高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法技术方案

本发明专利技术属于通信技术领域，涉及高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法。高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法，包括：(1)发送端对信息序列进行信道编码，构造基于光正交码的准循环LDPC码；信道编码后的信号经调制、扩频、模数转换、模拟上变频后，被发送出；(2)接收端在完成信号同步捕获后，通过锁频环和锁相环对捕获的信号进行频偏和相偏的粗估和校正；(3)采用联合载波同步的迭代译码算法进行译码，每次译码迭代过程中利用更新的残余频偏和残余相偏估计值再次校正步骤(2)校正后的信号。本发明专利技术利将译码与残余频偏/相偏的估计校正相结合，实现了高动态通信系统中载波同步的准确性，提升了系统的抗干扰性能。扰性能。扰性能。

【技术实现步骤摘要】
高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法。

技术介绍

[0002]高动态环境下的无线通信与导航定位目前面临诸多难题和挑战，其中同步问题是关键技术之一。高动态环境下运动状态的急剧变化会让接收机收到的导航定位信号及通信信号产生较大的多普勒频偏和扩频码相位跳变，且在多载波通信系统中，多普勒频偏程度与系统移动速度呈现正相关关系。对于比较大的多普勒频偏与变化率，其频率偏移会超出锁频环能够捕捉的范围，导致锁频环不能对其进行跟踪恢复，解决这一问题需要增加锁频环带宽，但是带宽的增加必定使得环路噪声增大，接收端获得的信号误码率明显增加，信号失真也愈加明显，且外界噪声电平一旦超过环路工作阈值，锁频环失锁会导致解调的数据无法得到恢复。同时相位的偏移会使得导航定位准确度降低。这些问题对高动态通信系统的性能造成了严重冲击。因此，对高速移动状态下信息传输中时间、频率以及相位同步算法的研究，对提升高速移动系统抗干扰能力和接收机性能的研究，是现代通信发展的急切需求。精准同步是高动态环境下进行无线通信、导航定位、遥测遥控等工作的基础和前提。研究高速移动环境中的频率和相位同步技术是提高无线通信、导航定位性能的前提，是未来宽带无线通信在高速环境下得以广泛应用的关键所在。
[0003]在高动态通信系统载波同步技术的研究中，学术界提出了多种技术相结合的跟踪方法。其中最常用的有锁频环辅助跟踪的锁相环技术和最大似然估计算法辅助的跟踪环技术等。FLL辅助PLL的环路设计比较简单，FLL负责粗同步，PLL负责细同步，这种方法引入外界噪声多，会降低跟踪的精准度。最大似然估计算法原理是利用有可能会出现的频偏、相偏等对接收信号的偏移进行补偿，然后取残余误差信号功率谱的最大值，以此获得频偏或相偏的估计。这类算法精度很高，但是似然函数的非线性使得求解过程复杂度很高，导致算法跟踪速度很慢，实用性相对而言比较差。因此，探索更优的载波同步方法，同时提升系统抗干扰性能逐渐成为研究热点。
[0004]研究高动态环境下通信系统接收机快速同步技术，对高动态环境下远距离无线传输、精准打击、情报收集、监视侦察、预警等有很好的参考价值，在很多领域具有重要的理论价值和现实意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有技术中高动态环境下通信系统接收机快速同步存在的问题，用以提升高动态通信系统中载波同步的准确性，提升系统抗干扰性能。本专利技术利用EM算法，给出了一种形式简单但性能优良的残余频偏和相偏估计方法，并将频偏和相偏的估计与迭代译码相结合，在译码迭代的同时实现载波同步；改进归一化偏移最小和算法(NOMS)，使其校正因子和偏移因子适应于系统编码码率和最大校验节点度数，参数由自适
应前向传播训练得到，训练中引入sigmoid函数和交叉熵损失函数，通过损失函数的随机梯度下降实现参数的更新，提升系统抗干扰性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码算法，包括：
[0007](1)发送端对信息序列进行信道编码，构造基于光正交码的准循环LDPC码；信道编码后的信号经调制、扩频、模数转换、模拟上变频后，被发送出；
[0008](2)接收端在完成信号同步捕获后，通过锁频环和锁相环对捕获的信号进行频偏和相偏的粗估和校正；
[0009](3)采用联合载波同步的迭代译码算法进行译码，每次译码迭代过程中利用更新的残余频偏和残余相偏估计值再次校正步骤(2)校正后的信号。
[0010]优选地，发送端利用光正交码循环自相关和循环互相关特性，构造准循环LDPC码，具体为：以码长为n0、汉明重量为ω的码字构造码长为n、汉明重量为ω的光正交码集X＝{X
r
}，其中r＝0,1,
…
,p，取m,p∈N，有
[0011]n＝(ω
‑
1)pm+n0[0012][0013]x
ω
‑
1,1
≤m＜n0[0014][0015]其中，X
ir
表示第r个码字的i次邻集，N表示自然数集合，共有p+1个码字，m表示模数，g表示码字X0的第i次邻集中的元素，h表示码字X0的第s次邻集中的元素，码字X
r
和光正交码集X均采用集合形式表示，码字X
r
集合形式中元素的取值由其各次邻集决定；
[0016]光正交码集C构造完成后，对其中p+1个码字分别循环移位，得到p+1个不同的循环方阵Q1,Q2,
…
,Q
p+1
，随机选择和排列这些循环方阵即可得到不同码率的校验矩阵H。
[0017]进一步优选地，利用得到的频偏和相偏的估计值和对信号进行校正，得到校正后信号：
[0018][0019]其中，r
k
表示接收端接收信号的第k位，T表示单位比特传输时间，表示环路跟踪得到的频偏估计值，表示环路跟踪得到的相偏估计值。
[0020]进一步优选地，采用EM算法估计步骤(2)所得信号的残余频偏和残余相偏，具体为：
[0021][0022][0023][0024]其中，n表示接收符号序列长度即编码后的码长，D(d)＝{d:d＝[z
T
,c
T
]T
}表示数据全集，c表示发送信号序列，z表示接收符号序列，b＝[Δf
R
,θ
R
]表示联合参数，Δf
R
和θ
R
表示残余频偏和残余相偏，l表示迭代次数，T表示单位比特传输时间，∧q
k
表示译码迭代中变量节点k(码字第k位)的消息。
[0025]进一步优选地，所述联合载波同步的迭代译码算法采用改进的归一化偏移最小和算法译码，译码迭代时根据消息传递法则更新变量节点和校验节点消息后，对变量节点消息作硬判决，直至译码序列满足所有校验条件或迭代次数达到最大时停止迭代。
[0026]进一步优选地，所述改进的归一化偏移最小和算法利用sigmoid函数和交叉熵损失函数对校正因子和偏移因子进行自适应前向传播训练，得到适应于系统编码码率和最大校验节点度数的校正因子和偏移因子。
[0027]进一步优选地，所述校正因子和偏移因子自适应前向传播训练过程为：
[0028]v＝(v1,v2,
…
v
n
)为训练集中某一接收信号，对应的发送信号为码字c＝(c1,c2,
…
c
n
)，码长为n，码率为R，最大校验节点的度数d
c
，这样的训练集信号共有S个；初始化校正因子α
(0)
、偏移因子β
(0)
以及变量节点传向校验节点的消息：
[0029][0030]消息传递更新准则为：
[0031][0032][0033]其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法，其特征在于，包括：(1)发送端对信息序列进行信道编码，构造基于光正交码的准循环LDPC码；信道编码后的信号经调制、扩频、模数转换、模拟上变频后，被发送出；(2)接收端在完成信号同步捕获后，通过锁频环和锁相环对捕获的信号进行频偏和相偏的粗估和校正；(3)采用联合载波同步的迭代译码算法进行译码，每次译码迭代过程中利用更新的残余频偏和残余相偏估计值再次校正步骤(2)校正后的信号。2.根据权利要求1所述的高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法，其特征在于，发送端利用光正交码循环自相关和循环互相关特性，构造准循环LDPC码，具体为：以码长为n0、汉明重量为ω的码字构造码长为n、汉明重量为ω的光正交码集X＝{X
r
}，其中r＝0,1,
…
,p，取m,p∈N，有n＝(ω
‑
1)pm+n0x
ω
‑
1,1
≤m＜n0g+h≠n0mod m,1≤i,s＜ω其中，表示第r个码字的i次邻集，N表示自然数集合，共有p+1个码字，m表示模数，g表示码字X0的第i次邻集中的元素，h表示码字X0的第s次邻集中的元素，码字X
r
和光正交码集X均采用集合形式表示，码字X
r
集合形式中元素的取值由其各次邻集决定；光正交码集X构造完成后，对其中码字分别循环移位，得到p+1个不同的循环方阵Q1,Q2,
…
,Q
p+1
，随机选择和排列这些循环方阵可得到不同码率的校验矩阵。3.根据权利要求2所述的高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法，其特征在于，利用环路跟踪得到的频偏和相偏的估计值和对信号进行校正，得到校正后信号：其中，r
k
表示接收端接收信号的第k位，T表示单位比特传输时间，表示环路跟踪得到的频偏估计值，表示环路跟踪得到的相偏估计值。4.根据权利要求3所述的高动态通信系统中联合载波同步的自适应迭代译码方法，其特征在于，采用EM算法估计步骤(2)所得信号的残余频偏和残余相偏，具体为：特征在于，采用EM算法估计步骤(2)所得信号的残余频偏和残余相偏，具体为：特征在于，采用EM算法估计步骤(2)所得信号的残余频偏和残余相偏，具体为：其中，n表示接收符号序列长度即编码后的码长，D(d)＝{d:d＝[z
T
,c
T
]
T
}表示数据全
集，c表示发送信...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊海良，许玉丹，周洪超，杨刚强，许宏吉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：