hào)結(jié)合MLE算法進(jìn)行初始估計(jì)。首先去除經(jīng)下變頻后的基帶信號(hào)中的調(diào)制信息，得到只被加性噪聲所污染的單載波信號(hào)hk， 可由下式表示hk = rk exp(-7<9,) = expO'2^/2； + j(k) + , k = 0,1,Λ ,L0 + nLd -1；突發(fā)通信模式
> = 0,1,2K;連續(xù)通信模式(4)其中，Ltl為幀頭中符號(hào)的個(gè)數(shù)；ek為傳輸?shù)男亲c(diǎn)符號(hào)的相位，其取值為 θ k e {0，2 π /Μ，4 π /M, Λ , 2 (M-I) π /Μ}，M 為 MPSK 調(diào)制階數(shù)；fd 是殘留頻偏；TS 是符號(hào)周期；Φο是初始相偏d為虛數(shù)單位；k表示第k個(gè)采樣點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，k為正整數(shù)； ^ =、exp(__/+^)為加性復(fù)高斯白噪聲，均值為0，方差為σ2 ^k是加性復(fù)高斯白噪聲的幅度。對(duì)于突發(fā)通信模式，每一幀均由一個(gè)幀頭和η個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含Ld個(gè)編碼符號(hào)，且、=Njlogf，N為每個(gè)數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。式(4)數(shù)據(jù)模型的似然函數(shù)為丄(甙,/JCC武,/J= , 1 exp[-^(A - χ)Η ( - χ)](5)
π °σ 0σ其中，Α=[ΚΛΑ。—Jr為單載波信號(hào)hk的向量表示， 壙為復(fù)正弦信號(hào)& = 6即(]_231&1^力_(^)的向量表示；p(h ;(K，fd)為向量h的概率密度函數(shù)， 其中的參數(shù)為ΦC1和fd，上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置。小(1和4的最大似然估計(jì)值^和_^應(yīng)使得似然函數(shù)L(cK，fd)的值最大，S卩(h-X)H(h-X)的值最小，據(jù)此可得(K和fd的最大似然估計(jì)表達(dá)式為


權(quán)利要求
1. 一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一、初始頻偏和初始相偏估計(jì)首先去除經(jīng)下變頻后的基帶信號(hào)rk中的調(diào)制信息，得到單載波信號(hào)hk，由下式表示 K = rk exp(-7<9,) = expO'2^/7； + #。) + zk,k = 0,1,Λ，L0+nLd -1；突發(fā)通信模式 '^ = 0,1^；連續(xù)通信模式 (4)其中，Ltl為幀頭中符號(hào)的個(gè)數(shù)；k表示該單載波信號(hào)第k個(gè)采樣點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，k為正整數(shù)；9k為傳輸?shù)男亲c(diǎn)符號(hào)的相位，其取值為{0，2π/Μ，4π/Μ，Λ，2(Μ_1)π/ Μ}，M為MPSK調(diào)制階數(shù)；fd是殘留頻偏；TS是符號(hào)周期；(K是初始相偏；j為虛數(shù)單位； ^ =、exp(__/+^)為加性復(fù)高斯白噪聲，均值為0，方差為σ2 ^k是加性復(fù)高斯白噪聲的幅度；對(duì)于突發(fā)通信模式，每一幀均由一個(gè)幀頭和η個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含Ld個(gè)編碼符號(hào)，且、=N/\ogf，N為每個(gè)數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度；然后獲得單載波信號(hào)hk的初始頻偏fd和初始相偏(K的最大似然估計(jì)值義和武，以及幀頭中間符號(hào)的相偏的無(wú)偏估計(jì)ii。—υ/2 ；步驟二、利用LDPC的解碼結(jié)果輔助頻偏和相偏的跟蹤，包括如下步驟 Α、第一個(gè)數(shù)據(jù)塊的跟蹤算法1)利用步驟一得到的初始頻偏估計(jì)Λ和相偏估計(jì)&以及幀頭中間符號(hào)的相偏的無(wú)偏估計(jì)&ι。_ιν2，設(shè)置額外相位累積和9_ = 0;初始化1^= (1^-1)/2，對(duì)于在1-1)/2 SkSLfLd-I范圍內(nèi)的每個(gè)k值，順序進(jìn)行步驟2)，Ltl為幀頭中符號(hào)的個(gè)數(shù)，Ld 為每個(gè)剩余數(shù)據(jù)塊中符號(hào)的個(gè)數(shù)；2)補(bǔ)償?shù)趉個(gè)符號(hào)的相偏，得到其軟解調(diào)結(jié)果dk = rk exp(-7'4) (n)= rkexp{-J2^d[k-(L0 -1)/2]7； -y>(io_1)/2}, (L0-I)/2 ( k ( L0+Ld-1其中Α是第k個(gè)符號(hào)下變頻后的基帶形式，&是第k個(gè)符號(hào)的相偏估計(jì)，L0為幀頭中符號(hào)的個(gè)數(shù)，Ld為每個(gè)剩余數(shù)據(jù)中符號(hào)的個(gè)數(shù)， 則第k個(gè)符號(hào)的相位誤差為、k =(L0-I)Zl <k<L0-\< ek = arg(式)-argmin[| 式-exp(<9) |], L0<k<L0+Ld-l (12)、θ·.Θ^Θ式(12)中，θ為與軟解調(diào)的結(jié)果擁有最小歐幾里得距離的星座圖點(diǎn)的符號(hào)相位；Θ為發(fā)射星座圖的符號(hào)相位集合；對(duì)于幀頭中各個(gè)符號(hào)，其相位θ k對(duì)于接收端是已知的；對(duì)于非幀頭符號(hào)，采用如下直接判決檢測(cè)方法獲得9k;令％加上或減去2 π的整數(shù)倍使其滿足q e [- π，π )；然后判斷q的值 當(dāng)q彡0時(shí)，使HlTjdTs^，0sum增力口 Δφ;反之，貝丨J使L1 =4>k+ITrfdTs-^, θ sum減少Δ φ ；其中，Δ φ是根據(jù)實(shí)際需要預(yù)設(shè)的固定相位值；3)將步驟2)得到的所有k值下的軟解調(diào)結(jié)果進(jìn)行LDPC解碼；根據(jù)LDPC碼的結(jié)構(gòu)設(shè)定一個(gè)伴隨式的和值的門限，并據(jù)此判斷頻偏和相偏是否被正確跟蹤如果LDPC解碼后碼字的伴隨式的和值低于該門限，則認(rèn)為頻偏和相偏被正確跟蹤，此時(shí)轉(zhuǎn)入步驟5)；否則認(rèn)為頻偏和相偏沒(méi)有被正確跟蹤，此時(shí)轉(zhuǎn)入步驟4)；4)嘗試其他的頻率偏置I，定義I =1 +1 + Μ)/{2π[Σ0 +Ld -(L0-i)/2]Ts}, i = 士 1，士2，Λ，士imax其中，Δ θ是固定相位步長(zhǎng)，2imax是嘗試的最大次數(shù)，θ·取當(dāng)前值。對(duì)于每個(gè)2，重復(fù)步驟1) 步驟3)，并且在步驟2)中，記當(dāng)前義對(duì)應(yīng)的軟解調(diào)結(jié)果為《，則有/V/V= rk exp{-_/2畎[k - (L0 -1) / 2]TS -成_1)/2}, (L0-I)/2 ^ k ^ L0+Ld-1在步驟3)中，如果碼字伴隨式的和值低于門限，則認(rèn)為第一個(gè)數(shù)據(jù)塊的載波同步成功，停止循環(huán)，進(jìn)入步驟5)更新^為此時(shí)的義并轉(zhuǎn)入步驟B進(jìn)行其他剩余數(shù)據(jù)塊的跟蹤；否則繼續(xù)嘗試其他的頻率偏置義；如果達(dá)到了嘗試的最大次數(shù)2imax而碼字的伴隨式的和值仍大于該門限值，則轉(zhuǎn)入步驟5)；5)用Zd+^^/{^[4+4-(4-1)/2] ;}作為當(dāng)前更新后的義，即按式(⑶進(jìn)行更新， 然后轉(zhuǎn)入步驟B進(jìn)行其他剩余數(shù)據(jù)塊的跟蹤。Λ =Λ +^uJiML0 +Ld -(L0 -1)/2] (13)其中，Λ為初始頻偏，額外相位累積和θ SUffl為當(dāng)前值。 B、剩余數(shù)據(jù)塊的跟蹤算法a)剩余數(shù)據(jù)塊中第t個(gè)數(shù)據(jù)塊中第一個(gè)符號(hào)的相位偏置的最大似然估計(jì)為 么。 隊(duì)=arg{ X rk exp卜-{t-l)Ld)Ts -J0k]} (14)k=L0 Ht-OLd其中，t初始值為1，么是經(jīng)過(guò)過(guò)程A得到的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊正確解調(diào)解碼后第k個(gè)符號(hào)的相位；則由式(14)可以得到剩余數(shù)據(jù)塊中第t個(gè)數(shù)據(jù)塊中間符號(hào)的相偏為/V/V/V么。+(,-1) Wl)/2 = ^0+(t-l)Ld+ Tfd(Ld-I)Ts(15)對(duì)于在L0+tLd ^ k ^ L0+ (t+1) Ld-I范圍內(nèi)的每個(gè)k值，進(jìn)行步驟b)；b)第k個(gè)符號(hào)的軟解調(diào)結(jié)果為dk = h ^Vi-j^fd[k-L0 -{t-\)Ld -(Ld -l)/2]Ts - jAo+(J^)Ld+(Ld^/2}(16)定義此時(shí)第k個(gè)符號(hào)的相位誤差為^k = arg(^) - arg mm[| dk - exp(^) |], L0+tLd < k < L0 + (t + \)Ld -1取θ為與軟解調(diào)的結(jié)果擁有最小歐幾里得距離的星座圖點(diǎn)的符號(hào)相位；Θ為發(fā)射星座圖的符號(hào)相位集合；c)將步驟b)得到的所有軟解調(diào)結(jié)果進(jìn)行LDPC解碼，如果碼字的伴隨式的和值低于設(shè)定的門限，則表明第(t+Ι)個(gè)數(shù)據(jù)塊的載波成功同步，不更新，轉(zhuǎn)入步驟e)；否則轉(zhuǎn)入步驟d)。d)嘗試其他的頻率偏置;;，定義為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，其特征在于，步驟一中，單載波信號(hào)hk的初始頻偏fd和初始相偏Φ ο的最大似然估計(jì)值Λ和&按照下式獲得
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，其特征在于，采用基于二分法的搜索算法得到單載波信號(hào)hk的初始頻偏fd和初始相偏(K的最大似然估計(jì)值Λ和忒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，其特征在于，當(dāng)不考慮噪聲的影響時(shí)，單載波信號(hào)hk的初相(K的最大似然估計(jì)值^為
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述任一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，其特征在于，步驟二中A步驟幻的所述固定相位值Δ φ設(shè)為Ji/160。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述任一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，其特征在于，步驟二中A步驟3)的伴隨式的和值的門限與LDPC碼的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括碼長(zhǎng)、校驗(yàn)矩陣的行重和列重因素。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于LDPC編碼輔助的MPSK系統(tǒng)載波同步方法，屬于數(shù)字通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)領(lǐng)域。該方法主要包含在已知幀頭情況下的初始載波同步和調(diào)制過(guò)程中的載波跟蹤同步。初始載波同步過(guò)程是對(duì)初始頻偏和相偏的估計(jì)，可利用基于二分法的快速搜索算法，得到頻偏和相偏的最大似然估計(jì)值；在載波跟蹤過(guò)程，利用LDPC編碼的伴隨式確定載波同步是否被正確跟蹤。應(yīng)用本方法時(shí)初始估計(jì)的性能接近克拉美-羅下界，接收機(jī)能在低信噪比環(huán)境下穩(wěn)定工作，LDPC碼也表現(xiàn)出良好的性能。該方法也可保證只要LDPC解碼能正常工作，并能在要求的信噪比下提供有用的信息，載波同步跟蹤就能避免周跳，穩(wěn)定工作。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102209058SQ20111014774
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者劉策倫, 卜祥元, 安建平, 李金峰 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)