（通信与信息系统专业论文）ttcm与cpm级联系统联合检测译码算法研究.pdf

摘要 摘要 网格编码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 和连续相位调制( c o n t i n u o u sp h a s e m o d u l a t i o n ) ，是现代通信系统中广泛采用的两种编码调制方式。两者均具有很高 的能量和带宽有效性。c p m 对非线性放大器不敏感，并且由于相位连续旁瓣较小。 t c m 则通过集分割( s e tp a r t i t i o n ) 获得了较大的编码增益。近年来关于结合两者 优点进行编码调制系统设计成为一个重要的研究课题。 本文主要研究基于连续相位调制的高谱效率编码调制系统。在考察现有成果 的基础上，我们提出了串行级联t t c m c p m 编码调制方案。该方案综合现有方案 的优点，同时兼顾集分割和串行级联方案的优点。 同时考虑到c p m 的解调中存在载波相位估计与同步困难，锁相环( p l l ) 存 在误锁，相滑等诸多缺点，我们采用具有实际应用意义的非相干检测手段。通过 理论分析和仿真验证，采用非相干检测算法的c p m 接收机和相干检测接收机性能 差异在2 d b 以内，突破了传统观念中两者3 d b 的性能差异。 相比于目前的国内外主流的t c m c p m 方案，本文提出的t t c m c p m 方案工 作在8 元符号集，谱效率为2 b i t s s h z ，仿真表明，通过很少的迭代次数，就能获得 较大的性能增益，即使在小的调制指数下性能下降的也并不明显。而且其归一化 带宽也较小。 关键词：c p mt t c m 编码调制串行级联非相干检测迭代 a b s t r a c t a b s t r a c t c p m ( c o n t i n u o u s p h a s e - m o d u l a t i o n ) ，a sak i n d o fc o n s t a n te n v e l o pm o d u l a t i o n s c h e m e ，i ti sb e r e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e m o r y l e s sm o d u l a t i o ns c h e m e si nt h es e n s e t h a ti ti sn o ts e n s i t i v et ot h en o n l i n e a rc l a s sc a m p l i f i e r , w h i c hm e a n s2 4 d bg a i nc a l l b eo b t a i n e dc o m p a r e dt ot h o s eu s ea c l a s s ( o rbc l a s s ) a m p l i f i e r b e c a u s eo ft h e s e ， i ti s w i d e l yu s e di nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss u c ha ss a t e l l i t e ，m o b i l er a d i oa n d s t a t i o n t h i sp a d e rm a i n l yd e a l sw i t ht h ec o n c a t e n a t e dc o d e dm o d u l a t i o nb a s e do nc p m g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo fs p e c i f i e dc p ms c h e m ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e m o d u l a t i o no r d e r , m o d u l a t i o ni n d e x ，m e m o r yl e n g t ha n dp u l s es h a p e t oa c h i e v e e n e r g y - e f f i c i e n c ya n db a n d - e f f i c i e n c yb ye m p l o y i n gs m a l lm o d u l a t o ri n d e x w i l l d e g r a d et h ep e r f o r m a n c ei nt e r mo fb e r t os o l v et h i sp r o b l e m ，w ep r o p o s ea c o n c a t e n a t e ds y s t e mu s i n gc p ma n dt u r b o - t c ma s t h ei n n e rc o d ea n do u t e rc o d e i n d e p e n d e n t l y , d e m o d u l a t i o na n dd e c o d i n gr u n si t e r a r i v e l y t h et u r b o - t c mh a sa l l i g hc o d er a t ea sw e l la sg o o dp e r f o r m a n c e ，s u c ht h a tt h ee n t i r es y s t e mm a i n t a i n s n a r r o wb a n da n dh i g hi n f o r m a t i o nr a t e c o n s i d e r i n gt h a ti np r a c t i c a ls c e n e ，n o n c o h e r e n td e t e c t i o no fd i g i t a ls i g n a l si sa n a t t r a c t i v es t r a t e g yi ns i t u a t i o nw h e r ec a r r i e rp h a s er e c o v e r yi sd i f f i c u l t m o s to ft h e d r a w b a c k so fp h a s e l o c k e d - l o o p ( p l l ) c i r c u i t su s e dt oa p p r o x i m a t e l yi m p l e m e n t c o h e r e n td e t e c t i o n ，m a yb ea v o i d e db yn o n c o h e r e n td e t e c t o r s s p e c i f i c a l l mt y p i c a l p r o b l e m so fp l l ss u c ha sf a l s e l o c k s ，p h a s e s l i p s ，o rl o s s e so fl o c kc a u s e db ys e v e r e f a d i n g , d o p p l e rs h i f t s ，p h a s en o i s e ，o ro s c i l l a t o rf r e q u e n c yi n s t a b i l i t i e sa r es i m p l y b y - p a s s e d b ye m p l o y i n go s b s m e l u n t zr e c e i v e rt h en o n c o h e r e n td e t e c t o rw ec a n b r e a kt h e3 d bg a pb e t w e e nc o h e r e n ta n dn o n c o h e r e n td e t e c t i o n c o m p a r e d t om o s to ft h ec u r r e n tc p mc o n c a t e n a t e ds y s t e m s ，t h es c h e m ep r o p o s e d i nt h i s p a p e ro p e r a t e so n8 - a r y , s y m b o l - l e v e l ，n a r r o w b a n d a n dh i 曲r a t e s w e i n v e s t i g a t e dt h ei m p a c to fm o d u l a t i o no r d e r , m o d u l a t i o ni n d e x a n dp u l s es h a p et ot h e s y s t e ma n d o b t a i ns o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s k e y w o r d s ：c p mt t c mc o d e dm o d u l a t i o ns e r i a l l yc o n c a t e n a t e d n o n c o h e r e n td e t e c t i o ni t e r a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：鍪塑 日期三21 兰止z 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：邃塑 本人签名： 公：竖 导师签名圭筮堑 第一章绪论 第一章。绪论 本章首先简要介绍了数字通信系统模型，回顾了信道编码理论与技术的发展 历程，然后概述了以网格编码和连续相位调制为代表的编码调制技术的提出发 展及现状。最后说明了本文的主要工作以及文章内容安排。 1 1数字通信系统中的纠错码 随着现代通信技术和计算机技术的迅速发展，每天都在不断涌现新的通信业 务和信息业务，同时用户对通信质量和数据传输速率的要求也在不断提高。由于 通信信道固有的噪声和衰落特性，信号在经过信道传输到达通信接收端的过程中 不可避免会受到干扰而出现信号失真。通常需要采用差错控制编码来检测和纠正 由信道引起的信息传输错误；由于差错控制主要用于信道纠错，因此又称为纠错 码或信道编码。最早的差错控制码主要是用在深空通信和卫星通信，随着数字蜂 窝电话，数字电视以及高密度数字存储设备的出现，纠错码技术应用范围也越来 越广，深入到人们生活的方方面面。 回顾历史，正是香农1 9 4 8 那篇具有划时代意义的论文“通信的数学理论 1 1 首次阐明了有扰信道中实现可靠通信的方法，提出了著名的有扰信道编码理论。 该文指出，任意通信信道都有一个参数c ，称之为信道容量，如果通信系统所要求 的传输速率r 小于c ，则存在一种编码方法，当码长，z 充分长时，系统的错误概 率可以达到任意小。 这就是著名的信道编码定理，信道编码定理给出了信道编码研究的指导性原 则，是s h a n n o n 信息论的一大贡献。并且，香农给出了如下的通信系统模块话框 图： 图1 1 数字通信系统的模型 图1 1 中给出了通用数字通信系统的组成框图和信息流的传输过程，下面对 其中的模块做一简单介绍。 2 t u r b o t c m 与c p m 级联系统联合检测译码算法研究 在数字通信系统中，发送端的任务是将信源生成的信息转换为能够抵抗信道 噪声和失真以及有利于在传输媒质上进行传输的形式，它包括信源和信源编码器。 其中信源用于生成将要发送的信息，可以是模拟信号，也可以是数字信号。如果 信源是模拟信号，则在进入数字系统传输前需要进行采样和量化等数字信号处理； 如果是数字信号，则可以是比特、码字符号等。 由于信源中包含冗余，为了提高传输带宽的利用率和信息传输率，在信息传 输之前先利用信源编码器来消除这些冗余，可以利用最少的码元来代表要传输的 信息。如果信源编码器的输出比特速率为，b i t s s ，则称信息速率为，b i t s s ，简称 数据率。通常可以将信源和信源编码器看成等效的离散信源。 考虑到信息在信道中传输时会受到噪声和衰落的不良影响，必然会产生失真 和信号传输错误。因此需要信道编码器来进行差错控制编码。信道编码器的作用 是在信息序列中嵌入冗余码元，提高纠错能力。与原始信息序列中的冗余码元不 同，经过信道编码添加的冗余码元的作用是减小传输中发生的信号和码元错误， 提高系统的可靠性。信道编码是发送机和接收机之间实现可靠通信的手段之一。 信道编码的主要思想是将k 个连续码元，经过适当的数学运算( 编码) 后得到n 个码元的输出，这n 码元组成的信息序列成为码字。 定义 灭：鱼(1-1) ，z 为编码速率，从而信道编码器的输出码元速率为： r e - 云卫k ( 1 - 2 ) 差错控制编码的基本目标是在有限的信号功率、系统带宽和硬件复杂性要求 下使通信的可靠性最大。 基于上述基本思想，从上世纪5 0 年代开始，纠错码迅速发展起来。 5 0 年代，首先被提出的是分组码，最优分组码的误码率随着码长的增加呈 指数关系下降【3 3 1 ，为了达到一定的纠错能力和编码效率，分组码的码长一般都比 较大，若采用最大似然译码，其译码复杂度随着码长的增加呈指数级增加【3 3 】，从 而使译码得复杂度增大，难于实现，编码译码时的信息码组的存储也是个大的问 题。 1 9 5 5 年，e l i a s 提出了卷积码的概念 2 1 ，在卷积码的编码过程中，充分利用了 各组之间的相关性，在与分组码同样的码率r 和设备复杂度条件下，无论从理论 还是从实际上均以证明卷积码的性能至少不比分组码差，且实现最佳和准最佳译 码也比分组码容易。卷积码有三种较好的译码方法：( 1 ) 1 9 6 3 年由m a s s e y 提出的 门限译码，这是一种利用码的代数结构的代数译码方法，类似于分组码中的代数 第一章绪论 逻辑译码；( 2 ) 1 9 6 1 年由w o z e n c r a f l 提出，1 9 6 3 年由f a n o 改进的序列译码，这是 一种基于码树图结构上的一种准最佳的概率译码；( 3 ) 1 9 6 7 年由v i t e r b i 提出的 v i t e r b i 算法i 引，这是基于码的网格图( t r e l l i s ) 基础上的一种最大似然译码算法，是 一种最佳的概率译码算法。 1 9 6 0 年b o s e 和r a y - c h a u d h u r i 研究组在1 9 6 0 年同时提出的b c h 码( b o s e c h a n d h u r ih o c q u e n g h e r a ) ，b c h 码的码字长度为n = q 胛一1 ，其中m 为一个整数。 r e e d 和s o l o m o n 将b c h 码推广的非二元( q 2 ) ，提出了r s ( r e e d s o l o m o n ) 码。 r s 码的最大优点是可以纠正突发错误，在存储信道中应用很多。 19 6 2 年，g a l l a g e r l 4 j 提出了l d p c ( l o wd e n s i t y p a r i t yc h e c kc o d e s ) 码，并对 其编译码算法进行了初步分析。然而在接下来的3 0 年来由于计算能力的不足， 它一直被人们忽视。1 9 9 6 年，dm a c k a y 、mn e a l 【5 】等人对它重新进行了研究，发 现l d p c 码具有逼近香农限的优异性能。并且具有译码复杂度低、可并行译码以 及译码错误的可检测性等特点，从而成为纠错码理论新的研究热点。 1 9 6 6 年， f o m e y l 4 4 j 提出了利用两个确定的短码构造长的串行级联码的方案 f o m e y 的研究表明当码率低于信道容量时串行级联码的译码错误概率随着码长呈 指数减少，而译码复杂度只是以代数形式增加。 1 9 7 4 年，由b a h l 等人【6 】提出，具有最小符号错误概率的b c j r 算法，这是事 实上的第一种m a p 算法，b c j r 算法的出现为后来以迭代译码为主要译码手段的 各种级联码的出现，做好了充分的铺垫。 1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k t7 j 提出了t c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 编码调制方案。 t c m 系统使用冗余多进制调制与一个有限状态的网格编码器相结合，由编码器控 制选择调制信号，以产生编码符号序列。在接收端，对带有噪声的信号用维特比 软判决译码解调。t c m 的主要优势在于虽然引入了冗余但并不降低信息传输速率， 是一种高谱效率传输技术。t c m 是第一种成熟的将信道编码和调制结合在一起的 方案。 1 9 9 3 年，c b e r r o u ，a g l a v i e u x 和p t h i t i m a j s h i w a t 2 7 】首先提出一种称之为 t u r b o 码的编、译码方案。它由两个递归循环卷积码( r s c ) 通过交织器以并行级联 的方式结合而成，这种方案采用反馈迭代译码方式，真正发掘了级联码的潜力， 并以其类似于随机的编译码方式，突破了最小距离的短码设计思想，使它更加逼 近了理想的随机码的性能。仿真结果表明，该编码方式有着极强的纠错能力，是 目前所知的最为高效的编码方式之一。 1 9 9 6 年，dm a c k a y 、mn e a l 5 】等人对l d p c 重新进行了研究，发现l d p c 码 具有逼近香农限的优异性能。并且具有译码复杂度低、可并行译码以及译码错误 的可检测性等特点，从而成为了信道编码理论新的研究热点。m c k a y ，l u b y 提出 4 t u r b o t c m 与c p m 级联系统联合检测译码算法研究 的非正则l d p c 码将l d p c 码的概念推广。非正则l d p c 码的性能不仅优于正则 l d p c 码，甚至还优于t u r b o 码的性能，是目前己知的最接近香农限的码。 随着空时码( s t c ) ，网络编码( n e t w o r kc o d i n g ) 等方案的提出，标志着编 码的思想已经外延至通信系统的各个方面，并发挥着越来越重要的作用。正如同 r e b l a h u t 曾指出的“t ob u i l dac o m m u n i c a t i o nc h a n n e la sg o o da sw ec a ni sa w a s t eo fm o n e y u s ec o d i n gi n s t e a d ! 1 2编码调制技术的发展 描述信道编码方案特征的两个主要参数：信噪k l ( s n r 单位d b ) 和谱效率( 刁单 位比特每秒每赫兹) 。信噪比是平均信号功率和平均噪声功率的比值，是一个无量纲 值。编码的谱效率用带宽为形赫兹的高斯信道上的r 比特每秒的传输速率来表示： 7 7 ：i r b s h z ( 1 - 3 ) i - i7 72 万 z 典型的高斯信道编码方案将比特速率为rb s 的序列映射成符号速率为2 曰每秒的 实序列，此离散时间码率是，= r 2 b 比特每符号。然后这个实序列通过p a m 或 q a m 调制后在带宽为形的高斯信道上传输。由奈奎斯特理论，香农带宽曰不能超 过实际带宽矾如果b w ，则谱效率r l = r w r b = 2 r ，因此我们说离散时间 编码方案的归一化谱效率( n o m i n a ls p e c t r a le f f i c i e n c y ) 为2 乃每两个符号的离散时 间比特率。连续时间方案的谱效率为r = r w ，它的上界就是归一化谱效率2 当曰专时，谱效率就接近极限值2 ，。香农公式表示高斯信道下信噪比( s n r ) 、 带宽w h z 和可靠传输速率之间的关系是： r l ，s n r 。的下界为l ( 0 d b ) ，与参数7 7 无关。 此外，s n r 。咖度量了与容量限的差距，1 0 l o g ，。s n r 。咖就是真实信噪比与给定谱 效率时信噪比香农限2 , 1 1 的分贝差。如果要求的谱效率小于l b s h z ( 称为功率受 限域) ，用高斯信道的二进制码离信噪比的香农限距离可以小于0 2 d b 。由于二进 制编码方案的离散时间码率的上界是，_ 1 比特每符号，所以二进制编码方案的谱效 率受限于r 2 r 2 b s h z ，如果要求的谱效率大于2 b s h z ( 称为带宽受限域) ，必须 采用多电平编码方案。在实际中，功率受限域和带宽受限域的编码方案须分别考 虑。 归一化信噪比参数与传统的用于功率受限域的e 0 之间的关系定义为： 毛0 = s n r r = ( 2 叩一1 ) s n r 一r ( 1 - 8 ) 对于给定的谱效率7 7 ，磊o 的下界是毛n o ( 2 野- 1 ) r 。我们说毛o 的香农限 是7 7 的函数( 2 , 1 1 ) r ，函数随着7 7 的值单调递减，当r 一0 时接近l n 2 ，所以我们 说e 0 的最终香农限是i n 2 ( - 1 5 9 d b ) 。由式可知，7 专0 时 瓦o s n r 。洲l n 2 ( 1 - 9 ) 所以在严格的功率受限域中邑o 和s n r 。一是等价的参数。因此在功率受限 区域，我们用传统的参数e 0 ，然而，在带宽受限域，我们用具有更多信息量 的s n r 。一。 正如我们在上节所述，纠错码获得了较低的误码率，提高了信道的可靠性。 但是这是以牺牲带宽( 增加符号冗余) 为代价，因此当编码性能越来越好的同时， 带宽的有效性就成为我们关注的另外一个焦点。编码调制( c o d e dm o d u l a t i o n ) 目 标正是在保证可靠性的前提下，提高谱效率。但是在信道编码器后面直接级联一 个m 元的调制器，并不能得到满意的结果。究其原因，通常用汉明距离描述分组 码或卷积码的抗干扰性能，但是当调制与编码作为一整体考虑时，汉明意义上有 最大自由距离( d ) 的最佳卷积码，不一定产生欧式距离意义上的最佳卷积码。也就 是说最大d 的卷积码，当它与调制结合后，不一定有最大欧式距离。因此，针对不 同的调制方式和映射规则寻找具有最大最小自由欧式距离( 上1 ) 的卷积码，是编码 和调制相结合中一个最关键的问题。目前常用的编码调制方案有t c m ，c p m 以及 p r s 等。 首先，我们回顾一下t c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 的思想起源。正如 u n g e r b o e c k 指出的【7 1 ，对于一个数字通信系统来说，性能的损失来自于两个方面： 1 ) 解调检测所做的硬判决。硬判决输出使得解调后续的译码器( 参见图1 1 ) 无法对其判决结果进行“纠错”。 2 ) 在经过信道编码后，当编码器输出码字到发送符号的映射规则采用格雷映射 6 t u r b o t c m 与c p m 级联系统联合检测译码算法研究 ( g r a ym a p p i n g ) 时，只有在二进制或者q p s k 的情况下具有最佳映射，即 可以保证汉明距离较大的码字之间，其对应的相应的符号的欧氏距离也较 大，也就是说欧氏距离是汉明距离的单增函数，当采用8 p s k 等高阶调制时， 这一点就无法保证了。 第一个问题的解决有赖于软输出判决算法的提出，而第二个问题，正是网格 编码致力解决的问题。在传统的数字传输系统中，编译码器和调制器是两个主要 组成部分，它们各自独立进行设计。信道编码需要增加冗余度，相应地会降低信 息传输速率。在功率受限信道中，功率利用率可以利用频带利用率来换取，在频 带受限信道中，则可以通过加大调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余度，避 免信息传输因为纠错编码而降低。如果调制和编码仍按传统的相互独立的方法进 行设计，则不能得到满意的结果。以无编码q p s k 调制和码率为2 3 的卷积码级联 8 p s k 这两个方案为例，在信息速率和信噪比相同时，硬判决编码8 p s k 的系统误 码率远远大于无编码q p s k 系统。要使其误码率达蓟1 0 一，在发送端需要约束长 度为6 ，最小距离为7 的2 3 卷积码，相应地v i t e r b i 译码器的状态数为6 4 ，复杂 度相当高。出现这样的问题是由于接收端采用硬判决，使信息产生了不可逆的损 失。采用软判决v i t e r b i 可以部分解决该问题。 因为通常错误发生在两个欧氏距离最小的符号之间，定义 d 加= 哩p d 2 ( s 。，j 。) 】 ( 1 1 0 ) 。n 。月 以 为任意两个符号序列之间的平方自由距离。好的编码调制系统使得d 扭最大化，从 而保证接收端具有最小的差错概率。 1 9 7 4 年m a s s e y 根据s h a n n o n 信息论证明了将编码和调制作为一个整体设计， 可大大改善系统性能。1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出了网格编码调制( t c m ) 的设计方 法。他利用码率为m ( m + l 、) 的卷积码，然后将编码器输出的码字根据一定的映射 规则映射到2 卅+ 1 个星座点中的一个上，在接收端，经解调后反映射到码字，并进入 v i t e r b i 译码器进行软输出译码。经理论分析和仿真，相对于q p s k ，在相同的带宽 和信息速率下可获得3 - 6 d b 的功率增益。由于调制信号和卷积码都可以看作网格 码，因此这种方法被称为网格编码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 。 t c m 提出后马上得到了广泛的重视与研究。一般从理论上来说，3 d b 以内的 编码增益可以通过增加t c m 的状态数来得到，但是当状态数增加到一定程度后， 编码增益变化并不是很明显，而且随着状态数的增加，复杂度成指数增长。于是 f o m e y 等人提出了带限信道上的多维t c m 技术【2 2 1 ，将分组码与调制结合的 b c m 2 3 1 。t c m 和b c m 的主要优点是在提高系统功率效率的同时不会带来带宽的扩 展。随着现代通信的发展，一方面高数据率要求系统具有高的编码增益。t c m 技 第一章绪论 7 术为这些问题的解决提供了一条路径。此后，带限信道上的编码调制技术无论在 理论研究还是在工程实践两方面都得到了迅速发展，取得了许多令人瞩目的成果。 目前对于线性a w g n 信道，系统传输效率已经接近于s h a n n o n 信道容量。 随着t c m 技术的发展，许多学者也开始从另外一个角度考虑如何降低t c m 译码的复杂度，即采用状态数较小的编码器。在标准的t c m 结构中，较少的状态 数会产生并行路径。性能较差。然而t u r b o 类的t c m 方案结合了t u r b o 码和t c m 的优点，通过并行级联。即使分量t c m 状态数较少，也可以达到好的性能【24 | 。该 方案( c t - t c m ) 中编码器的状态数为2 ，这样就大大降低了译码复杂度。同时仿 真结果表明，c t - t c m 可以达到或接近t u r b o 类t c m 的性能。 c p m ( c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ) 是另外一种编码调制方案，实际上它是 编码调制一词的起源【l o 】，最早的c p m 方案要上溯至上世纪六十年代出现的m s k 调制【1 1 1 。m s k 以及后续的f s k 调制在发送码元之间引入了记忆，使得符号之间具 有依赖关系。这可以看作是一种粗糙的编码调制。1 9 7 1 1 9 7 6 ，s c h o n h o f f 与p e l c h a t ， o s b o m e 等人发表了一系列论文【1 2 】【1 3 11 1 4 1 。将m s k 连续相位、恒包络的概念推广到 不同的调制指数上。并且初步探讨了c p m 的解调方法与性能。 1 9 7 5 1 9 7 8m i y a k a w a t l 5 】，a n d e r s o n 与b u d a t l 6 1 ，a n d e r s o n 与t a y l o r t r 丌。正式提 出了c p m 的编码理论，。通过在编码其中引入的记忆长度l 化1 ) ，截断速率 ( c u t o f f r a t e s ) ，自由距离( f r e ed i s t a n c e ) ，网格图表示( t r e l l i sr e p r e s e n t a t i o n ) 。 初步建立起了完整的连续相位调制的理论基础。 1 9 7 9 1 9 8 1 ，t a u l i n 和s u n d b e r g 的几篇论文【1 8 】1 9 】2 0 】标志着c p m 理论发展成熟， 并且也是在这时候，连续相位调制( c o n t i n u o u s p h a s em o d u l a t i o n ) 一词正式出现。 调制符号相位的连续性十分关键，如果相位不连续，那么带宽将不可接受。实际 上，没有了相位连续性，也就无法做到能量和带宽的有效结厶【1 0 1 。 在相同的性能下( 误码率) ，c p m 对带宽和能量的要求都比较适中。在误码率 为1 0 - 5 时，带宽为0 5 1 5 h z s b i t ，信噪比e 0 在4 - - 1 2 d b ，具体的性能取决 于调制参数和方案的复杂度。一般来说，这比普通的调制方式带宽要窄很多。 c p m 的出现，使我们在面对带宽和能量的折中时，有了更为灵活的选择。同 时，由于c p m 本身所具有的编码特性，使其成为级联编码调制系统中，调制方式 的主要备选方案。这也正是本文主要研究的内容。 1 3研究背景及课题来源 正是因为有上述突出优点，连续相位调制在卫星通信，战术电台等通讯系统中 得到了广泛的应用。针对连续相位调制系统，目前国内外研究热点主要集中在以 下两个方面： t u r b o t c m 与c p m 级联系统联合检测译码算法研究 第一是为了进一步提高连续相位调制的差错性能：这一方面近年来国内外提 出了两种改进方式： 1 )集分割( s e tp a r t i t i o n ) 思想的t c c p m ；这种方法利用c p m 可以分解 为连续相位编码器( c p e ) 和无机一样映射器的特点“7 1 ，利用集分割 的思想，对c p m 调制器的发送波形做划分，通过设计c p e 的具体形 式，使得发送波形在保持相位连续的同时最大化欧氏距离d 。一相对 于原始的调制方法，可以获得较大的性能增益 5 1 。 2 ) 级联方案( c o n c a t e n a t e ds c h e m e ) ；该方案将c p m 作为串行级联中的 内码看待，外码选用l d p c i 4 3 t c m 4 8 4 9 5 0 等码字，接收端通过 迭代检测译码来提高性能。 第二是接近相干检测性能为目的的非相干检测算法研究3 7 m 8 1 柏m 1 ； 上述改进方案都取得了相当大的增益，但也有其固有的缺点，t c c p m 集分割 方法目前应用在c p f s k ( c o n t i n u o u s p h a s e f r e q u e n c y s h i f t k e y i n g ) 中，考虑到部 分相应系统发射相位与相关状态有关，该方案的适用范围比较窄，实际应用的例 子很少。而级联方案应用了串行级联迭代译码的优势，但是忽略了星座集分割带 来的性能增益。并且对于c p m 的检测，则主要集中在相干检测研究上。 本文在借鉴现有成果的基础上，提出了非相干检测t t c m + c p m 的调制编码 方案，该方案在发送端对连续相位输入信号做集分割，获得编码调制增益；同时 在接收端采用联合检测译码算法，通过联合迭代译码提高了非相干检测的性能。 1 4主要研究工作和内容安排 本文研究内容侧重于高谱效率调制。主要设计研究了以t t c m c p m 为代表的 级联编码调制系统的联合非相干检测性能。全文共分为五章。第二章主要研究了 t t c m 的方案设计。分析了t c m 的设计原则，迭代译码方法。并分析了t u r b o 类 码字的构造。在此基础上。设计了8 状态和1 6 状态的t u r b o t c m ，仿真了译码算 法的性能。第三章，主要研究c p m 调制的性能。考察了调制阶数，记忆长度，调 制指数对c p m 性能的影响。重点分析了c p m 相干和非相干解调算法，并给出了 高阶c p m 相干和非相干解调性能的对比分析。第四章考察编码调制级联方案的设 计，在前两章的基础上，设计了t t c m c p m 编码调制级联系统，提出了联合解调、 译码方案的设计和实现方法，最后给出了性能仿真，并从复杂度，谱效率等方面 比较了该方案与非级联系统的优势。 第二章网格编码调制机并行级联设计 9 第二章网格编码调制及其并行级联设计 本章首先介绍了网格编码( t c m ) 的设计原则，译码算法。并考察了根据 此原则设计的8 状态t c m 不同译码算法下的性能。然后，介绍了并行级联( t u r b o ) 方案主要思想，分析了p x b c j r 算法为代表的迭代译码算法。最后，分别以8 状态 和1 6 状态t c m 为分量码，构造了两种t u r b o t c m ，并对其性能进行了比较分析。 2 1 网格编码调制( t c m ) 技术 2 1 1 网格编码调制基本原理 正如在第一章所述，在常规的编码加调制的系统中，由于冗余比特使信号点 之间的距离减小而导致错误率的增加。t c m 将编码与调制作为一个整体考虑，使 用欧式距离作为编码和调制的统一度量， 其编码冗余是通过扩展信号集来实现的， 引入可控的编码冗余以降低误码率，但是 从而避免了带宽的扩展和频带利用率的 降低。它能在不降低频带利用率的前提下，提高系统的功率利用率。在相同的带 宽、相同的信息传输速率下，可获得3 一6 d b 的编码增益。 在信道编码理论中，通常用汉明距离描述分组码或卷积码的抗干扰性能，但 是当调制与编码作为一个整体考虑时，汉明意义上有最大汉明距离( d ) 的最佳卷积 码，不一定产生欧式距离意义上的最佳卷积码。也就是说最大d 的卷积码，当它与 调制结合后，不一定有最大欧式距离。因此，针对不同的调制方式和映射规则寻 找具有最大化最小欧式自由距离( d ，一) 的卷积码，是编码和调制相结合中一个最关 键的问题。在t c m 系统中，提高增益的关键是注重编码调制输出序列的欧式距离， 而不是常用的汉明距离。 m a p p i n gf u n c t i o n x = f ( c ) 图2 1t c m 的编码框图 图2 1 是一个通用t c m 编码器结构框图，聊个信息比特进入编码器，其中有k 1 0 t u r b o t c m 与c p m 级联系统联合检测译码算法研究 个进入有限状态机( f s m ) 中，生成子k + r 比特( 编码比特) 的子集标签( s u b s e tl a b e l ) ， 通过该标签( l a b e l ) 来选择星座点子集( c o n s t e l l a t i o ns u b s e t ) ，同时结合m k 个信 息比特，在选定的星座点子集中，选取某个星座点，完成编码比特到星座点的映 射( m a p p i n gf u n c t i o n ) 。通常有限状态机( f s m ) 的选择是递归系统卷积码( r s c ) 。 有限状态( f s m ) 的输出决定了子集划分的个数，而m k 个未编码比特则决 定了最小子集的规模。子集的选择和星座点的选择一起构成了星座点映射规则， 所以说设计t c m 系统的三个重要概念是 7 】：信号星座图的扩展，调制信号点的集 分割和调制信号点集空间的映射规则。u n g e r b o e c k 指出根据各种调制信号星座的 信道容量公式可知，信号星座图只需扩展一倍就能达到几乎所有的增益。所以 t c m 使用的卷积码一般码率都为m l ( m + 1 ) 。 2 1 1 1t c m 的网格图表示 下面我们以基于8 p s k 星座划分的8 状态t c m 方案为例，来说明t c m 的网 格图表示( t r e l l i sr e p r e s e n t a t i o n ) 。 “ ， o l l t ，一1“一产1 a g f l o o i ? 0 0 0 0 ) 一兀习jl r 了ll n 习一 1 于 0 0 6 ) ! ，l l i j n 兰厂v 一匕一口一匕j 1o j f i n i t e s t a t em a c h i n e m a p p i n gf u n c t i o nt 图2 2 基于8 p s k 的8 状态f s m 映射 在本方案中【8 】【9 1 ，f s m 是一个码率为r = 2 3 的递归卷积编码器，第，时刻输入 比特向量为“，= ( m ：”，“，经过编码器后生成3 比特的码字，其中的编码比特v ： 选择信号子集，未编码“，= ( “：，“：1 ) 比特则选择子集中的星座点。利用寄存器的 状态，卷积编码器的输入输出、输出，我们可以得到t c m 的状态转移图如下； 图2 3 所示编码器的状态转移图 考虑到该状态转移是非时变的，将其在时间上展开便会得到该编码器的网格图 第二章网格编码调制机并行级联设计 1 1 ( t r e l l i sd i a g r a m ) ，网格图是以状态( s t a t e ) 和时间为变量的二维示意图。不失一 般性，我们假设编码器的初始状态、终止状态都为0 0 0 ，以状态过渡时编码器的输 出为分支标签( b r a n c hl a b e l ) 。我们便可已得到上述编码器的网格图如下： 图2 4 编码器的网格图( 状态和输出都是十进制表示) 2 1 1 2 星座的集分割 单从上述的网格图来看，我们并没有看出t c m 是如何获得性能提升的，初步 的分析得出的结论似乎与一般的卷积编码级联8 p s k 的方案没有什么不同。事实 上，t c m 获得性能增益的核心是星座的集分害_ w j t n t 8 【9 1 ( s e tp a r t i t i o n ) 。所谓集分割， 就是将信号集划分为包含信号点数相同的较小子集，并使分割得到的子集内的信 号点之间的最小欧式距离得到最大限度的增加。每次分割都是将一个较大的信号 集分割成较小的两个子集的过程，每经过一次分割，子集内的信号点之间的距离 也相应的增加。其中子集中信号点之间的距离可以用4 ( i = 1 ，2 ，) 表示。分割持续 进行k + 1 次，直到畋+ 。等于或大于t c m 方案设计所需的自由距离。这时t c m 码 的自由距离就为d 触= m i n ( d k + ，d 触( 七) ) ，其中d 触 ) 表示t c m 网格图中非平行 转移之间的最小距离。上述的编码器正是一个对8 p s k 进行一次分割( 分割为两个 q p s k 星座点) 的t c m ： ：8 p s k 士：a o 而 。! i 少，、上：7 l 4 e , 、j ，。、。 矗( c ：i i ) 。 。 。 一a ，- 压矗( c ：i i ) 。 声+ a i “ f j 。0 7 、l o ， 、1 。 ，、 。 、