（通信与信息系统专业论文）符号交织sccpm系统研究.pdf

摘要 符号交织串行级联连续相位调带i j ( s c c p m ：s e r i a l l yc o n c a t e n a t e dc o n t i n u o u s p h a s em o d u l a t i o n ) 系统不仅具有很高的频谱利用率和功率利用率，而且具有类似于 t u r b o 码卓越的误码性能。符号交织s c c p m 系统进行软输入软输出的迭代译码可 以获得很高的交织增益，适合于快衰落和极低的信噪比环境。 本文在基于比特交织s c c p m 系统上研究了二进制和多进制符号交织s c c p m 系统的性能。首先介绍了c p m 的特点，推导出c p m 的分解模型，然后在此基础 上提出了符号交织s c c p m 的系统模型，进而通过计算机仿真得n - 进制s c c p m 的系统性能；最后从系统的设计参数，卷积码的状态数，系统的交织长度，迭代 次数，基带成形脉冲、基带脉冲记忆长度、调制进制数等深入研究了多进制符号 交织s c c p m 的系统性能，并研究了相应的多进制比特交织s c c p m 系统性能，从 交织增益和错误事件出发分析比特交织s c c p m 系统和符号交织s c c p m 系统性能 差异，仿真结果证明符号交织s c c p m 系统具有更早的收敛性和更高的错误平层。 关键词：符号交织s c c p m比特交织s c c p m软输入软输出错误事件 交织增益 a b s t r a c t w i 也h i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y ，p o w e re f f i c i e n c ya n ds o m et u r b o 1 i k ec o d i n g p e r f o r m a n c e ，s y m b o li n t e r l e a v e ds e r i a l l yc o n c a t e n a t e dc o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o ns y s t e m s d r a wm o r ea t t e n t i o n s c c p mw i n li t e r a t i v ed e c o d i n gb a s e do ns o f ti n p u ts o t to u t p u t ( s i s o ) s h o w sal a r g ei n t e r l e a v i n gg a i n ，w h i c hi ss u i t a b l et oh i g h l yd y n a m i ca n df a d i n g e n v f f o n m e n t 1 1 1 ep a p e rs t u d i e st h eb i n a r ya n dm a r ys y m b o li n t e r l e a v e ds e r i a l l yc o n c a t e n a t e d c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ( s c c p m ) ；t h i si sb a s e do nb i ti n t e r l e a v e ds c c p m s y s t e m i tb e g i n s 谢t ht h eb r i e fi n t r o d u c t i o n o nt h ec p ms i g n a l i n e h d i n ga d e c o m p o s i t i o na p p r o a c ht oc p m t h e ni tp r e s e n t st h es y s t e mm o d e lo fs y m b o l i n t e r l e a v e ds c c p m f u r t h e r m o r ei tg i v e si t sb i n a r yp e r f o r m a n c et h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n f i n a l l y , e m p h a s i si sp u to nt h em - a r ys y m b o li n t e r l e a v e ds c c p ma n di t s c o u n t e r p a r tb i ti n t e r l e a v e ds c c p m ，i n e h d i n gt h es t a t e so ft h ee o n v o l u t i o n a lc o d e s ， i n t e r l e a v e rl e n g t h ，i t e r a t i v en u m b e r , t h es h a p eo fb a s e b a n dp u l s ea n dt h em o d u l a t i o n i n d e x i ts h o w sm e i rp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n , a sw e l la st h ec o u n t e r p a r tm - a r yb i t i n t e r l e a v e ds e r i a l l yc o n c a t e n a t e dc o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ( s c c p m ) i ta n a l y s e s t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns y m b o la n db i ti n t e r l e a v e ra c x , o r d i n gt oi n t e r l e a v e rg a i na n d a 撇e v e n t s s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h a ts y m b o li n t e r l e a v e ds c c p mh a se a r l i e r c o n v e r g e n c ep r o p e r t ya n df a s t e re r l o rf l o o rt h a nt h eb i ti n t e r l e a v e ds c c p m k e y w o r d ：s o f ti n p u ts o f to u t p u t e r r o re v e n ti n t e r l e a v e rg a i n s y m b o li n t e r l e a v e ds c c p m b i ti n t e r l e a v e ds c c p m 创新性声明 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，本人承担一切相关责任。 ，- - 本人签名： 鱼壹日期丝1 2 ：! ：! 兰 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 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。 导师签名 日期趟：圭：! 三 日期垒日。! ! 匕 第一章绪论 第一章绪论 在过去几十年，数字通信经历了巨大的发展。这主要是由于高速语音和数据 服务的需求不断增加。数字信号在信道传输时，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地会受到干扰而出 现信号失真。通常需要采用差错控制码来检测和纠正由信道失真引起的信息传输 错误。由于差错控制码主要用于实现信道纠错，因此又称为纠错码或信道码。最 早的差错控制码主要是用于深空通信和卫星通信，随着数字蜂窝电话、数字电视 以及高分辨率数字存储设备的出现，编码技术的应用已经不仅仅局限于科研和军 事领域，而是逐渐在各种实现信息交流和存储的设备中得到成功应用。 在这一章首先简要介绍了数字通信中的信道编码理论和调制技术，介绍了恒 包络调制技术的特点；在此基础上描述了串行级联码( s c c ) 和串行级联卷积编码 ( s c c c ) 的系统模型，然后给出了常见的比特交织s c c p m 系统模型；最后，总结 了作者在攻读硕士学位期间所做的主要工作并给出了本文内容安排。 1 1 立题背景 一般地，通信系统的可靠性用在给定信噪比( s n r ：s i g n a lt on o i s er a t i o ) 条件下 系统的错误比特率( b e r ：b i te r r o rr a t e ) 来衡量。有效性用传输速率r ( b i t s ) 衡量。 早期的人们普遍认为：通信系统的可靠性与有效性是一对不可调和的矛盾，在有 扰通信信道上实现任意小错误概率的信息传输的唯一途径就是把传输速率降低至 零。 s h a n n o n 信息和编码理论的奠基性论文“通信的数学理论刀于1 9 4 8 年发表之 后，改变了这一观念【l 】。他首次阐明了在有扰信道中实现可靠通信的方法，指出实 现有效而可靠地传输信息的途径是编码。 根据s h a n n o n 的信息理论，数字通信系统的基本组成如图1 1 所示。 信源卜叫信源编码h 信道编码h 数字调制 信宿h 信源译码h 信道译码h 数字解调 图1 1 数字通信系统的模型 篷h 磊 信息理论从通信系统的整体最佳化来研究信息的传输和处理。比特是一种通 用的信息表示形式，它本身并不依赖于信源或信道特征。这就允许我们分别设计 2符号交织s c c p m 系统研究 图1 1 所示的两个阶段的信息处理：信源编码和信道编码。s h a n n o n 不失最佳性地 证明了这种分离性。 信源编码是将信源输出的离散或模拟消息有效地转化为二进制比特序列的过 程，也称为数据压缩。任意给定的信源都有一个称为熵( e n t r o p y ) 的量，它表征了信 源的平均不确定性，正好是数据压缩的下限。信源编码定理指明，在给定的保真 度准则下，存在最小数量的比特来表示独立同分布信源输出。 信道编码则以特定的控制手段，引入适量冗余比特，克服信息传输中受到的 噪声和干扰影响。任意给定的信道都有一个固有的量，称之为信道容量，正好是 信息传输速率的上确界。它表示信道传送信息的最大能力，信道编码研究的中心 问题之一就是在给定的性能指标下构造一个速率达到信道容量的码。即信道编码 定理及其逆定理是信道编码理论中两个最重要的定理。 信道编码定理：任意给定信道容量c ，对于任意小于c 的码率r ，存在一对编、 译码器，使译码错误概率尸随着编码长度的增加而变得任意小。 信道编码定理是存在性定理，它证明了在有扰信道中，只要传输速率小于信 道容量，就有可能通过信道编码的方法实现任意可靠的信息传输。信道编码逆定 理则指出如果信源的信息速率大于信道容量，不论采用何种编译码方法都不可能 使平均译码错误概率为零。 自从香农提出信道编码定理以来，由于信道编码定理证明的非构造性，它并 没有给出如何构造逼近香农容量限的编码方法，构造一个逼近香农容量限的纠错 码成了众多学者争相研究的课题，并逐渐形成了信息论的一个重要分支信道 编码理论。香农在信道编码定理的证明中引用了三个基本条件： ( 1 ) 编码采用了随机编码思想； ( 2 ) 让码长趋于无穷； ( 3 ) 译码采用最大似然译码。 ( 1 ) 、( 2 ) 使得码本身具有卓越的纠错性能，而( 3 ) 中的最大似然译码使得码的纠 错性能得以充分发挥【2 】。但是，采用随机编码，使码长趋于无穷大并且采用最大似 然译码将会使系统的复杂度和延时变得太大，因而无法在实际中使用。 正如m a c k a y 文章中指出的，纠错码从性能上可分为好码和坏码，其中好码 又分为当误码率为任意小时，码率逼近容量限的非常好码和码率可达到的最大值 小于容量限的一般好码；所谓坏码指的是只有将码率降为0 ，才可使误码率为任意 小的编码方式；而只有编译码时间为码长多项式的码字才是可实用的【3 】。在香农定 理提出的五十多年里，寻找实际可译的非常好码，一直是信道编码理论研究的关 键问题。 1 9 6 6 年，f o r n e y 将分组码和卷积码结合起来，提出级联码( c o n c a t e n a t e dc o d e s ) 【4 】。级联码以顺序方式进行编码和译码。一个短长度信道编码的译码错误概率可能 第一章绪论 3 比较高，但是它不仅能改变错误分布，而且能有效增加信号的接收信噪b l ( s n r ) ， 它事实上提供了一个信道容量较大的等效信道。在此基础上再进行一级编码，则 期望能实现有效而可靠的通信。外码一般采用r s 码，内码采用卷积码，内外编码 器之间可以增加一个块交织器( b l o c ki n t e r l e a v e r ) ，以置乱内码可能产生的突发错误 图样。f o m e y 的分析表明，级联码能够获得较大性能改善，而译码复杂度并不显 著增加。在该方案中，信息序列经由多于一个编码器编码。信息序列首先由称为 外码的编码器编码，外码的输出码字送到称之为内码的编码器中再次编码，这样， 外码编码器和内码编码器可以看成是一个统一的编码器。在接收端，采用分级译 码，首先经过内码译码器译码，最后由外码译码器译码。f o r n e y 的串行级联码近 似实现了s h a n n o n 定理中的第二个条件。可惜的是，f o m e y 提出的级联系统中的 外码和内码之间没有引入交织器，没能实现定理中的随机编码条件，距s h a n n o n 的三条定律只差一步之遥。 1 9 9 3 年，c b e r r o u ，a g l a v i e u xa n dp t b i t i m a j s h i m a 提出令人震惊的t u r b o 码， 他们构造的并行级联卷积码( p c c c ) ，在约束长度为5 、码长为6 5 5 3 6 和1 8 次迭代 译码情况下，当错误比特概率为1 0 - 5 ，并行级联码的性能距离s h a n n o n 信道容量只 有0 7 d b ，t u r b o 码的性能超过了截止速率的理论极限，这使将截止速率作为信道 容量的观点成为历史，是编码理论上重要的里程碑【5 】。此后，学者们研究了各种类 似于t u r b o 码的级联系统。t u r b o 码和f o m e y 的级联码的主要区别在于以下几点： 1 ) 译码方式。在t u r b o 码中采用了迭代译码：两个软输入软输出( s i s o ：s o ri n s o f to u t ) 译码器独立计算对应分量译码器的外信息，然后通过交织器互相交换外信 息。 2 ) t u r b o 码编码器中引入了交织器，随机编码和长码编码都得以实现，而 f o m e y 的级联码只是实现了近似长码编码，没有随机的特点。 最终能够逼近s h a n n o n 容量限的t u r b o 码引入了随机编码的思想：t u r b o 码的 交织器体现出了随机特性；并且它的码长都较长，译码采用了接近最大后验概率 译码( 当输入等概时，最大后验概率译码等价于最大似然译码) 的迭代译码算法。 换句话说，s h a n n o n 在证明信道编码定理的三种技术在最终逼近容量限的t u r b o 码 中都有所体现。 但是这些技术都只是仅限于编码部分，只是考虑了功率有效性。功率有效性 的提高是以引入冗余信息为代价的。冗余信息的引入实际上就是降低了用户的频 谱利用率。在现实的通信系统中，总是要经过调制之后才能将用户信息发送出去， 调制信号的频谱越窄，对周边用户的干扰就越小，达到一定的b e r 所需的发射功 率就越小。 在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的 问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。在这种情况下，传统 4符号交织s c c p m 系统研究 的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道 对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。 现代数字调制技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展 开的。多进制调制，是提高频谱利用率的有效方法，恒包络技术能适应信道的非 线性，并且保持较小的频谱占用率。从传统数字调制技术扩展的技术有最小移频 键控( m s k ) 、高斯滤波最小移频键控( g m s k ) 等等。 线性调制技术中，载波信号幅度随数字信号的变化而线性变化，线性调制方 案有很好的频谱效率，但传输中必须使用功率效率低的r f 放大器，使得其功率效 率受到了限制。超短波通信中常见的线性调制技术有b p s k 、d p s k 、o q p s k 等。 线性调制尽管带宽效率比较高，但是许多实际的超短波通信系统都使用非线 性调制方法，这时不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制的 主要优点： ( 1 ) 可使用功率效率高的c 类放大器，不会使发送信号占用频谱增大。 ( 2 ) 带外辐射低，可达- - 6 0 d b 一7 0 d 曰。 ( 3 ) 可用限幅器、鉴相器检测，从而简化接收机的设计，可以很好地抵抗随机 噪声和由瑞利衰落引起的信号波动。 调制的目的是使信息变换为便于传送的形式，提高抗干扰性能，有效地利用 频带。当把数字调制技术引入超短波跳频通信系统时，多种因素影响着数字调制 方案的选择。一个令人满意的调制方案是能在较低接收信噪比的条件下提供小的 误码率，对抗多径和衰落情况性能良好，占用最小的带宽，容易实现，且价格低 廉。现有的调制方案不能同时满足以上的所有要求，有的误码率性能较好，有的 带宽利用率高。对于不同应用的要求，需要在选择数字调制方案时进行折衷。 1 2 1 级联码 1 2 基于连续相位调制的串行级联系统 级联码是一种可以大大提高系统功率有效性的编码方式，而同时保持系统的 复杂度在一个可实现的程度。与编码器相对应地，在接收端，我们可以采用级联 译码，即首先由内码译码器进行译码，然后再由外码译码器译码。假设外码和内 码的复杂度分别是c l 和g ，那么采用级联译码的级联系统的复杂度大约是 q + g 串行级联系统最早是由f o m e y 于1 9 6 6 年提出，把编码的过程分成两级来完成。 图1 2 给出了一个两级级联码的差错控制系统。 第章绪论 门f 一一 刊外编码器h 内编码器卜斗 信i 一内译码器卜需道】 级联编码器 一j 级联译码器 ，一一： o 一一二 图1 2 利用级联码的差错控制系统 由此图可以看出，级联码由内码和外码组成。信息序列首先按照外码的规则 产生外码符号，然后送到内码编码器编码。内码编码器最终产生送到调制器的发 送序列。在接收端，采用级联译码方式译码，将译码的复杂度从c l c 下降到c l + g 。 最佳的级联译码器应当是内码译码器首先产生内码信息符号的后验概率( a p p ：a p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t i e s ) ，这些后验概率值送到外码译码器中译码。 在1 9 6 0 t s 和1 9 7 0 t s 早期，提出了很多种a p p 算法【6 】吼8 1 1 9 。其中最著名，也应 用最广泛的是b c j r 算法【l 们。b c j r 算法将卷积码用有限状态机( f s m ：f i n i t es t a t e m a c h i n e ) 来描述。虽然b c j r 算法的复杂度和卷积码的状态数是成线性关系的，但 是长期以来，在工程上还是无法应用。因此，在1 9 8 0 s 很多学者致力于研究简单、 低复杂度的次优a p p 算法【1 1 】【1 2 】【1 3 】。 在串行级联差错控制系统的外码和内码之间加入一个交织器，性能可以大大 提高【1 4 】。原因有两个方面：第一，为了保证内码的m a r k o v 特性，内码的输入必须 是统计独立的；第二，如果交织器、解交织器足够大，那么在外码看到的“虚信 道就是无记忆的，外码从内码译码器得到的a p p s 就可以认为是统计独立的。在 后文中，我们将间接说明内码a p p s 的相关性对外码译码的影响。 1 2 2s c c c 的编译码结构 1 9 9 3 年c b c r r o u 提出的t u r b o 码无疑是现代编码史上新的里程碑。根据s h a n n o n 的理论，随机码是好码。信道编码定理的证明中就是采用的随机编码技术。但是 证明是非构造性的。多少年来，随机码也仅仅用作理论分析和证明，因为它的译 码实在太复杂。而t u r b o 码采用了一种并行级联的结构，将卷积码和随机交织器巧 妙的结合在一起，实现了随机编码的思想【5 】。同时，t u r b o 码借用电子放大器中的 反馈技术，采用软输出迭代译码的方法，来逼近最大似然译码。所以，t u r b o 码可 以称为是迭代译码的并行级联卷积码( p c c c ) 。t u r b o 码接近s h a n n o n l 艰的超乎寻常 的优越性能，引起了信息与编码界的轰动。人们开始着力研究基于概率的软判决 译码方法，研究t u r b o 码的原理和机理，并将其应用于实践当中。同时软输出译码、 迭代译码等t u r b o 码的关键技术也被广泛应用于编码、调制、信号检测等诸多领域。 先后有很多学者分析研究了t u i b o 码，研究它的编译码方法和思想，研究它的性能 和改进。19 9 6 年，s b e n e d e t t o 提出了一种串行结构的类t u r b o 码串行级联卷积 码( s c c c ) 。s c c c 编译码器的成员几乎和p c c c 完全一样，只是采用了串行级联的 6 符号交织s c c p m 系统研究 结构。s c c c 的译码采用了s i s o 作为成员译码器，并且同样采用了迭代译码的方法 垆】。研究表明，s c c c 具有与p c c c 相比拟的性能，而且，它的错误平层( e r r o r - f l o o r ) 效应并不明显，在较大信噪比时，性能优于p c c c 。正是由于s c c c 天然的串行级 联的结构优势，使得s c c c 更易于融入通信系统之中，加之同样优越的性能，使得 s c c c 逐渐成为一种取代p c c c 的先进编码技术。 s c c c 编码器结构框图如下： 图1 3s c c c 编码器结构框图 s c c c 编码器是由外编码器、交织器、内编码器级联构成。这样的编码器结构 与传统的级联码基本相同，只是两个成员编码器都采用了卷积码。如果外码是 ( n o ，k o ，m o ) 的卷积码，内码是( 豫，毛，吧) 的卷积码，那么通常选择使得n o = 局，这样 整个s c c c 串行级联编码系统的码率就是t 珥。 在图1 3 中，信息序列 “。) 在经过外码编码器后将得到的输出码字序列 c ? ) 经 比特交织后( 变为c 2 ) ，送入内码编码器，得到的输出码字序列 ) 再经过调制后 送到信道传输。 在结构上来看，s c c c 的内码和外码并不要求必须是系统码，只要选择合适的 码率就可以了。内码和外码可以采用本原的非系统码或者是递归系统卷积码 ( r s c ) 。另外，也可以使用打孔( e u a c t u r o 由1 2 码率卷积码得到的2 3 、3 4 等码率 的收缩码( 删余码) 。成员编码方案的选择对于s c c c 的性能有影响。 这里的交织器采用的是比特交织器，而且一般为大长度的随机交织器。在 s c c c 中，交织器的作用十分关键。它的作用不仅仅是用来对抗信道的突发错误， 而且使得整个s c c c 码组的比特之间具有尽可能长的关联，从而构成长码；同时， 采用( 伪) 随机交织器，改变整个码组的重量分布，使其接近于随机码。这是s c c c 拥有优良性能的重要原因。这里有一点与p c c c 不同的是，如果交织器深度为， 对于p c c c 来讲其编码延时就是，而s c c c 则是胍。n 。这样，在相同的编码延。 时的情况下，s c c c 的交织器深度要大于p c c c 的交织器深度。 下面以加法s i s o 译码模块为基础来说明s c c c 的迭代译码过程。 与图1 3 给出的s c c c 编码器相对应的译码结构如图1 4 所示。 第一章绪论 图1 4s c c c 的译码结构 其译码过程简述如下：s i s o 内码译码器利用匹配滤波器输出接收信息的码字 符号概率l l r 值a ( c ；i ) 作为输入，而信息符号概率l l r 值a ( u ；i ) 的初始值为o ：内 码译码器根据s i s o 译码算法计算得到更新的码字符号概率l l r 值人( c ；d ) 和更新的 信息符号概率l l r 值a ( u ；o ) 。由于s c c c 的外码编码信息比特就是内码编码器的编 码输出，因此，s c c c 的内码译码器不是将人( “；d ) 作为先验信息经解交织后送到外 码译码器，而是将码字符号概率l u t 值人( c ；d ) 经过解交织器后作为外码译码器码 字编码符号概率l l r 值a ( c ；，) 输入。基于同样的原因，s i s o p b 码译码器输出的编 码符号概率l l r 值人( c ；d ) 经过交织器后作为s i s o 内码译码器的信息符号概率l l r 值人( “；j ) 输入，完成一次迭代译码。重复上述过程，即实现迭代译码。 最后根据s l s o # b 码译码器输出的人( “；d ) 经过硬判决得到译码输出“。其中 s i s o # b 码译码器的输入信息符号概率u r 值a ( u ；i ) 恒为o 。 1 2 3 串行级联连续相位调制系统的提出 随着并行级联卷积码( t u r b o 码) 中“t u r b o ”原理的广泛应用，目前“t u r b o ”原理已 经普遍用于检测，估计均衡等领域，并且“t u r b o ”迭代原理己经用于构造串行级联 系统和并行级联系统。连续相位调制c p m 可以分解为一个连续相位编码c p e 和 无记忆调制器【1 5 1 【1 6 】【1 7 1 。连续相位编码器c p e ，实际上就是一个简单的卷积码。因 此，可以将卷积编码与c p m 串行级联得到类似于s c c c 的串行级联连续相位调制 系统( s c c p m ) ，比特交织s c c p m 系统的模型如图1 5 所示。此系统可以不需要独 立的内码，同无记忆调制方式相比，它的功率有效性可以显著提高，即它具有优 越的误码率性能，而同时保持系统的复杂度在可实现的范围内【1 8 1 - 2 2 】。这对于卫星 通信系统、战术电台都是很有意义的。 符号交织s c c p m 系统研究 c p m 图1 5 比特交织s c c p m 的系统模型 比特交织s c c p m 系统的解调与解码过程是通过两个基于l o g m a p 算法的 s i s o 子系统迭代完成的。分别为码字和信息字输出概率，为先验概率。其中人( c ；j ) ， a ( u ；i ) 分别为输入码字似然值和输入信息字似然值；a ( c ；o ) ，a ( u ；o ) 分别为输出 码字似然值和输出信息字似然值。c p m 子系统的软输出经解交织后作为卷积码子 系统的软输入，卷积码子系统的软输出经交织后输入到c p m 子系统，反复迭代此 过程数次，最后一次迭代结果由卷积码子系统作硬判决输出。 采用c p m 的系统不仅可以采用非线性的功率放大器，还可以提高带宽利用率。 更重要的一点是，c p m 可以和一个外码组成一个串行级联系统，将调制和编码联 合起来研究，最大限度地在带宽利用率和功率有效性之间找到一个平衡点。大量 文献对基于s i s o 算法进行迭代检测的比特交织s c c p m 系统进行了研究，推动了 比特交织s c c p m 系统在实际应用的进程【2 3 】【2 9 1 。符号交织s c c p m 系统由于其收 敛性等的优势也越来越被人们所关注。 随着通信技术的发展，c p m 调制技术在卫星通信和军用电台用的越来越广泛， 如果能够在原有系统的基础上利用纠错编码和迭代译码算法构成误码率性能更优 越的s c c p m 系统，将大大提高通信的质量，这是一个并没有完全解决的问题。本 论文就这一课题做一些粗浅的研究。 1 3 研究目的与意义 论文选题来源于纵向项目“高速变速宽带跳频技术研究”中的子课题一高效编 码调制技术。 把c p m 与卷积码进行级联，运用t u r b o 原理进行迭代检测，是提高c p m 系统 性能的一种全新思路。由此形成的比特交织s c c p m 系统，它是一种具有诸多优点 的先进调制技术。 同时，由于符号交织s c c p m 系统在收敛性和和错误平层上比比特交织 第一章绪论 9 s c c p m 系统的存在很大的优势，为了在实际通信中应用较为复杂的c p m 信号， 有必要对符号交织s c c p m 系统进行深入的研究。研究这个系统的原理和性能，并 对迭代算法和交织技术进行分析比较，找出性能好的，这有助于符号交织s c c p m 系统在实际中的更普遍应用。 因此，开展此课题的研究，主要有两方面的目的： 第一，对符号交织s c c p m 系统的关键技术进行研究和探讨，并进行优化和改 进。通过对符号交织s c c p m 系统的各个关键问题进行分析，提出有效的改进方法： 对符号交织s c c p m 系统的性能进行改善。 第二，对符号交织s c c p m 系统以及比特交织s c c p m 系统进行深入分析，定 性分析二者的性能差异。 到目前为止，t u r b o 码在现有信道编码方案中是最好的，尚未有任何一种编码 方案能与其相比拟。t u r b o 码的出现为编码理论和实践带来了一场革命，改变了人 们设计信道码的传统观点。运用t u r b o 迭代原理的符号交织s c c p m 系统的研究， 能够有机会了解这个领域并作一点力所能及的工作，对本人的研究思路和今后的 工作都将大有裨益。 1 4 论文结构 本论文主要对符号交织s c c p m 系统的性能、设计和t u r b o 原理的应用进行分 析。论文内容安排如下： 第二章，首先介绍了连续相位调制的基本概念和c p m 的分解模型。其次，文 中给出了c p m 的v i t e r b i 解调算法。并对c p m 性能进行理论分析。 第三章，首先介绍了符号交织s c c p m 的系统模型以及通用的加法s i s o 迭代 译码算法：最后研究了各种设计参数对符号交织s c c p m 系统性能影响。给出了 s c c p m 的系统性能曲线图。 第四章，对符号交织s c c p m 系统进行深入研究，首先给出多进制下系统的性 能，并对相应的比特交织s c c p m 系统进行仿真。最后从系统错误事件数以及交织 增益出发，对系统性能进行阐述。 第五章，总结硕士期间的工作。 第二章连续相位调制技术 第二章连续相位调制技术 连续相位调$ i j ( c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n ，c p m ) 是一种具有恒定包络的先进 调制技术，有高效的频带利用率与功率利用率，在2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初 有过大量的研究。2 0 世纪8 0 年代中期，卷积码被引入c p m 。1 9 8 8 年r i m o l d i 把 c p m 分解为一个连续相位编码器与一个无记忆调制器的组合。近年来随着t u r b o 码的出现，t u r b o 码的解码概念被应用到编码的c p m 系统，使c p m 系统性能有了 大幅度的提高。本章首先对c p m 技术的基本原理进行了分析，然后给出了c p m 系统性能的理论分析。 2 1 连续相位调制概述 在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的 问题，主要是信道带宽限制和非线性对传输信号的影响。传统的数字调制方式己 经不能满足应用的要求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影 响，以便在有限带宽资源的条件下获得更高的传输速率。这些技术的研究，主要 是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。多进制调制是提高频谱利用率 的有效方法。恒包络技术能适应信道的非线性，并且保持较小的频谱占用率。 随着对频谱资源需求的快速增长，和频谱资源的有限性制约，连续相位调制 技术逐渐引起了人们的注意。连续相位调制是一种广义的频率调制技术，其载波 相位以连续的方式变化。相对于一般的调制方式，c p m 具有恒包络和良好的谱特 性。例如，它有较窄的主瓣和快速滚降的旁瓣。c p m 具有以下特点： 首先，c p m 调制方式的射频信号是恒包络的，因此不必考虑放大器的非线性 问题。通常情况下，线性功率放大器的效率比较低，价格昂贵。另外，无线信道 通常是衰落信道，射频信号经无线信道传输后除了要附加白噪声之外，一般在幅 度上还会有衰落，这时，射频信号的恒包络性可以大大降低接收端的复杂度，这 种恒包络特性在陆地移动通信中引起了极大关注。 其次，c p m 已调信号中信息数据包含在载波相位或频率上，由于该信号具有 连续相位的特点，使得c p m 信号具有比p s k 信号更良好的频谱特性，这使得c p m 的带外功率小于p s k 信号，更适合于带宽受限的信道。对于同样的符号速率，通 过选择合适的信号参数，c p m 信号所占用的带宽要比p s k 信号小一些。 另外，c p m 内在的相位记忆特性使c p m 调制具有错误纠正的能力，若将编 码和c p m 结合将具有更大的编码增益，这在当前移动通信应用中具有重要意义。 尽管c p m 信号有很好的频谱特性，但是多进制的c p m 调制并没有得到广泛 的应用，目前其应用仅仅局限于简单的二进制c p m 调制，如m s k 和第二代移动 符号交织s c c p m 系统研究 通信g s m 中应用的g m s k 等。这主要是由于c p m 实现具有以下两大难点： ( 1 ) 计算复杂。c p m 的最佳相干解调通常采用最大似然序列估计( m l s e ) 来实 现，其误比特性能取决于c p m 的最小平方欧氏距离( m s e d ) 。由于维特比算法不 仅需要记忆c p m 的相位状态，而且还要记忆c p m 的前后相关符号序列，随着进 制数的增大，c p m 的状态数呈指数上升，计算量变的非常巨大。通常的器件的内 存和计算速度难以实现。因此如何在不减少最小平方欧氏距离的情况下，减少c p m 的状态数，从而减少计算量，成了c p m 研究的热点之一。目前国外的许多学者提 出了一些解决方法，如状态分解法，神经网络法等等。 ( 2 ) 同步困难。除了计算复杂外，同步问题是c p m 的另外一个难点。由于相 位的记忆特性，传统的同步方法对c p m 信号不再适用，尤其是在跳频通信环境中， 由于跳频引入的随机相位跳变，给c p m 的相位同步增加了困难。 2 1 ic p m 的定义 正如连续相位调制的名称中所提到的，c p m 信号的相位轨迹是时间的连续函 数。 踯咖厚一脚， 柳， 其中携带信息的相位9 ( t ，口) 如下表示： 妒( f ，a ) = 2 7 r h ，a l g ( r - i t ) d r ，- - - o o t + o o 式( 2 - 2 ) 口= 吼。t ；t ，是膨进制的无限长输入符号序列， 其中 = l ，3 ，( 膨一1 ) ；f = 1 ，l ，2 ，。e 是平均每个符号的能量，r 是平均每个 符号的持续时间，厶是载波频率，p 。是初始相位，且为了分析研究的方便，我们 通常令= o 。变量h 被称为c p m 的调制指数。在假设输入序列中每一个符号均 取自相同集合的前提条件下，基带脉冲响应g ( t 1 在每一个符号间隔期间所引起的 最大相位偏移为c t h 7 r 。 c p m 调制的系统模型如图2 1 所示： 如果我们定义 图2 1c p m 调制的系统模型 第二章连续相位调制技术 g ( d = e g ( 讹删 柚 船3 ) 那么c p m 调制信号的相位轨迹可以改写为： 9 ( f ，c t ) = 2 z r h a , q ( t - i t ) ，哪 f 悃 i = 一m 式( 2 - 4 ) 利用定义因果系统的方法，我们同样可以定义因果c p m 系统，前提条件是g ( f ) 满足如下的关系式： i g ( f ) 量o ；t 三r 【g ( f ) o ；o t l t 式( 2 5 ) 根据冲激响应函数g ( f ) 的不同形式，又可以把g ( f ) 分为矩形脉冲响应( u 也c ) 、升 余弦脉冲( l r c ) 、高斯最小频移键控脉冲( g m s k ) 等。 1 0 t l t l r e c ：g ( f ) = 1 【2 l to t l t 式( 2 6 ) i of l t 脚- g 。卜澌一c 面2 z r t ) o t l t 艄， i rz1 一嗄归斗2 柚每坪柏每， 蛔， q ( t ) = r 赤p 吖2 陀咖 郁- 9 ) gc，=曼主cr，df 2 1 2c p m 的分解模型 t 0 o t l t 式( 2 1 0 ) 我们知道，所有相位轨迹9 ( t ，口) 的集合能够完整地描述c p m 信号，也被称为 相位树【1 8 】。由于相差2 万整数倍的相位在物理上是不可区分的，因此我们称模2 刀的 符号交织s c c p m 系统研究 相位为物理相位，用0 表示： 秒= 是万 秒 式( 2 - 1 1 ) 用物理相位表示的c p m 信号的相位轨迹是时变的，也就是说，在两个相邻符号间 隔内的相位轨迹是不同的。图2 2 中的( a ) 和( b ) 分别表示的是时变c p m 信号的相位树 和物理相位网格。如果我们令矽( f ，口) = q o ( t ，a ) + r c ( 1 2 ) t t ，那么此时新的相位轨迹 上的每一点表示的不再是绝对的相位，而是相对于最小值而言的相对值，因此 矽( f ，口) 也被称为倾斜相位。值得注意的是，新的相位轨迹是时不变的。图2 3 中的 ( a ) 和( b ) 分别表示的是时不变c p m 信号的倾斜相位树和物理倾斜相位网格。对于m 进制的c p m 调制信号来说，时不变相位网格( 瓦口) 的定义如下所示： ( f ，口) = 9 0 ，a ) + r c h ( m 一1 ) t t 式( 2 1 2 ) ( f ，口) 和缈( f ，口) 分别称为c p m 信号的倾斜相位和传统相位。将式( 2 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 可得： 一 舭口) = 砌+ 2 r c h a , q ( t - i t ) + r c h ( m - 1 ) t t 式( 2 1 3 ) 其中，n t t ( n + 1 ) t 。为了方便起见，我们令口一。= 口电= = 口。= 0 ，同时引入 新的输入符号序列u = ( n 工，以川，) ，且职= ( q + 似一1 ) ) 2 。这样做的好处在于： 不管肘取奇数还是偶数， o ，1 ，2 ，m - 1 ) 。新的输入符号序列u 的取值范围 是严格意义上的m 进制。也就是说，将式( 2 1 3 ) 稍作修改可得： l - i ( f + 力丁，u ) = 2 砌乩一q ( r + i t ) + ，r h ( m 一1 ) r t i - - o l - 1 2 万 ( m 一1 ) g ( f + f r ) + ( 一1 ) ( m 一1 ) 万 式( 2 1 4 ) i = o 从式( 2 1 4 ) q b 我们可以看出：与时间参数f 相关的项仅仅与f = f n t 有关。如果对 不依赖时间参数t 的项取模2 x ，则有： n - l f 一工 l 如i2 x h u 。f = i2 x ( k p ) , u ，l l i - o jl i - o j 厂厂一一工1 = 足万i2 万 尸) b i f | 式( 2 1 5 ) l l i * 0- l i 其中，k 和p 是互质数，分别表示c p m 调制指数的分子和分母，即 = k p 。从 式( 2 1 5 ) e p 我们可以看出，c p m 调制信号的物理倾斜相位妒 + 刀丁，u ) 的表达式中与 时间无关的项共有p 种可能的取值。 第二章连续相位调制技术 - 日 一 一 ( a ) c p m 信号的相位树( b ) c p m 信号的物理相位网格 图2 2c p m 信号的时变相位轨迹 ( a ) c p m 信号的倾斜相位树( b ) c p m 信号的物理倾斜相位网格 图2 3c p m 信号的时不变相位轨迹 除了提供良好的频谱特性以外，c p m 调制信号与其他的p s k 调制相