本发明涉及无线通信及遥测遥控技术领域，提供一种用于多进制部分响应cpm(continuousphasemodulation，连续相位调制)信号的软判决译码器结构。
背景技术
cpm信号具有相位连续的特点，相对其他调制方式在功率效率、带宽效率上均具有很大优势，在卫星通信、遥测遥控领域具有广泛的应用前景。根据cpm信号的部分响应长度l是否大于1可以将cpm信号分为全响应cpm信号和部分响应cpm信号，部分响应cpm信号具有记忆性，当前码元周期内波形不仅与当前码元周期内的码元有关，还和前几个码元周期的码元有关。部分响应cpm能够获得更好的带宽利用率。cpm信号在一般解调过程中被处理成为硬判决值(即0或1)，期间损失了大量中间信息。如果在解调过程中产生的各判决值的似然信息来辅助信道解码，则可以取得更好的抗误码性能。sova(soft-outputviterbi,软输出维特比)是一种在输出维特比硬判决值的基础上输出似然信息的软判决算法(hagenauerj,hoeherp.aviterbialgorithmwithsoft-decisionoutputsanditsapplications[c]//globaltelecommunicationsconference,1989,andexhibition.communicationstechnologyforthe1990sandbeyond.globecom'89.ieee.ieeexplore,1989:1680-1686vol.3.)。目前基于sova算法的软判决译码器大多是two-stepsova结构(joeressenoj,meyrh.a40mbit/ssoft-outputviterbidecoder[j].ieeejournalofsolid-statecircuits,1995,30(7):812-818.)的继承和发展。如图1所示，这种结构由加比选模块，幸存路径存储模块，度量差量化、归一化、延时模块，路径比较模块，似然值更新模块，延时模块和选择模块组成。所有路径的分支度量输入加比选模块，加比选模块将各状态的候选路径的度量值比较并选出各状态的幸存路径、竞争路径，更新各个状态的累积度量，将每个状态的幸存路径、竞争路径的序号送给幸存路径存储模块，将经过延时之后的每个状态的幸存路径、竞争路径的序号送给路径比较模块，将每个状态的幸存路径、竞争路径的度量差送给度量差量化、归一化、延时模块；幸存路径存储模块根据送来的状态转移标志矢量进行回溯，将回溯得到的幸存路径、竞争路径上对应的符号送给路径比较模块，幸存路径经过的状态视的序号送给度量差量化、归一化、延时模块。度量差量化、归一化、延时模块通过幸存路径经过的状态序号选择得到的幸存路径经过的状态对应的度量差，并将其送给似然值更新模块；路径比较模块一方面输出硬判决值，一方面找出幸存路径、竞争路径上对应符号不相等的位置，送给似然值更新模块；似然值更新模块根据幸存路径、竞争路径上对应符号不相等的位置和幸存路径经过的状态对应的度量差，挑选出幸存路径、竞争路径上对应符号不相等的位置的度量差，取最小值作为似然信息输出。硬判决和似然信息结合起来就是软判决。这种结构所基于的算法本身并不是最优的sova算法，性能无法和接近理想情况下的max-log-map算法(最大后验概率算法在对数域的近似算法)，而且将其进行改进并在多进制的应用场景下性能会更差。本发明提供一种多进制部分响应cpm信号的软判决译码器结构，这种结构基于一种多进制部分响应multi-hcpm的软输出维特比算法(赖鹏辉,马艳敏,王世练,谢顺钦,高凯.多进制部分响应multi-hcpm的软输出维特比算法[j].太赫兹科学与电子信息学报.20148.16(2):277-292)，其性能得到大大提高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种多进制部分响应cpm信号的软判决译码器结构，这种译码器结构能够适用于多进制cpm信号的软判决译码；实现的算法的性能和理想情况下的max-log-map算法相近；每个符号需要的处理时钟少，适合高速译码。
如图2所示，一种多进制部分响应cpm信号的软判决译码器，具体特征在于，包括：加比选模块，可靠性矩阵更新单元，状态挑选模块，第一延时模块,第二延时模块，软判决输出模块。所有路径的分支度量、调制指数同步信号(针对单指数cpm应用场景时不需要)输入加比选模块，加比选模块执行现有sova译码器的加比选操作，计算出每个状态的幸存路径序号和竞争路径序号，以及幸存路径与竞争路径的度量差(简称路径度量差)并输出至可靠性矩阵更新单元，计算每个状态的累积度量并输出至状态挑选模块。调制指数同步信号同时输入至第一延时模块，第一延时模块将经过延时的调制指数同步信号输出至可靠性矩阵更新单元。可靠性矩阵更新单元用于更新每个状态的可靠性矩阵，并将每个状态的可靠性矩阵的第一列输出至软判决输出模块。状态挑选模块找出所有状态中累积度量最大的状态，并将该状态的序号输出至第二延时模块。第二延时模块将累积度量最大的状态的序号进行延时，将经过延时的累积度量最大的状态的序号输出至软判决输出模块。软判决输出模块计算所有符号的似然比(多进制的似然信息)并输出。
进一步，所述可靠性矩阵更新单元，包括：一个可靠性矩阵映射模块，若干个可靠性矩阵更新模块，可靠性矩阵更新模块的个数对应于cpm信号的状态个数。在当前时刻时，可靠性矩阵映射模块的输入是当前时刻每个状态的幸存路径序号和竞争路径序号；可靠性矩阵映射模块根据每个状态的幸存路径序号和竞争路径序号，对每个状态的幸存路径和竞争路径进行回溯，找到每个状态的幸存路径前一时刻经过的状态和竞争路径前一时刻经过的状态，再将每个状态的幸存路径前一时刻经过的状态对应的前一时刻的可靠性矩阵输出至该状态对应的可靠性矩阵更新模块，将竞争路径前一时刻经过的状态中对应的前一时刻的可靠性矩阵输出至该状态对应的可靠性矩阵更新模块。同时，每个可靠性矩阵更新模块输入加比选模块中得到的该模块对应状态的路径度量差。每个状态对应的可靠性矩阵更新模块计算更新当前时刻的该状态对应的可靠性矩阵，并将可靠性矩阵第一列输出至软判决输出模块。
本发明的有益效果是：提出了一种全新的sova译码器结构，这种结构下不断更新表示多进制可靠性的可靠性矩阵，能够输出多进制的似然信息；实现的算法性能能够接近理想情况下的max-log-map算法；可靠性矩阵更新单元实现的可靠性矩阵更新可在1个时钟内完成，适合高速实现。
附图说明
图1是现有技术中sova译码器的示意图；
图2是本发明所述多进制部分响应cpm信号的软判决译码器结构示意图；
图3是多进制部分响应cpm信号的状态转移网格；
图4是本发明所述多进制部分响应cpm信号的软判决译码器中可靠性矩阵更新单元结构示意图；
图5是应用本发明的级联ldpc多调制指数cpm系统结构图；
图6是使用本发明的级联ldpc多调制指数cpm系统误码性能图；
表1是本发明在fpga上实现的资源占用情况；
具体实施方式
为使本发明更容易被理解，下面结合附图，以状态数为8，进制数m＝4的部分响应cpm的软判决译码器在fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)上实现为例，对本发明作进一步的详细描述。
状态数为8，进制数m＝4的部分响应cpm的状态转移网格如图3所示。其中s0～s7为cpm信号对应的8个状态。线条表示状态转移路径，其中实线表示符号为0的转移路径，较密集的虚线条表示符号为1的转移路径，较稀疏的虚线条线表示符号为2的转移路径，点线表示符号为3的转移路径。(cpm状态转移网格为cpm领域公知，见文献andersonjb,aulint,sundbergce.digitalphasemodulation[j].applicationsofcommunicationstheory,1986:412-412.)
本发明的加比选模块和现有sova译码器的加比选模块结构和功能类似。不同之处在于，4进制cpm信号的每个状态有4条候选路径(参考图3)，而二进制cpm信号的每个状态只要两条候选路径。因此本发明和现有sova译码器的不同在于，现有sova译码器只需从两条候选路径中选出累积度量较大的路径视为幸存路径，另一条为竞争路径，而本发明需从m条候选路径中选出累积度量最大的路径，将其视为幸存路径，选出累积度量第二大的，将其视为竞争路径。
调制指数同步信号同时输入第一延时模块。第一延时模块对调制指数同步信号进行延时，使输出的经过延时的调制指数同步信号与加比选模块的输出在时间上对齐，并将其输出至可靠性矩阵更新模块。通常加比选模块的处理时间为3个或4个时钟，因此第一延时模块的延时时间为3个或4个时钟。
如图4所示，可靠性矩阵更新单元包括：一个可靠性矩阵映射模块，若干个可靠性矩阵更新模块。在当前时刻时，可靠性矩阵映射模块的输入是当前时刻每个状态的幸存路径序号和竞争路径序号；可靠性矩阵映射模块根据每个状态的幸存路径序号和竞争路径序号，对每个状态的幸存路径和竞争路径进行回溯，找到每个状态的幸存路径前一时刻经过的状态和竞争路径前一时刻经过的状态；再将每个状态的幸存路径前一时刻经过的状态对应的前一时刻的可靠性矩阵输出至该状态对应的可靠性矩阵更新模块，将竞争路径前一时刻经过的状态中对应的前一时刻的可靠性矩阵输出至该状态对应的可靠性矩阵更新模块。同时，每个可靠性矩阵更新模块输入加比选模块中得到的该模块对应状态的路径度量差。每个状态对应的可靠性矩阵更新模块计算更新当前时刻的该状态对应的可靠性矩阵，并将可靠性矩阵第一列输出至软判决输出模块。
每个状态中对应的可靠性矩阵是一个4行δ列的矩阵。其中δ为正整数，大小根据实际情况确定，δ的值越大可靠性矩阵的精度越高，一般δ的取值小于30。为便于说明可靠性矩阵中的元素的更新过程，将k时刻状态si(0≤i≤7，i为整数)中对应的可靠性矩阵表示为
可靠性矩阵中的元素初始化规则为：
0时刻时，状态si中对应的可靠性矩阵的最后一列
其中v为进入状态si的候选路径对应的符号。
状态si中的其他元素(即除最后一列元素外可靠性矩阵中的其他元素)初始化为+∞(正无穷)，实际中可用路径度量差最大值的两倍来替代+∞，如当路径度量差为5位量化时，路径度量差最大值为31，用63替代+∞。
可靠性矩阵更新模块中对可靠性矩阵更新的规则为：
k+1时刻时，可靠性矩阵中的最后一列仍然按初始化的规则取值，其他元素更新规则为：
其中0≤l≤δ-2，min表示取小运算，diffk+1(si)表示k+1时刻状态si的路径度量差。
k时刻时，可靠性矩阵更新完成后，状态si对应的可靠性矩阵更新模块将该状态对应的可靠性矩阵的第一列元素，即
状态挑选模块用于找出所有状态中累积度量最大的状态，并将该状态的序号输出至第二延时模块。
第二延时模块将累积度量最大的状态的序号进行延时，使其和可靠性矩阵更新模块输出的各个状态中对应的可靠性矩阵的第一列在时间上对齐，并将其输出至软判决输出模块。
设输入软判决输出模块的累积度量最大的状态的序号为c。软判决输出模块挑选出状态sc对应的可靠性矩阵的第一列(表示k-δ+1时刻各个符号出现的可能性大小，值越小出现的可能性越大)，计算所有符号的似然比并输出。k-δ+1时刻符号μ的似然比
其中μ＝0,1,2,3。
后续可根据实际需要是否将符号的似然比转化为比特的似然比。
将本发明应用到级联ldpc(lowdensityparitycheckcodes，低密度奇偶校验码)的多调制指数cpm系统中，系统结构如图5所示，发送端将需发送的信息序列经过ldpc编码，再进行cpm调制，最后将得到的中频cpm信号通过信道发送出去。接收端经过数字下变频和同步之后，输入本发明提供的译码器进行软判决译码，将译码器输出转化为比特似然比后进行ldpc译码，便可得到发送的信息序列。cpm的调制指数h＝[5,6]/16，进制数m＝4，部分响应长度l＝3，ldpc为ccsds(consultativecommitteeforspacedatasystems，空间数据咨询委员会)标准推荐码字，码长为8176，码率为7/8，δ＝20。误码性能如图6所示，图中带有五角星的曲线表示本发明提供的译码器(fpga实现)性能，带有菱形的曲线表示max-log-map算法(mtlab仿真)性能，由图可知它们在误码率为10-5情况下，eb/no(每比特能量与噪声功率谱密度之比)仅相差0.2db。在xc7vx690t(fpga开发板)上实现，传输比特速率为60mbit/s，处理时钟为120mhz，最高时钟为120mhz，主要资源占用情况如表1所示，从表中可以看出，本发明提出的软判决译码器占用资源较少，适合高速传输。
表1