一种自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信方法和系统

摘要

本发明公开了一种自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信方法和系统，所述方法包括：采用网格编码调制和多进制脉冲位置调制组成TCM-MPPM编码联合调制；在接收端进行信息自同步采集和自适应解调与译码。本发明能够使系统提高误码性能，自动调整时隙偏移，在提高通信效率的同时，保证了系统的可靠性。

说明书

技术领域

    本发明涉及通信领域，具体涉及一种自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信方法和系统。

背景技术

在目前采用多进制脉冲位置调制（MPPM）方案的通信系统中，存在以下问题：

（1）单纯的MPPM调制不具备纠错能力，需加入信道编码，使通信系统具有纠错能力的同时，又要兼顾系统的有效性和实时性，因此编译码的复杂度不能很高。

（2）由于收发两端的晶振不同步，接收端接收到的信号会随着通信时间的增长而出现信息的时隙偏移，导致接收端译码错误。为了避免时隙偏移造成译码错误，原始的解决办法是增加同步帧的插入频率。这样虽然可以实现成功通信，但是大大限制了通信系统的通信效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信方案，在无线光通信或超宽带无线通信系统等采用MPPM调制解调方法的应用场合中运用本方案，能够获得如下效果：

    （1）使系统在提高误码性能的同时，具有高的传输效率；

    （2）在接收端采用基于最大似然的解调联合译码方式，无需进行阈值门限的设定，简化译码算法，同时使接收端对信道的时变具有更强的鲁棒性；

    （3）在TCM-MPPM的解调联合译码过程中加入自同步算法，使系统可自动调整由于通信时间的增长而出现的时隙偏移，从而在提高通信效率的同时，保证了系统的可靠性。

本发明的技术方案：

    一种自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信方法，包括：

 基于多进制脉冲位置调制的网格编码联合调制；

    在接收端进行信息自同步采集与自适应解调与译码。

所述的基于多进制脉冲位置调制的网格编码联合调制,简称TCM-MPPM编码调制，其步骤包括：

（1）将固定长度的待发送数据按卷积码编码器输入长度分组，每组依次送入卷积码编码器中，得到多组相应的输出编码比特序列；

（2）计算出将每组编码比特序列映射到PPM信号后，PPM信号高电平出现的位置；

（3）按照帧格式，将帧同步头段与帧信息段组合好，并填入待发送缓存中准备发射；

（4）TCM-MPPM发射端将发送缓存中的内容发射出去，完成一个通信帧的一次发射。

所述的信息自同步采集过程如下：接收端首先进行同步头检测，并将同步头段后面的所有信息全部采集并记录下来后，通过时隙偏移纠正程序纠正时隙的偏移，使接收到的TCM-MPPM调制信号与发射的TCM-MPPM调制信号同步。

所述的同步头检测步骤包括：

    （1）建立两个数据存储窗口，分别为一个用于存放采样点的大窗口和一个可以在大窗口内滑动用来寻找大窗口内最大值的小窗口；

    （2）将这两个窗口内的值全部初始化为0；

    （3）接收端每读取一次模数转换结果，就将该结果存入大窗口中，本次采样值以及之前连续几次的采样值存入小窗口中；

    （4）计算小窗口内本次值之和，并与上一次的和值比较，若本次和值大于或等于上一次的和值，则将当前小窗口距离大窗口起始点的偏移量记录下来；若本次和值小于上一次的和值，则继续保留上次记录的偏移量；

    （5）重复步骤（3），直至大窗口采集满时，即可找到这个大窗口中和连续几次采样结果最大的那个位置，把这个最大值出现的位置判定为光脉冲出现的位置，也即找到了一个同步头段的光脉冲；

    （6）重复步骤（2），找到下一个大窗口内的光脉冲的位置，再与前一组采样值中光脉冲的位置作比较，若这两组中光脉冲出现的位置相同，则表明又找到了一个同步头段的光脉冲；若这两组中光脉冲出现的位置不同，则认为前一组中光脉冲位置为一次误判，将本组中光脉冲记为同步头段的第一个光脉冲；

    （7）重复步骤（2），直到检测到与帧格式中定义的同步头段完全相同的光脉冲，完成同步头的检测。

所述的时隙偏移纠正程序步骤包括：

    （1）根据信息帧的格式计算出对TCM-MPPM调制信号的采样点的位置；

    （2）判定信息帧内采样点中光脉冲出现的位置；

    （3）对比实际采样出来的光脉冲的位置与TCM-MPPM标准信号中光脉冲出现的位置，判断帧信息段的光脉冲是否发生偏移；

    （4）若没有发生偏移，则直接将对该信息帧的采样结果进行存储；若发生了偏移，则按照偏移量对其进行调整，将调整后的结果进行存储；

（5）重复步骤（1），直至全部的帧信息段处理结束，并将无偏移的信息帧按顺序存储。

所述的自适应解调与译码步骤包括：

    （1）对分支量度进行计算和比较，选择最小的分支量度以消除平行转移路径；

    （2）计算并比较路径量度，选择并存储路径量度最大的路径作为存活路径，同时存储相应的寄存器状态值；其中，路径量度等于达到各状态分支量度之和；

    （3）重复步骤（1）， 继续计算下一组信号的分支量度，更新路径量度以及存留路径矩阵和留存映射矩阵；

    （4）到达一定译码深度后，选择存活路径中路径量度最大的一条进行回溯译码算法，将回溯译码结果存入译码结果缓存器中。

附图说明

图1为自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信系统框图。

图2为(4,3,2)卷积码编码器结构图。

图3为(4,3,2)卷积码编码器网格图（其中实线为输入0，虚线为输入1）。

图4描述了TCM-16PPM信号集分割情况。

图5描述了TCM-MPPM通信帧格式。

图6为TCM-MPPM调制信号发射流程图。

图7为本发明中的同步头检测流程框图。

图8为本发明中的时隙偏移的纠正流程框图。

图9为本发明的硬件平台示例框图。

具体实施方式

下面以一种自适应自同步的TCM-16PPM编码调制解调通信方案为例对本发明作详细说明。

整个自适应自同步的TCM-MPPM编码调制解调通信系统的系统框图如图1所示。

首先，使用PC机的串口向TCM-MPPM发射端发送一组固定长度的信息，TCM-MPPM发射端接收到这组信息后会对信息进行TCM-MPPM编码调制，并使用编码调制后的信号来控制激光器驱动电路驱动激光器，从而实现信号的发射。

TCM-MPPM发射端编码调制及发送的逻辑步骤如下：

1. 将固定长度的待发送数据按卷积码编码器输入长度分组，并一组一组送入卷积码编码器中，得到多组相应的输出编码比特序列；

由于TCM编码调制技术是利用调制信号集的冗余度来获取纠错能力的，因此在本例中，设计了一个(4,3,2)卷积码编码器，具体如图2所示。其网格图如图3所示；

首先将待发送的21个字节（21*8bit）的信息按比特位分解，并且每3个比特位作为一组，共计56组；

接下来将每一组的3个比特分别按顺序送入图2所示的(4,3,2)卷积码编码器中，得到对应的56组4bit的编码比特序列。

2. 计算出将每组编码比特序列映射到PPM信号后，PPM信号高电平出现的位置；

在本例中，编码后的每4bit信息与TCM-16PPM信号之间映射关系如图4所示。由于编码后的4bit信息可以代表十进制的0至15中的某一个数值，而这16个值中的某一个数值在16PPM调制信号中可以用某一个时隙上的高电平来表示，这样就完成了从TCM分集信号到16PPM调制信号的转换，即通过(4,3,2)卷积码编码器输出的这56组4bit的编码比特序列的值，就可以直接确定对应的56个16PPM调制信号的高电平的位置。

3. 按照帧格式，将帧同步头段与帧信息段组合好，并填入待发送缓存中准备发射；

在本例中，定义发射信号的每一个时隙的时间长度为10us。其通信帧格式如图5所示；

示例中，一个通信帧由帧同步头段和帧信息段两部分组成。帧同步头段由三个保护段和三个光脉冲组成，其中保护段持续时间为32个时隙时间，光脉冲持续时间为1个时隙时间。帧信息段由56个信息帧组成，每个信息帧包含一个保护段和信息段，其中保护段续时间为32个时隙时，信息段为一个TCM-16PPM调制信号；

发射端首先在这56个TCM-16PPM调制信号之间插入保护段，形成帧信息段，之后在帧信息段前添加帧同步头段，这样就形成了一个通信帧。随后将通信帧按比特位写入发送缓存中，准备发送。

4. TCM-MPPM发射端将发送缓存中的内容发射出去，完成一个通信帧的一次发射。TCM-MPPM发射端的信息帧发射流程如图6所示。

在本例中的发射端，由于一个时隙的时间长度为10us，因此这里设定了一个10us的定时器中断，每次进入中断时，按照图6所示流程来判断接下来的10us内应该发送高电平还是低电平。具体过程如下：

首先判断同步头段是否发射完毕，若同步头段尚未发射完毕，则进入同步头发射。此时判断同步头段的保护段是否发射完毕，若同步头段的保护段没有发射完毕，则应该发射低电平，并且将同步头段的保护段计数值减一；若同步头段的保护段发射完毕，则应该发射高电平，并且将同步头段光脉冲计数值减一。下一次进入中断时，继续同步头段的发射过程，直至同步头段全部发射完毕，此时会产生一个提示标志，使下次进入中断时开始进入信息段的发射。当进入信息段的发射时，首先要判断是否已经加载当前帧的高电平位置。若没有加载位置信息，则加载位置信息。接下来要判断信息段是否已经发射完毕，若没有发射完毕，则检测信息段的当前信息帧的保护段是否发射完毕，若当前信息帧的保护段没有发射完毕，则发射低电平，当前信息帧的保护段计数值减一。当前信息帧的保护段发射完毕后，就开始发射当前信息帧的信息段。发射信息帧时，首先要判断是否到达发送高电平的位置，若到达该位置，则发射高电平；若没有到达该位置，则发射低电平。当信息帧的高电平发射完毕后，需要判断该信息帧是否已经发射完毕，若发射完毕，则将待发送信息帧计数值减一，重置信息段的保护段计数值；若没有发射完毕，则继续发射该信息帧。这样进行下去，直至全部信息帧发送完毕，就完成了一个通信帧的一次发射，并将待发射次数值减一。此时需要判断是否需要重新发射，若需要重新发射，则重置同步头计数值，同步头段保护段计数值等相关计数值，准备下一次的发射；若不需要重新发射，则表明需要发射的信息已经全部发送完毕，此时产生一个标志位，使下次进入中断时不发射任何信息。这样就完成了一个通信帧的全部发射工作。

上述高低电平信号通过激光器驱动电路来控制激光器的亮灭，从而实现光脉冲的发射，这样就将信息传递出去了。

系统接收部分的光电转换电路将光信号转换为模拟电信号，送入模数转换电路变为数字信号，TCM-MPPM接收端依次进行信息的自同步采集以及解调译码。最后，将译码结果通过串口发送到PC机上显示。

接下来介绍TCM-MPPM接收端的相关技术及逻辑步骤。

通过光电转换电路与模数转换电路后的数据，会被送入处理器进行信息的自同步采集与信息的自适应解调与译码。

为了使接收端可以准确采样到发送端发送的光脉冲，在本例的接收端每2us对读取一次模数转换电路对光电转换电路的转换结果。由于发射端发射的TCM-16PPM每个时隙为10us，接收端采样间隔为2us，因此对每个时隙采集了5个样点。

接收端首先要检测同步头。同步头检测完毕后，由此例的通信帧结构可以确定，接下来的信息为56组TCM-16PPM调制信号以及它们各自的保护段。由于发射端与接收端的系统时钟必然存在一定的误差（例如10ns），随着通信时间的增长，这种误差的累积就会达到很大（例如2us），此时必然会引起通信系统时隙的偏移，导致接收端与发射端信息的不同步，出现无法译码或译码错误等现象，从而使通信失败。因此需将同步头段后的所有信息全部采集并记录下来后，通过通信时隙调整程序纠正时隙的偏移，使接收到的TCM-16PPM调制信号与发射的TCM-16PPM调制信号同步。

将同步头的检测、信号的采集与时隙偏移的纠正过程一同定义为信息的自同步采集过程。同步头检测流程如图7所示，时隙偏移的纠正流程如图8所示。

TCM-MPPM接收端信息自同步采集的逻辑步骤如下：

1. 首先建立两个数据存储窗口，分别为一个用于存放采样点的大窗口和一个可以在大窗口内滑动用来寻找大窗口内最大值的小窗口。接收端每读取一次模数转换结果，就将该结果存入大窗口中；小窗口内装载的是本次采样值以及之前连续几次的采样值。接下来，系统将计算小窗口内几次值之和，并与上一次的和比较，若本次和值大于或等于上一次的和值，则将当前小窗口距离大窗口起始点的偏移量记录下来；若本次和值小于上一次的和值，则继续保留上次记录的偏移量。这样重复比较下去，直至大窗口采集满时，我们就可以找到这个大窗口中和连续几次采样结果最大的那个位置。由于其和值最大，我们就可以把这个最大值出现的位置判定为光脉冲出现的位置，这样就找到了一个同步头段的光脉冲。

在本例中，由于发射端发射的TCM-16PPM每个时隙为10us，接收端采样间隔为2us，即对每个时隙采集了5个样点。在TCM-16PPM示例的帧格中，设定同步头的格式如下： 1个时隙光脉冲+32个时隙低电平+1个时隙光脉冲+32个时隙低电平+1个时隙光脉冲。

示例中，设定大窗口长度为33*5=165，小窗口长度为5。先将这两个窗口内的值全部初始化为0，接下来每隔2us读取一次模数转换结果，并写入大窗口与小窗口中。之后计算小窗口内的5个结果之和，如果当前为第一次计算和，则直接保存当前和值以及当前小窗口距离大窗口起始点的偏移量；如果已经存在了和，则比较当前和与上一次保存下来的和的大小，并将两者之间的较大者的那个值以及对应的偏移量保存下来。该偏移量即表示当前大窗口中连续5个采样值之和最大的位置。这样一直采样并且计算下去，直至填满大窗口时，就找到了当前大窗口内和最大的连续5个采样点的位置，即光脉冲的位置。

2. 接下来，清空上述大窗口和小窗口，同样的方法寻找下一大窗口内的光脉冲的位置，记录下这个位置，并与前一组采样值中光脉冲的位置作比较，若这两组中光脉冲出现的位置相同，则表明又找到了一个同步头段的光脉冲；若这一组中光脉冲的位置与上一组中光脉冲的位置不同，则认为上一组中光脉冲位置为一次误判断，将本组中光脉冲记为同步头段的第一个光脉冲。如此重复判断下去，直到检测到与帧格式中定义的同步头段完全相同的光脉冲，就完成了同步头的检测。

在示例中，找到第一组165个采样点中光脉冲的位置后，用同样的方法寻找下一组165个采样点中的光脉冲的位置，记录下这个位置，并与前一组165个采样点中光脉冲的位置作比较，若这两组165个采样点中光脉冲出现的位置相同，则表明又找到了一个同步头段的光脉冲；若这一组165个采样点中光脉冲的位置与上一组165个采样点中光脉冲的位置不同，则认为上一组中光脉冲位置为一次误判断，将本组采样点中光脉冲记为同步头段的第一个光脉冲。如此重复判断下去，直到将同步头段中的三个光脉冲都检测出来，就完成了同步头的检测。

3. 根据图5所示TCM-MPPM通信帧格式，在同步头段之后就是信息帧段，因此检测到同步头之后，就要将信息帧全部存储下来，准备进行时隙偏移的检测及纠正以及信息段的提取。为了防止由于时隙向后偏移而产生的信息漏接，在存储信息帧段时，应多采集一部分的样点。样点全部采集完毕后，计算接收到的样点的偏移，其原理及方法如下：

由于帧信息段的格式是确定的，因此可以使用前边检测同步头的方法来判断信息帧内光脉冲出现的位置。光脉冲在时隙上的偏移是随着信息帧段的长度增加而逐渐累积产生的，由这一点可知，这种偏移不会出现突变，即只是随着传输数据的增加而逐渐体现，并且偏移量单调递增。当时隙偏移累积到一定数量时就会在采样值上表现出来。由于有同步头段的存在，因此从同步头段结束的位置开始的信息是没有时隙偏移的，时隙的偏移就是从这里之后开始积累的。由于接收信号集是确定的，可以通过对比实际采样出来的光脉冲的位置与标准信号集中光脉冲出现的位置来判断帧信息段的光脉冲是否发生偏移，并且确定偏移量是多少。若该信息帧没有发生偏移，则直接将对该信息帧的采样结果进行存储；若该信息帧发生了偏移，则按照偏移量对其进行调整，将调整后的信息帧存储起来。如此重复下去，直至全部的帧信息段处理结束，并将无偏移的信息帧按顺序存，这样就完成了TCM-MPPM接收端信息自同步采集。

在本例中，调制信号的每个时隙采集5个样点，则对于一个TCM-16PPM调制信号的采样点总计为80个，我们将其编号为0至79。假设时隙没有出现偏移，那么我们可以确定对光脉冲所在位置采样的峰值必定会出现在个位为0-4或5-9的编号的采样点上。例如：某一TCM-16PPM信号的的光脉冲出现在其‘9’位置上，而相应的采样值的峰值应出现在采样点45-49上，其个位为5-9。如果采样峰值出现在了其他位置上，则可以判断时隙出现了偏移。由于这种时隙上的偏移是随传输时间的积累而逐渐增大的，因此只可能由原来的无偏移逐渐偏移到超前一位或者滞后一位，而不会出现突然偏移多位的情况。因此，如果出现了偏移，就可以判断是超前了还是滞后了，并且将偏移及时纠正过来。继续以前文传输TCM-16PPM信号‘9’位置上光脉冲为例，其采样值的峰值应出现在点45-49上，如果出现在了点44-48上，则可以判断向后偏移了一个采样点，只需将从此时可开始的数据向前纠正一位即可。

检测及纠正时隙偏移时，首先根据信息帧的格式计算出对TCM-16PPM调制信号的采样点的位置。由于TCM-16PPM调制信号前有32个时隙的保护段，因此在理论上，每一组(32+16)*5=240个采样点中，点0-159为对保护段的采样点（共160个），点160-239为对TCM-16PPM调制信号的采样点（共80个）。在检测时，假设已经出现了时隙的偏移，因此分析范围是在点160-239（即对TCM-16PPM调制信号的采样点）的基础上，增加点155-159以及下一组240个采样点中的点0-4，共计90个采样点。在这90个采样点中，使用与检测同步头段中判断光脉冲位置相同的方法来判断这90个采样点中光脉冲出现的位置，并记录下来。接着判断记录下来的光脉冲出现的位置的最新的采样点的个位。如果其个位为4或者9，那么说明采样时隙没有发生偏移，不需要调整，直接将点160-239的采样值送入自同步采集的输出结果数组中；如果其个位为3或8，那么说明采样时隙向后偏移了一个采样点，需要进行时隙调整，将点159-238的采样值送入自同步采集的输出结果数组中；如果其个位为0或5，那么说明采样时隙向前偏移了一个采样点，需要进行时隙调整，将点161-239以及下一组的点0的采样值送入自同步采集的输出结果数组中；如果其个位为2或3，那么说明采样时隙向后偏移了两个采样点，需要进行时隙调整，将点158-237的采样值送入自同步采集的输出结果数组中；如果其个位为1或6，那么说明采样时隙向前偏移了两个采样点，需要进行时隙调整，将点162-239以及下一组的点0-1的采样值送入自同步采集的输出结果数组中。如此重复判断与纠正下去，直至将全部TCM-16PPM信号全部调整完毕，并将无偏移的信息帧按顺序存储下来，这样就完成了时隙偏移的检测及纠正。至此，完成了信息的自同步采集。

接下来，TCM-MPPM接收端需要对信息自同步采集后得到的数据进行自适应解调译码。这里对于信息的解调和译码工作是结合在一起完成的。

TCM-MPPM的译码，采用维特比译码算法。维特比译码算法本质是一种最大似然解码，他的原理是通过比较估计译码信号序列在网格图中的路径，找出总量度最大的路径。首先要完成子集译码，因为网格图中每一条分支路径对应一个信号点，选择距离接收信号点距离最小的点为最佳信号点。然后，计算每个子集的信号点与接收到信号之间的距离量度，选择一条最佳的信号路径，使之与接收到的信号序列总的路径量度最大。

TCM-MPPM接收端自适应解调译码的逻辑步骤如下：

1. 对分支量度进行计算和比较，选择最小的分支量度以消除平行转移路径；

在本例中，根据图2所示的编码器结构图，以及图3所示的编码器网格图，可以得到状态转移矩阵和编码映射矩阵。对采样得到的56组16PPM数据信息（每组80个采样点）计算其到达下一种可能状态的量度值。

2. 计算并比较路径量度，选择并存储路径量度最大的路径作为存活路径，同时存储相应的寄存器状态值；

在本例中，需要分别计算这一组数据信息到达下一种可能状态的量度值，找出达到每个状态的最大量度值，计算路径量度，并保存得到最大路径量度值时的状态值和状态转移所对应的输入值，分别存入存活路径矩阵与存活映射矩阵中。其中，路径量度等于达到各状态分支量度之和。接下来重复此过程，继续计算下一组信号的分支度量，更新路径量度以及存留路径矩阵和留存映射矩阵。

3. 到达一定译码深度后，选择存活路径中路径量度最大的一条进行回溯译码算法。之后，将回溯译码结果存入译码结果缓存中，这样就完成了TCM-MPPM接收端的自适应解调译码。由于在译码的过程中，信息维数越大，复杂度越高，而且还有可能出现误码，因此在高信息维数的情况下可以采用截断的方法进行回溯译码；

在本例中，由于维数较小，因此可以在计算全部16PPM信号的分支量度后，再进行路径的回溯。此时，找出4条路径中路径量度最大的一条路径，对该路径进行回溯：在存活路径矩阵中找到对应的状态转移路径，并在编码映射矩阵中找到与该状态转移路径对应的输入值作为译码结果，将该结果存入译码结果缓存中。这样就完成了接收端的自适应解调译码。

接下来，TCM-MPPM接收端通过串口将译码结果缓存中的数据发送给PC机的串口调试助手显示。

信息由发射部分的PC机发出，经过TCM-MPPM发射端的编码调制，通过激光器驱动电路驱动激光器发光，光信号被光电转换电路捕捉，经模数转换电路传输给TCM-MPPM接收端，在TCM-MPPM接收端进行信息的自同步采集以及自适应解调译码后，发送给接收部分PC机显示，这样就完成了一个通信帧的传递过程。如此重复发送多个通信帧，直至全部信息发送完毕即完成了一次通信。

为了实现该示例所述功能，专门设计开发了一套硬件平台。该平台以TI公司C6000系列DSP芯片（TMS320C6713BPYP200）为核心，周围包含有FLASH、SDRAM、ADC、SMA接口以及UART接口。硬件平台框图如图9所示。FLASH、SDRAM以及ADC均连接在DSP的EMIF接口上，SMA接头连接在DSP的GPIO接口上，UART模块连接在DSP的McBsp接口上。FLASH中存储着通信系统的程序，系统上电时会自动加载到DSP芯片中。SDRAM用于存储通信过程中用到的数据。ADC用于对光电转换电路产生的波形进行采样。SMA接口用于驱动激光器。UART接口用于与电脑端交换数据。