一种直接序列扩频码与1/K 码率卷积码混合编码方法

摘要

本发明公开了一种将扩频序列码与卷积码组合编码的方法，可以使得对源速率为R？bps的二进制数据进行码率为1/K的卷积码编码和长度为M的扩频序列扩频后，一方面，长度为M的扩频序列不会被卷积编码分割为K段，从而扩频接收机可以方便地通过相关检测或匹配滤波的方式实现扩频码同步，以保证接收性能；另一方面保证扩频后的码片速率为M*R，而不是M*R*K，从而节省了无线带宽；另一方面保证了扩频增益为M，而不是M/K。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种直接序列扩频码与1/K码率卷积码混合编码方法。

背景技术

直接序列扩频(DSSS：directsequencespreadspectrum)是一种扩展频谱通信(扩频通信)技术，最早始于军事通信。由于扩频通信在提高信号接收质量、抗干扰、保密性和增加系统容量等方面都有突出的优点，所以目前已经广泛商用。直接扩频序列为一个长度为N(N大于1)的伪随机序列，常用的直接序列扩频序列有m序列、gold序列、Barker序列等等。通过长度为N的直接序列扩频操作可以获取大小为N的扩频增益，用db数表示为10log(N)。

卷积码属于无线通信中的信道纠错编码技术。在发射机端进行卷积码编码，在通信的接收端通过卷积码解码可以纠正一定数量由于通信过程中的干扰造成的误码。通信系统通过使用前向纠错码可以获得编码增益。卷积编码将1比特二进制数编码为K比特二进制数的编码过程会引入冗余比特，定义这种情况下的码率为1/K。

从通信理论上讲，通信系统将直接序列扩频和卷积码结合使用时，可以同时获得大小为N的扩频增益和对应的编码增益。将直接序列扩频和1/K码率的卷积码结合的可能的方法有：

(1)数据速率为Rbps的二进制数据，首先通过码率为1/K的纠错编码，得到速率为R*K的二进制数据流，对卷积码编码后的数据流用码长度为N，码片速率(chiprate)为N*R*Kbps的扩频序列进行扩频。其获得的扩频增益为N，同时获得了卷积码编码增益。

(2)据速率为Rbps的二进制数据，首先通过码率为1/K的卷积码编码后，得到速率为R*K的二进制数据流，对卷积码编码后的二进制数据用长度为N*K，码片速率(chiprate)为R*N*Kbps的扩频序列进行扩频。其获得的扩频增益为N*K，同时也获得了卷积码编码增益。

在卷积码编解码方案相同的情况下，以上的方法2和方法1获得的卷积编码增益相同。但方法2获得的扩频增益为N*K，方法1扩频增益为N，方法2是方法1的K倍。所以在以上两种扩频和卷积码结合方法下，可以获取相同的卷积编码增益，方法2获得了更大的扩频增益。但是方法2的情况下，一个扩频序列被卷积码分割为K段，这使得在接收端不能通过匹配或自相关的方式进行扩频码同步，在接收机时钟和发射机时钟频率不同步的情况下，接收机不能长时间的保持扩频码同步，很大的限制了通信性能。因此，方法1接收机易实现，但缺点是扩频增益受到了很大的限制，仅为方法2的1/K；而方法2获得了较大的扩频增益，但是接收机的扩频码同步受到了限制，影响通信性能。因此，本领域的技术人员致力于开发一种扩频码与卷积码混合编码方法，这种组合编码方法可以同时克服上述方法1和方法2的缺点，同时还能保留其优点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：

在现有的对数据速率为Rbps的二进制数据进行“码率为1/K的卷积编码+码片速率为R*K*N”的扩频组合方案下，不能同时达到“获得N*K的扩频增益”和“扩频序列不会被卷积码分割为K段，从而接收机可以通过相关和匹配滤波操作获得扩频码同步”这两种优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种直接序列扩频码与卷积码混合编码方法，包含以下步骤：

S1、提供一个由2^K个长度为M的伪随机扩频序列组成的扩频码集合；

S2、将所述扩频码集合中的2^K个扩频序列按任意顺序编号；所述编号为K位的二进制数；

S3、对速率为Rbps的源数据进行码率为1/K的卷积码编码；

S4、将卷积编码后速率为R*Kbps的卷积码编码数据依次以K比特为单位分组；每组的K个比特对应一个伪随机扩频序列，且每组的K个比特的十进制大小与伪随机扩频序列的K位的二进制数编号的十进制大小相同；每组的K个比特编码为M个码片；

S5、K个比特的分组数据被映射为长为M的扩频码片后，按照原来的分组先后顺序进行排列，形成最终的混合编码数据流。

进一步地，所述伪随机序列为m序列、gold序列、barker序列中的一种。

进一步地，所述扩频码集合中的2^K个伪随机扩频序列具有互相关特性和自相关特性。

本发明将卷积码与扩频序列组合编码，在使用本发明的组合编码方法后，可以使得对源速率为Rbps的二进制数据进行码率为1/K的卷积码编码和长度为M的扩频序列扩频后，一方面，长度为M的扩频序列不会被卷积编码分割为K段，从而扩频接收机可以方便地通过相关检测或匹配滤波的方式实现扩频码同步，以保证接收性能；另一方面保证扩频后的码片速率为M*R，而不是M*R*K，从而节省了无线带宽；另一方面保证了扩频增益为M，而不是M/K。

不失一般性地，假设编码前二进制数据速率为Rbps，选用的卷积码码率为1/K，扩频码序列长度为M，要求及编码后的码片速率为R*M。

第一步，需要设计一个由2^K个长度为M的伪随机扩频序列组成的扩频码集合。要求该集合中的2^K个伪随机扩频序列具有良好的互相关特性和自相关特性，常用的伪随机序列有m序列、gold序列、barker序列等，应用者可以根据需求自行选取。

第二步，将伪随机扩频序列集合中的2^K个扩频序列按任意(应用者自行决定)顺序编号为0,1,2,3，…,2^K-1。这些十进制表示的编号可以用K位二进制数表示。

第三步，对速率为Rbps的源数据进行码率为1/K的卷积码编码，编码多项式和约束长度应用者可以根据需要自行选取，这两个参数不会影响本发明的实施，只会影响到获得的卷积码编码增益。

第四步，将卷积编码后速率为R*Kbps的卷积码编码数据依次以K比特为单位分组。每组的K个比特对应一个K位二进制数，其大小范围为0到2^K-1，这与“第二步”中准备的伪随机扩频序列集合中的伪随机扩频序列数目范围相同。将每组的K个比特对应的大小为N(取值范围为0到2^K-1)的K位二进制数编码为伪随机扩频序列集合中编号为N的伪随机扩频序列，从而完成卷积码和伪随机扩频序列的组合编码。每组的K个比特编码为M个码片。

第五，K比特的分组数据被映射为长为M的扩频码片后，按照原来的分组先后顺序进行排列。形成最终的编码数据流。

本发明将卷积码与扩频序列组合编码，在使用本发明的组合编码方法后，可以使得对源速率为Rbps的二进制数据进行码率为1/K的卷积码编码和长度为M的扩频序列扩频后，具有如下优点：

(1)长度为M的扩频序列不会被卷积编码分割为K段，从而扩频接收机可以方便地通过相关检测或匹配滤波的方式实现扩频码同步，以保证接收性能；

(2)保证扩频后的码片速率为M*R，而不是M*R*K，从而节省了无线带宽；

(3)保证了扩频增益为M，而不是M/K。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的卷积编码器结构及示例

图2是通过对卷积码分组及映射实现组合编码过程示例

具体实施方式

不失一般性地，以R等于10(但不限于10)、K等于2(但不限于2)和M等于31(但不限于31)为例。在这种情况下，卷积码编码码率为1/2，伪随机扩频序列长度为31，数据速率为10bps。

本发明所述的混合编码方法具体实施过程为：

第一步，设计一个有4个长度为31的伪随机扩频序列组成的扩频码集合。此处选用gold序列来生成伪随机扩频序列。4个伪随机序列分别为:

Sa＝“1000010101110110001111100110100”

Sb＝“1000011010100100010111110110011”

Sc＝“0101000111111101110100101000100”

Sd＝“0110010011011111001010011011000”

第二步，将伪随机扩频序列集合中的4个扩频序列按任意(应用者自行决定)顺序编号为0,1,2,3。本实施方式中选取的编号方案为：Sa对应编号0；Sb对应编号1；Sc对应编号2；Sd对应编号3。

第三步，对速率为10bps的源数据进行码率为1/2的卷积码编码，编码多项式和约束长度应用者可以根据需要自行选取。本实施方案中选取的卷积码编码约束长度为4，编码多项式为(d，f)，其中d,f为十六进制数值。如图1所示，图1中上半部分给出了卷积编码器结构，其中两个加法器为二进制加法器；下半部分以序列“…10110110”(注：本发明关于数据流的叙述中，“”号靠右侧的比特为时间上较早发出的比特，下同。)为输入，给出了编码示例。在图1示例中，上面加法器的输出数据流为“…01101”,下面加法器的输出数据流为“…00110”。两个加法器的输出通过并串转换后得到最终卷积编码输出数据流“…0001111001”。

第四步，将卷积编码后速率为10*2＝20bps的卷积码编码数据依次2比特为单位分组。每组的两个比特对应一个2位二进制数，其大小范围为0到3，这与“第二步”中准备的伪随机扩频序列集合中的伪随机扩频序列数目范围相同。将每组的2个比特中：“00”编码为Sa＝“1000010101110110001111100110100”；“01”编码为Sb＝“1000011010100100010111110110011”；“10”编码为Sc＝“0101000111111101110100101000100”；“11”编码为Sd＝“0110010011011111001010011011000”。从而完成卷积码和伪随机扩频序列的组合编码，每组的2个比特编码为31个码片。如图2所示。组合编码后的输出数据流为：“…；1000010101110110001111100110100；1000011010100100010111110110011；0110010011011111001010011011000；0101000111111101110100101000100；1000011010100100010111110110011”。

第五，2比特的分组数据被映射为长为31的扩频码片后，按照原来的分组先后顺序进行排列，形成最终的编码数据流。以图2的示例，最终编码数据流为“…；1000010101110110001111100110100；1000011010100100010111110110011；0110010011011111001010011011000；0101000111111101110100101000100；1000011010100100010111110110011”。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。