數(shù)字通信中卷積交織盲識(shí)別方法?

張 玉，張偉杰，楊曉靜

（解放軍電子工程學(xué)院，合肥230037）

數(shù)字通信中卷積交織盲識(shí)別方法?

張 玉，張偉杰，楊曉靜

（解放軍電子工程學(xué)院，合肥230037）

分析了卷積交織原理和交織器中移位寄存器的工作方式。在無(wú)任何輔助信息下，利用卷積交織器中移位寄存器所設(shè)初始值被交織后在交織序列中保持不變的特性，提出疊加法來(lái)確定交織序列中原移位寄存器初始值位置，并以此對(duì)卷積交織器支路數(shù)和每條支路增加的移位寄存器數(shù)這兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。為保證疊加結(jié)果的正確性，同時(shí)提出一種判決準(zhǔn)則對(duì)疊加法的工作范圍進(jìn)行估計(jì)。仿真表明，疊加法和重要參數(shù)估計(jì)算法結(jié)合可在一定低信噪比下有效地實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)估計(jì)和序列盲識(shí)別。

數(shù)字通信；卷積交織；盲識(shí)別；疊加法；信息截獲

1 引言

在數(shù)字通信中，傳輸信息不可避免要受到各種干擾而產(chǎn)生誤碼錯(cuò)誤，其中包括隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤。工程實(shí)踐中常用交織器來(lái)解決突發(fā)性錯(cuò)誤，主要包括分組交織器、卷積交織器和隨機(jī)交織器。其中卷積交織器與分組交織器的距離特性相似，但卷積交織器實(shí)現(xiàn)交織的端到端最大時(shí)延與存儲(chǔ)空間和分組交織相比都少了一半［1］，縮短了交織的處理時(shí)間，因此在數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和軍事通信中有廣泛應(yīng)用。

在信息截獲領(lǐng)域，卷積交織的識(shí)別已成為整個(gè)信息截獲過(guò)程中不可缺少的一步，因此研究卷積交織的識(shí)別對(duì)于軍事通信中截獲和干擾都是有重要意義的。而且卷積交織要求卷積交織器與解交織器操作的輸入和輸出的轉(zhuǎn)換器必須同步，增加對(duì)信息傳輸控制的復(fù)雜度。如果將盲識(shí)別技術(shù)引入到解交織過(guò)程中去，就可以克服同步所產(chǎn)生的限制，實(shí)現(xiàn)智能通信。關(guān)于卷積交織盲識(shí)別技術(shù)此類(lèi)的文獻(xiàn)屬于信息截獲領(lǐng)域，目前可以找到的國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的參考文獻(xiàn)較少，本文從分析硬件構(gòu)造的新角度出發(fā)，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探索，提出盲識(shí)別方法。

2 卷積交織器原理

卷積交織器是一種連續(xù)工作的交織器［2］，如圖1所示。

如圖1，在交織器輸入端，信息序列在切換開(kāi)關(guān)的作用下依次進(jìn)入N條支路，周而復(fù)始。每條支路的移位寄存器數(shù)以B的倍數(shù)增加，即第i條支路比第i-1條多B個(gè)碼字的存儲(chǔ)空間，第一條支路無(wú)移位寄存器。交織器的輸出端采用同步的切換開(kāi)關(guān)，將交織序列發(fā)送到信道。而解交織器的結(jié)構(gòu)與交織器相反，即各個(gè)支路的移位寄存器數(shù)與交織器相反，第一支路延遲（N-1）B的符號(hào)周期，第二路延遲（N-2）B的符號(hào)周期，第N路則無(wú)延遲。解交織器的輸入端也要采用相同的切換開(kāi)關(guān)，在同步的情況下解交織器進(jìn)行相反操作便可得到原始信息序列［3，4］。交織器的延時(shí)di與解交織器每條支路的延時(shí)d′i分別為

例如取N=3，B=2，信息序列為C=（c1，c2，c3，…，c21），并取移位寄存器的初始值為1，經(jīng)過(guò)卷積交織后得到交織序列為C=c1，1，1，c4，1，1c7，c2，1，c10，c5，1，1c13，c8，c3，c16，c11，c6，c19，c14，c91，c17，c12，1，c20，c15，1，1，c18，1，1，c21，轉(zhuǎn)換成矩陣表示為

通過(guò)卷積交織原理與例子來(lái)看，當(dāng)卷積交織器確定時(shí)，支路數(shù)N與移位寄存器數(shù)B就被確定，卷積交織便可形成。因此對(duì)N與B這兩個(gè)重要參數(shù)的估計(jì)就成為對(duì)卷積交織序列盲識(shí)別的關(guān)鍵。

3 卷積交織盲識(shí)別理論分析

3．1 卷積交織序列對(duì)稱(chēng)性及N、B與截獲數(shù)據(jù)一般關(guān)系

分析上一節(jié)的例子發(fā)現(xiàn)，得到的交織序列C′是以碼字c11對(duì)稱(chēng)，即以c11為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)對(duì)折后，兩端的原信息序列的碼字ci相互重合，原移位寄存器的初始值“1”相互重合。這種現(xiàn)象對(duì)于卷積交織器是具有一般性的，產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象主要是因?yàn)榻豢椘髦杏布?gòu)造，尤其是移位寄存器的位置分布。利用此性質(zhì)可實(shí)施對(duì)卷積交織重要參數(shù)的估計(jì)。上一節(jié)中的例子也反映出了N、B與截獲數(shù)據(jù)之間的具體關(guān)系。

下面分別從信息序列總碼字長(zhǎng)度為奇數(shù)和信息序列總碼字長(zhǎng)度為偶數(shù)兩個(gè)方面論證卷積交織序列對(duì)稱(chēng)性具有一般性和N、B與截獲數(shù)據(jù)之間的一般關(guān)系。

設(shè)二進(jìn)制隨機(jī)｛0，1｝信息序列長(zhǎng)度M為

此信息序列經(jīng)過(guò)N與B確定的卷積交織器，得到的交織序列第一位碼字為c1，之后的碼字為B的原移位寄存器初始值“1”。根據(jù)卷積交織原理，可以得到在信息序列c2被交織時(shí)，c2前一時(shí)刻被交織的碼字為原信息序列碼字，其在信息序列中的碼位i′為

即信息序列的的第（N-1）B+N個(gè)碼字于c2前一時(shí)刻被交織。當(dāng)c2被交織后，交織序列中原移位寄存器初始值“1”由連續(xù)的B個(gè)變?yōu)锽-1個(gè)。同樣在c3、c4被交織后，移位寄存器初始值“1”的數(shù)目再次變化，以此類(lèi)推，直至對(duì)稱(chēng)點(diǎn)cm+1。

信息序列碼字c2m+1是最后一個(gè)被交織的碼字，從后向前觀察交織序列在c2m被交織時(shí)，原理同上，c2m前一時(shí)刻被交織的碼字為原信息序列碼字，其在信息序列中的碼位i″為

當(dāng)c2m被交織后，交織序列中原移位寄存器初始值“1”由連續(xù)的B個(gè)變?yōu)锽-1個(gè)。同樣在c2m-1、c2m-2被交織后，移位寄存器初始值“1”的數(shù)目再次變化，以此類(lèi)推，直至對(duì)稱(chēng)點(diǎn)cm+1。這樣就可以得到卷積交織序列通式：

式（7）的具體描述如圖2所示。

通過(guò)圖2（a）與（b）的對(duì)比后可以看出，交織序列中原移位寄存器初始值“1”是以cm+1為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的，因此可以知信息序列長(zhǎng)度為奇數(shù)時(shí)交織序列具有對(duì)稱(chēng)性。同理，當(dāng)信息序列長(zhǎng)度為偶數(shù)時(shí)，可得交織序列通式為

式（8）反映出N、B與截獲數(shù)據(jù)之間的一般關(guān)系。同樣當(dāng)信息序列長(zhǎng)度為偶數(shù)時(shí)，交織序列也具有對(duì)稱(chēng)性，對(duì)稱(chēng)點(diǎn)在交織序列碼字cm與cm+1之間。

通過(guò)對(duì)稱(chēng)性可以發(fā)現(xiàn)，移位寄存器初始值“1”在交織序列中的分布與N和B有著直接的關(guān)系，利用此性質(zhì)便可進(jìn)行卷積交織重要參數(shù)估計(jì)。

3．2 卷積交織重要參數(shù)估計(jì)算法

根據(jù)卷積交織原理可以得到如下結(jié)論：無(wú)論輸入的信息序列是怎樣的0、1組合，經(jīng)過(guò)同一卷積交織器后，得到的多個(gè)卷積交織序列中總有一些碼位上的碼字是不變的。分析第2節(jié)的例子，當(dāng)我們確定使用卷積交織器的規(guī)格后，即N與B確定后，在矩陣兩側(cè)的“1”不會(huì)隨信息序列C的變化而改變。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，在二進(jìn)制信息序列下當(dāng)選取不同的C時(shí)，矩陣C′中只有ci在變化，而其它位置的碼字不變。進(jìn)一步分析可以得到這些不變的碼字恰好是移位寄存器的初始值，即沒(méi)有被信息序列填充前的移位寄存器的值，例子中我們?cè)O(shè)移位寄存器的初始值為1，所以沒(méi)有變化的位置上的數(shù)始終保持為“1”。初始值理論上可以設(shè)定為任何實(shí)數(shù)，一般依據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類(lèi)型來(lái)確定。這里討論的信息序列為二進(jìn)制，因此移位寄存器的初始值可以設(shè)為0或1，為了全文討論方便，這里統(tǒng)一設(shè)置為1。

不變碼字所對(duì)應(yīng)的碼位與支路數(shù)N和移位寄存器數(shù)B是有著一定的關(guān)聯(lián)性，實(shí)際上這些碼位可以反映出N與B的有關(guān)信息，原因在于卷積交織器的構(gòu)造。為了保證原始信息序列在傳輸過(guò)程中具有連貫性和可控性，方便接收方實(shí)現(xiàn)解交織，交織器在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格保證從上至下每條支路所增加的移位寄存器數(shù)B是固定的。我們可以具體化這種硬件構(gòu)造，它與樓梯構(gòu)造一樣，交織方是“上樓”，解交織方是“下樓”，我們觀察式（3）中“1”的部分和圖1可得出此結(jié)論。因此，通過(guò)對(duì)“1”的分析可得到B。下面將上述分析轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)表示。

分析得到的卷積交織序列可以得到這樣一種規(guī)律：交織序列的第1位總是信息序列的第1位，而從第2位開(kāi)始便是連續(xù)的j（j≥1）個(gè)1（移位寄存器的初始值），事實(shí)上支路數(shù)N：

然后繼續(xù)向后觀察，如果再次出現(xiàn)i（i≥0）次連續(xù)的j個(gè)1出現(xiàn)，就可以得到每條支路增加的移位寄存器數(shù)B：

下面利用第2節(jié)中具體例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)規(guī)律，觀察在第2節(jié)中提到交織序列矩陣C′，發(fā)現(xiàn)第1位交織序列為信息序列c1，然后連續(xù)的j=2個(gè)1，后面是信息序列c4，再次跟著i=1次兩個(gè)連續(xù)的1，之后便沒(méi)有兩個(gè)1的出現(xiàn)。再向后跳過(guò)兩個(gè)信息序列是一個(gè)單個(gè)的1，再跳過(guò)同樣數(shù)目的信息序列再次出現(xiàn)i=1次單個(gè)的1。利用上述提到的算法，將數(shù)據(jù)套用到公式（9）與（10）中，就可以估計(jì)出N=2 +1=3，B=1+1=2。

3．3 移位寄存器初始值的確定以及判決疊加法應(yīng)用范圍的準(zhǔn)則

通信中實(shí)際情況是信息序列C一般為｛0，1｝序列，因而在交織序列中就包含移位寄存器初始值1和信息序列的碼字1，而不是我們上述分析中用到的ci。這里提出疊加法解決這個(gè)問(wèn)題。所謂疊加法就是利用移位寄存器初始值1始終保持不變的特性，進(jìn)行多次交織數(shù)據(jù)采樣后，將所有采樣樣本進(jìn)行疊加或‘與’運(yùn)算，移位寄存器初始值就會(huì)隨著疊加次數(shù)而凸現(xiàn)出來(lái)，得到相對(duì)穩(wěn)定的最高幅值，通過(guò)最高幅值的位置就可得出交織序列中哪些1為原寄存器初始值，進(jìn)而再對(duì)N與B值實(shí)施估計(jì)，最后再利用N與B實(shí)現(xiàn)各組交織序列的盲識(shí)別。

在對(duì)疊加法的分析與實(shí)際仿真中發(fā)現(xiàn)，在噪聲干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，疊加法所產(chǎn)生的移位寄存器初始值1位置處的最高幅值會(huì)因?yàn)樵肼暤脑?，在多次疊加后也可以保持穩(wěn)定，但是這些穩(wěn)定的幅值所提供的碼位并不能準(zhǔn)確反應(yīng)出原移位寄存器初始值在交織序列中的位置。

綜上提出一種基于提高信噪比的判決方法來(lái)驗(yàn)證疊加法可工作的范圍。判決步驟如下：

（1）利用疊加法得到相關(guān)的波形后，觀察經(jīng)過(guò)多次改變信號(hào)源的發(fā)送數(shù)據(jù)后波形的最高幅值是否穩(wěn)定；

（2）若不穩(wěn)定，增加疊加次數(shù)或信號(hào)個(gè)數(shù)，直至波形的最高幅值穩(wěn)定；

（3）若穩(wěn)定，亦不能說(shuō)明結(jié)果正確，需要在更好的信道信噪比環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)截獲，觀察波形的最高幅值是否還穩(wěn)定；

（4）在提高信道信噪比的情況下，若不穩(wěn)定，最高幅值有變化，說(shuō)明噪聲干擾嚴(yán)重，疊加結(jié)果不可用，繼續(xù)提高信噪比，直至最高幅值不隨信噪比變化而變化，此時(shí)疊加結(jié)果可用；

（5）在更好的信道信噪比環(huán)境中進(jìn)行相同數(shù)據(jù)截獲情況下，若穩(wěn)定，說(shuō)明疊加結(jié)果可用。

如果只是通過(guò)直接觀測(cè)波形來(lái)進(jìn)行疊加，會(huì)缺乏客觀的指標(biāo)，從而使其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用大受限制，因此應(yīng)將波形轉(zhuǎn)換為具體指標(biāo)。通用算法為將所得波形量化，設(shè)置門(mén)限H，門(mén)限H比最大值略小，大于H的值統(tǒng)一量化為1，小于H的值統(tǒng)一量化為0，再套用第3.2節(jié)給出的估計(jì)算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

4 卷積交織盲識(shí)別仿真分析

在有噪環(huán)境下對(duì)卷積交織序列的盲識(shí)別中，采用6個(gè)伯努利二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)源，設(shè)信息序列長(zhǎng)度均為M=21，每個(gè)信號(hào)源采用不同的種子保證輸出的信息序列為隨機(jī)且均不相同；交織器采用Simulink自帶卷積交織器［5］，每個(gè)交織器的參數(shù)均設(shè)為N=3，B=2，作為信息截獲方不知道N與B的數(shù)值；移位寄存器初始值設(shè)為1；并在每條線路添加一個(gè)加性高斯白噪聲（AWGN）信道，并動(dòng)態(tài)調(diào)整其中的信噪比（SNR）；在信道兩側(cè)添加BPSK調(diào)制與BPSK解調(diào)，將經(jīng)過(guò)此種處理的交織數(shù)據(jù)發(fā)送，截獲方截獲這6組交織數(shù)據(jù)。

因?yàn)橛性肼曈绊懀詫⒔孬@的交織數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加運(yùn)算，這里用加法器實(shí)現(xiàn)。設(shè)置一個(gè)門(mén)限來(lái)精確1與0的讀取，門(mén)限設(shè)置原則是經(jīng)過(guò)H次采樣的話就可以設(shè)置門(mén)限為H，大于H取1，小于H取0。當(dāng)信噪比RSNR=-2時(shí)，確定信號(hào)源所采用的種子后，輸出的波形如圖3所示。這時(shí)需要判斷所得波形是否可以作為正確的疊加結(jié)果，進(jìn)而可以給3.2節(jié)所提出的重要參數(shù)估計(jì)法提供數(shù)據(jù)。

疊加結(jié)果的判決準(zhǔn)則在第3.3節(jié)給出，為使討論問(wèn)題更具有針對(duì)性，假設(shè)截獲信息方可以在更好的信噪比下截獲使用相同卷積交織器的不同信息。如果再次截獲的信息的最高幅值有變化，則此波形受噪聲干擾過(guò)大不可用；反之，最高的幅值保持穩(wěn)定，可利用波形圖提供的信息，量化數(shù)據(jù)后進(jìn)行N與B的估計(jì)。多次改變信號(hào)源所采用的種子后，即不斷改變發(fā)送信息，發(fā)現(xiàn)波形圖最高幅值的位置不變，但當(dāng)RSNR=-1 dB時(shí)，波形圖如圖4所示，與圖3的最高幅值不同，說(shuō)明RSNR=-2 dB時(shí)的疊加結(jié)果不可用，此時(shí)判斷出針對(duì)此交織器疊加法的應(yīng)用范圍為信噪比不小于-1 dB。

此時(shí)如果第三方可截獲到更多不同的交織序列進(jìn)行疊加，并取較精確的門(mén)限，可以在更低信噪比下取得更好的盲識(shí)別效果?；蛘呷绻谌娇山孬@的交織序列數(shù)有限，則要首先進(jìn)行降噪處理，獲得更高信噪比下的交織序列，這樣也可以達(dá)到預(yù)定的盲識(shí)別效果。

當(dāng)信息序列長(zhǎng)度均為N=21，且RSNR=-1 dB時(shí)，采用6個(gè)信號(hào)源可完成對(duì)卷積交織序列的盲識(shí)別，輸出的波形如圖4所示。

因?yàn)樵肼暤挠绊懯羌有缘?，所以移位存?chǔ)器的初始值始終保持為1±dn，dn是噪聲在幅度上的影響，而且經(jīng)過(guò)多次改變信號(hào)源所采用的種子和提高信噪比后，所得波形的最高幅值穩(wěn)定，此時(shí)的疊加結(jié)果可用。本仿真可設(shè)置門(mén)限H=6，將圖形中信息直接轉(zhuǎn)換為向量數(shù)據(jù)：（0，1，1，0，1，1，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0），這樣可得到兩個(gè)連續(xù)的兩個(gè)1和兩個(gè)連續(xù)的一個(gè)1，由此得出N=3，B=2。與仿真中所用的卷積交織器的參數(shù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)一致，盲識(shí)別成功。

為了驗(yàn)證方法具有普遍性，將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度增加，均為M=64；截獲方截獲18組相同交織器交織的數(shù)據(jù)；交織器的參數(shù)均設(shè)為N=4，B=3，移位寄存器初始值設(shè)為1，同樣截獲方不知N與B的數(shù)值。利用判決準(zhǔn)則估計(jì)出此時(shí)疊加法的工作范圍信噪比應(yīng)不小于5 dB，得到的波形圖如圖5所示。

同樣設(shè)置門(mén)限H=18，轉(zhuǎn)換為向量數(shù)據(jù)：（0，1，1，1，0，1，1，1，01，1，1，0，0，1，1，0，0，1，1，0，0，1，1，0， 0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0），結(jié)合重要參數(shù)估計(jì)算法分析此向量，可得到3個(gè)連續(xù)的3個(gè)1、3個(gè)連續(xù)的兩個(gè)1和3個(gè)連續(xù)的一個(gè)1，由此得出N=4，B=3。與仿真中信息發(fā)送端所用的卷積交織器的參數(shù)對(duì)一致，識(shí)別成功。

5 結(jié)論

本文針對(duì)卷積交織識(shí)別提出了全新的解決方法。首先理論上證明了卷積交織盲識(shí)別的可行性，并給出了具體盲識(shí)別方法。仿真表明，在一定低信噪比環(huán)境下本文所提出的盲識(shí)別方法能有效地估計(jì)出支路數(shù)N和每條支路存儲(chǔ)器的增加數(shù)B。因此，此卷積交織識(shí)別方法可為信息截獲技術(shù)和智能化通信提供重要參考。

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LI He-bing，YUAN Jie-ping，KONG Jun-xia，et al.Simulink in Communication Simulations［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.（in Chinese）

ZHANG Yu was born in Hefei，Anhui Province，in 1962.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research direction is signal and information processing.

張偉杰（1985—），男，吉林省吉林市人，2008年于吉林大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾诺谰幋a盲識(shí)別；

ZHANG Wei-jie was born in Jilin，Jilin Province，in 1985. He received the B.S.degree from Jilin University in 2008.He is now a graduate student.His research direction is blind identification of channel coding.

Email：zhweijie521＠yahoo.com.cn

楊曉靜（1963—），女，湖北武漢人，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

YANG Xiao-jing was born in Wuhan，Hubei Province，in 1963.She is now an associate professor and also the instructor of graduate students.Her research direction is signal and information processing.

A Blind Recognition Method of Convolutional Interleaving in Digital Communication

ZHANG Yu，ZHANG Wei-jie，YANG Xiao-jing
（Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）

The principle of convolutional interleaver and the working mode of shift registers are analysed.Two parameters，including the numbers of branches and added shift registers in the every branch，can be estimated without any side information through an overlapping method.This overlapping method makes use of the invariability of the initial values in the shift registers which are added to the convolutional interleaving sequence and are not changed by any original information sequence.A decision criterion is also proposed to estimate the validity of overlapping result.The simulations show the overlapping method can estimate parameters and realize convolutional interleaving sequence without any side information at low signal-to-noise ratio（SNR）environment.

digital communication；convolutional interleaving；blind identification；overlapping；information intercepting

TN919.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.013

張玉（1962—），男，安徽合肥人，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；

1001-893X（2011）05-0062-05

2010-11-03；

2011-03-07