專(zhuān)利名稱(chēng)：基于apsk星座圖的星座映射方法、編碼調(diào)制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信息傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種基于APSK星座圖的星座映射方法、編碼調(diào)制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通信系統(tǒng)包括典型的雙向通信系統(tǒng)和單向廣播系統(tǒng)，其根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)誤傳輸。數(shù)字通信系統(tǒng)是采用數(shù)字技術(shù)的通信系統(tǒng)，相對(duì)于模擬通信系統(tǒng)，數(shù)字通信系統(tǒng)能夠可靠地傳輸更高的信息速率。前向差錯(cuò)控制(Forward Error Control，F(xiàn)EC)編碼是數(shù)字通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，是保證傳輸可靠性最為重要的手段之一。為了適應(yīng)數(shù)字信息 在常見(jiàn)信道下的傳輸需求，通常有限域的FEC編碼技術(shù)需要與數(shù)字調(diào)制技術(shù)結(jié)合并進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，并發(fā)展成為編碼調(diào)制(Coded Modulation, CM)技術(shù)。編碼調(diào)制技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的一項(xiàng)核心技術(shù)。所謂調(diào)制，表示對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行變換處理，以得到適于信道傳輸?shù)男盘?hào)，可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制技術(shù)。對(duì)典型的數(shù)字通信系統(tǒng)，數(shù)字調(diào)制主要包括星座映射以及后續(xù)處理，如多載波調(diào)制和成型濾波。所謂星座映射，就是將“比特”向量或序列映射成適于傳輸?shù)摹胺?hào)”向量或序列。每個(gè)符號(hào)的取值空間可以是一維實(shí)數(shù)空間、二維實(shí)數(shù)空間(即復(fù)數(shù)空間或復(fù)數(shù)平面)、或更高維的實(shí)數(shù)空間(例如多天線MMO系統(tǒng)信號(hào)傳輸對(duì)應(yīng)的空間)。星座映射包含兩個(gè)要素，即星座圖和星座映射方式。星座圖是星座映射輸出符號(hào)的所有可能取值的集合，其中星座圖上的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種輸出符號(hào)的取值。星座映射方式，簡(jiǎn)稱(chēng)映射方式，代表輸入比特向量到星座點(diǎn)的特定映射關(guān)系，通常每個(gè)星座點(diǎn)與比特向量一一對(duì)應(yīng)。目前最為常用的星座圖是二維星座圖，主要有正交幅度調(diào)制(QuadratureAmplitude Modulation, QAM)、相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)、和幅度相移鍵控(Amplitude-Phase Shift Keying, APSK)；一維星座圖主要有脈沖幅度調(diào)制(PulseAmplitude Modulation,PAM)。在接收端的解碼解調(diào)系統(tǒng)中，與發(fā)送端星座映射對(duì)應(yīng)的是星座解映射，簡(jiǎn)稱(chēng)解映射。通常，星座解映射依據(jù)星座圖和星座映射方式，結(jié)合信道狀態(tài)信息得到對(duì)應(yīng)接收符號(hào)的一個(gè)或多個(gè)比特的比特軟信息。對(duì)典型的功率和帶寬均受限制的無(wú)線傳輸信道，如寬帶無(wú)線移動(dòng)通信和地面數(shù)字廣播系統(tǒng)的傳輸信道，編碼調(diào)制技術(shù)是傳輸可靠性和系統(tǒng)頻譜效率的重要保證，因此，最新的寬帶無(wú)線移動(dòng)通信和地面數(shù)字廣播系統(tǒng)采用的作為工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的編碼調(diào)制技術(shù)代表了當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的編碼調(diào)制技術(shù)的最高水平。歐洲第二代地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-T2)采用了低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check, LDPC)編碼技術(shù)、比特交織技術(shù)、和高階QAM調(diào)制技術(shù)(包括星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)和IQ交織技術(shù))；歐洲第二代衛(wèi)星數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2)采用了 LDPC編碼技術(shù)、比特交織技術(shù)、和高階APSK調(diào)制技術(shù)；3GPP組織的LTEV8. I提案采用了 Turbo編碼技術(shù)、比特交織技術(shù)、和高階QAM調(diào)制技術(shù)。在學(xué)術(shù)界，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，編碼調(diào)制技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，最為典型的當(dāng)數(shù) G. Ungerboeck 提出網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis CodedModulation, TCM),參見(jiàn)文獻(xiàn) G. Ungerboeck, “Channel coding withmultilevel phase signals,，，IEEE Trans.Inform. Theory, no. 28, pp55_67, Jan. 1982.，以及 E. Zehavi 提出的比特交織編碼調(diào)制(Bit-InterleavedCoded Modulation, BICM),參見(jiàn)文獻(xiàn) E. Zehavi, “8PSK trellis codesfora Rayleigh channel,，，IEEE Trans. Commun. , vol. 40, no. 5, pp. 873-884, May 1992。TCM通過(guò)最大化歐氏距離，使得其在AWGN信道下性能表現(xiàn)優(yōu)異，但是在衰落信道下并不理想；而B(niǎo)ICM則剛好相反，其在AWGN信道下較TCM有所損失，但在衰落信道下有不俗的表現(xiàn)。接收端迭代解映射和解碼的BICM系統(tǒng)，即BICM-ID系統(tǒng)(BICM withlterativeDemapping and Decoding,簡(jiǎn)稱(chēng)BICM-ID)由 Xiaodong Li 等人和 ten Brink等人獨(dú)立提出，參見(jiàn)文獻(xiàn) X. Li and J. A. Ritcey, “Bit-interleaved coded modulation with iterativedecoding using softfeedback,，’Electronics Letters, vol. 34, no. 10,pp.942-943, May1998.和 S.T.Brink,J. Speidel, and R. _H. Yan, “Iterative demapping and decodingformultilevel modulation,，，in Proc. Globecom，98, pp. 579-584. Nov. 1998。BICM-ID 系統(tǒng) 通過(guò)將譯碼輸出的信息反饋回來(lái)作為解映射的先驗(yàn)信息，增大了歐氏距離，從而在AWGN信道下獲得了與TCM同樣好的誤碼性能。但是，傳統(tǒng)BICM-ID有一個(gè)較高的誤碼平臺(tái)，這是因?yàn)榧词顾蟹答伒谋忍匦畔⒍际菬o(wú)誤的，系統(tǒng)的誤碼率依然由外碼的特性(對(duì)于線性碼，主要取決于碼本中最小非零碼重及其個(gè)數(shù))和解映射時(shí)的Harmonic歐氏距離決定，而傳統(tǒng)碼字的最小碼距較小且其對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)非常多。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)EC編碼主要針對(duì)無(wú)記憶信道設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為了適應(yīng)接收端的信道解碼，提高編碼調(diào)制系統(tǒng)在衰落信道下的分集階數(shù)(Diversity Order)，最常見(jiàn)的手段是采用交織技術(shù)，這也是為什么衰落信道下BICM較優(yōu)的根本原因。衡量編碼調(diào)制技術(shù)的一個(gè)根本指標(biāo)是給定頻譜效率和差錯(cuò)控制目標(biāo)的條件下，所需信噪比門(mén)限值與信息論極限的差距。差錯(cuò)控制目標(biāo)通常以誤比特率(Bit Error Rate,BER)或者誤塊率(Block ErrorRate, BLER)表示。根據(jù)信息論基本知識(shí)，對(duì)于給定的編碼調(diào)制系統(tǒng)以及給定的信道條件，信息論界(假設(shè)以信噪比表示)是頻譜效率的單調(diào)遞增函數(shù)，由頻譜效率唯一確定。信息論指出，在加性白高斯噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道下，當(dāng)發(fā)送功率受限時(shí)，只有當(dāng)編碼調(diào)制系統(tǒng)的輸出(對(duì)應(yīng)信道輸入)滿足白高斯分布時(shí)，才能達(dá)到信道容量。同時(shí)信息論中信道編碼定理指出，只要信息傳輸速率(簡(jiǎn)稱(chēng)傳信率)小于信道容量，則必然存在一種信道編碼(此處為廣義信道編碼，而不僅限于有限域中的FEC編碼)，使得信息能夠無(wú)誤傳輸。然而信息論只說(shuō)明逼近信道容量極限的信道編碼的存在性，如何構(gòu)造一個(gè)逼近極限的切實(shí)可行的信道編碼則成為數(shù)十年來(lái)通信領(lǐng)域一直努力追求的目標(biāo)。如圖I所示，在信息論中，信道容量定義為信道的輸入信號(hào)X與輸出信號(hào)Y的最大互信息，c m于/(U)(I)其中P(X)表示輸入信號(hào)X的分布函數(shù)，且P(X)可以為任意概率分布函數(shù)。但是，在實(shí)際的編碼調(diào)制方案中，如圖2所示，信道的輸入信號(hào)X總是受到星座圖集合X的限制而不再可以為任意分布。這種星座圖限制條件下的互信息IxexI(X5Y)則成為一個(gè)實(shí)際編碼調(diào)制方案所能承載的最大信息速率，常被稱(chēng)為星座限制條件下的信道容量，參見(jiàn)文獻(xiàn)E.Biglieri. Coding for wireless channels. Springer Science+BusinessMedia，Inc.，2005。為了區(qū)別于“容量” 一詞，現(xiàn)有技術(shù)中稱(chēng)這種星座限制條件下的信道容量為編碼調(diào)制的平均互信息(average mutual informat ion of coded-modulation，CM-AMI)。CM-AMI也常被稱(chēng)為編碼調(diào)制容量(coded modulation capacity)，參見(jiàn)文獻(xiàn)G. Caire，G. Taricco，E.Biglieri. Bit-interleaved coded modulation. IEEE Trans. Inform. Theory,1998，44(3) :927-946,或者離散輸入連續(xù)輸出離散無(wú)記憶信道(discrete input continuousoutput memory I ess channel, DCMC)容量，參見(jiàn)文獻(xiàn) R. Y. Tee，R. G. Maunder, L. Hanzo.EXIT—chart aidednear-capacity irregular bit-interleaved coded modulationdesign. IEEETrans. Wireless Commun.，2009，8(I) :32_37。在這里，還值得一提的是文獻(xiàn)G. Caire,G. Taricco,E. Biglieri. Bit-interleavedcoded modulation. IEEE Trans. Inform. Theory, 1998，44 (3) :927-946 所述的 BICM 容量 ，如圖3所示。在一個(gè)獨(dú)立解映射的編碼調(diào)制方案中，比如BICM，獨(dú)立解映射通常將帶來(lái)一些損失，在上述文獻(xiàn)中，定義這種獨(dú)立解映射時(shí)編碼調(diào)制的平均互信息為BICM容量。為與上述CM-AMI對(duì)應(yīng)釆用統(tǒng)一的表述方式，稱(chēng)這種BICM容量為BICM的平均互信息(averagemutual information of bitinterleaved coded modulation，BICM-AMI)。值得強(qiáng)調(diào)的是，BICM-AMI并不僅針對(duì)BICM編碼調(diào)制方案，其他獨(dú)立解映射的編碼調(diào)制方案，比如釆用TOL的MLC，也同樣滿足BICM-AMI的限制。對(duì)于AWGN信道，Y = X+N，則上述CM-AMI可以計(jì)算如下
F*V......./ I ^ \ "
Y — Jf Y- V"\ — ft/ — V ImrPifJtifJ門(mén)、
JC'M 一 J IHf. -I t>2/ I \)
I vmx) J其中X表示星座信號(hào)集合，m= Iog2I X I ,M = x表示星座集合的大小,E [ ]表示取均值。上述BICM-AMI定義如下
Iff.— Ifil — I\—'/ _ a \
____\ Af%i -111 I
^BICM = HB1: Y) == m' - 1 .!/(3)
I:={)1=(}2-/Af PIIiHv其中表示第i比特為b的星座信號(hào)子集合。功率受限的AWGN信道下，只有高斯輸入才能達(dá)到信道容量。實(shí)際編碼調(diào)制系統(tǒng)通常采用均勻QAM星座圖，受星座圖的約束，其輸出不服從高斯分布，因此星座圖約束下的信息傳輸速率與信道容量之間存在差距。相應(yīng)地，相比傳統(tǒng)的均勻QAM星座圖，使得星座限制下的輸出更逼近高斯分布的技術(shù)稱(chēng)為Shaping技術(shù)，由此帶來(lái)的增益稱(chēng)為Shaping增益。Shaping技術(shù)由來(lái)已久，最早可以追溯到1984年，在文獻(xiàn)G. Forney Jr，R. G. Gallager，G. R. Lang, F. M. Longstaff, andS. IL Qureshi，“Efficient modulation for band-limitedchannels，，，IEEE J. Select. Areas Commun.，vol. SAC-2, no. 5，pp. 632-646，Sept. 1984。Forney和Gallager等人第一次提出Shaping的概念，并指出釆用等概映射QAM星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)在高頻譜效率時(shí)與信道容量之間存在I. 53dB的差距。學(xué)術(shù)界、工業(yè)界提出了各種Shaping技術(shù)，主要包括
# Forney 提出的 Trellis Shaping，參見(jiàn)文獻(xiàn) G. Forney Jr,“Trellisshaping，” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 38，no. 2，pp. 281-300，Mar. 1992。 非等概率映射的Shaping技術(shù)，參見(jiàn)文獻(xiàn)A. Calderbank and L. Ozarow,‘“‘Non-equiprobable signaling on the Gaussian channel，，，IEEE Trans. Inform.Theory, vol. 36,no. 4,pp. 726-740, Julyl990.和文獻(xiàn)F. R. Kschischang and S. Pasupathy,‘‘Optimalnonuniform signaling for Gaussian channels，，，IEEE Trans. Inform. Theory,vol. 39，no. 3，pp. 913-929，May 1993。
非均勻星座圖Shaping技術(shù)，即使得星座圖各點(diǎn)呈現(xiàn)非均勻特性，從而使得等概映射時(shí)候的輸出信號(hào)更接近高斯分布，參見(jiàn)文獻(xiàn)F.-W. Sun and H. C. A. vanTilborg，‘‘Approachingcapacity by equiprobable signaling on the GaussianChannel，” IEEE Trans. Inform. Theory, vol.39，no.5，pp. 1714-1716，Sept. 1993.和 D. Sommer and G. P. Fettweis，‘‘Signal shaping bynon-uniform QAM for AWGNchannels and applications usingturbo coding，，，in Proc. ITG Conference Sourceand ChannelCoding，pp. 81-86，2000.以及文獻(xiàn) C. Fragouli，R.D.Wesel，D. Sommer andG. FettweisZiTurbo codes with non-uniformconstellations，，，in Proc. ICC’01，vol. 1，pp. 70-73，June 2001。在復(fù)高斯信道下，輸入信號(hào)必須為復(fù)高斯分布才能達(dá)到信道容量。不同于Sun等的一維非均勻PAM星座圖，也不同于非均勻PAM直接推廣的二維的非均勻QAM星座圖，具有圓對(duì)稱(chēng)性的APSK星座圖更接近復(fù)高斯分布。歐洲第二代衛(wèi)星數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2釆用了 APSK作為其高頻譜效率時(shí)的星座圖方案。APSK星座圖呈多層同心圓環(huán)狀，每一環(huán)上的星座點(diǎn)在相位方向均勻分布。Yang和Xie等人基于最大互信息準(zhǔn)則，提出了一種APSK星座圖的設(shè)計(jì)方法，從而設(shè)計(jì)的APSK星座圖具有更好的Shaping增益，參見(jiàn)文獻(xiàn)Z. Yang, Q. Xie,K. Peng and Z. Wang, iiA novel BICM-ID system approachingShannon-limit at highspectrum efficiency, ” IEICE Trans. Commun.，vol. E94-B，no. 3，pp. 793-795，Mar. 2011。一個(gè)M階的APSK星座圖有R個(gè)同心環(huán)，每個(gè)環(huán)由均勻的PSK點(diǎn)組成。M-APSK星座信號(hào)集合Xapsk可以描述如下
f . (, f'2w,.
Ti I3XJ) I } I+ c | I J ^ =, Tl-1 ^ I
V \ i JJ
/ /27. ,,,
T2 CXI) I 'I I I I I I. = 0，* I f 1.2 — IA^APSK = ^\ \n2 JJ(4)
r,eXP6^ + %)) 口 H — l
I V W JJ其中ni，ri以及0 i分別表示第I環(huán)的點(diǎn)數(shù)、半徑以及相位偏轉(zhuǎn)，j = ^/^I。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種特殊的APSK星座圖及其格雷映射的設(shè)計(jì)方法，基于該方法得到的格雷映射的APSK星座圖相對(duì)傳統(tǒng)格雷映射的QAM星座圖，無(wú)論是在獨(dú)立解映射還是迭代解映射時(shí)，都能提供一定的Shaping增益，從而使得采用本發(fā)明格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能。( 二 )技術(shù)方案本發(fā)明提供了一種基于APSK星座圖的星座映射方法，APSK星座階數(shù)為M = 2m，令每個(gè)環(huán)上的點(diǎn)數(shù)Ii1相等且均為2的冪次方，即 I! .= ，環(huán)數(shù)= 2W2,其中Hi1+m2 = m, m、Hi1和m2均為正整數(shù)；所有環(huán)的相位偏轉(zhuǎn)0 I均相等；所述方法包括步驟BI.對(duì)于一個(gè)m長(zhǎng)的比特向量，令其中Hi1個(gè)比特只與相位有關(guān)，即這Hi1個(gè)比特的不同組合對(duì)應(yīng)不同的相位，不同相位組成的集合相當(dāng)于一個(gè)2mi-PSK,這Hi1個(gè)比特與2m i-PSK之間采用PSK的格雷映射；B2.令其余m2個(gè)比特只與幅度有關(guān)，即這m2個(gè)比特的不同組合對(duì)應(yīng)不同的半徑，不同半徑組成的集合相當(dāng)于一個(gè)2m2-PAM,這m2個(gè)比特與2m2_PAM之間采用PAM的格雷 映射。其中，所述APSK星座圖第I環(huán)的半徑值包括、I Jjii J 1| ******** (I -— ~) 2^^ i I
1 YL 、' 21 J且各環(huán)半徑同比例擴(kuò)大或縮小。其中，可優(yōu)化的參數(shù)對(duì)Hi1和Hi2的取值包括當(dāng)M = 24 = 16 時(shí)，In1 = 3, m2 = I ;當(dāng)M = 25 = 32 時(shí)，In1 = 3, m2 = 2 ;當(dāng)M = 26 = 64 時(shí)，In1 = 4, m2 = 2 ；當(dāng)M = 27 = 128 時(shí)，In1 = 4, m2 = 3 ；當(dāng)M = 28 = 256 時(shí)，In1 = 5, m2 = 3。本發(fā)明提供了一種發(fā)送端編碼調(diào)制方法，包括步驟 Cl :對(duì)待傳的信息比特進(jìn)行有限域FEC編碼；C2 :對(duì)上述步驟Cl得到的編碼比特進(jìn)行比特交織；C3:對(duì)上述步驟C2得到的交織比特進(jìn)行上述的基于APSK星座圖的星座映射方法，得到星座映射后的符號(hào)，并送至后續(xù)處理單元；所述步驟Cl所述FEC編碼包括分組碼、LDPC碼、串行級(jí)聯(lián)Turbo碼、并行級(jí)聯(lián)Turbo碼和卷積碼；所述步驟C3中，所述星座映射后的符號(hào)為格雷映射的APSK符號(hào)。其中，所述步驟Cl中若采用分組碼中的LDPC碼、串行級(jí)聯(lián)Turbo碼、并行級(jí)聯(lián)Turbo碼進(jìn)行FEC編碼，則省略步驟C2，步驟C3中直接對(duì)步驟Cl得到的編碼進(jìn)行星座映射。本發(fā)明還提供了一種對(duì)應(yīng)于上述的發(fā)送端編碼調(diào)制方法的接收端獨(dú)立解映射的解調(diào)解碼方法，包括步驟Dl :結(jié)合信道狀態(tài)信息，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行星座解映射，得到解映射比特軟信息；D2 :將步驟Dl所得解映射比特軟信息經(jīng)過(guò)解交織之后送給譯碼器；D3 :進(jìn)行信道譯碼；所述步驟Dl中，所述接收信號(hào)對(duì)應(yīng)于格雷映射的APSK符號(hào)；
所述步驟D2中的解交織與步驟C2的比特交織對(duì)應(yīng)，如果省略步驟C2，則步驟D2也相應(yīng)省略；所述步驟D3中，信道譯碼采用軟輸入譯碼算法。本發(fā)明還提供了一種對(duì)應(yīng)于上述的發(fā)送端編碼調(diào)制方法的接收端迭代解映射的解調(diào)解碼方法，包括步驟El :依據(jù)步驟E4反饋的先驗(yàn)信息，結(jié)合信道狀態(tài)信息，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行星座解映射，得到解映射比特軟信息；E2 :將步驟El所得解映射比特軟信息經(jīng)過(guò)解交織之后送給譯碼器；E3 :進(jìn)行信道譯碼；E4 :將步驟E3輸出的比特軟信息進(jìn)行再交織，其結(jié)果作為先驗(yàn)信息反饋回步驟 El ；所述步驟El中，第一次解映射時(shí)的先驗(yàn)信息為0，此時(shí)與步驟Dl—致，軟信息采用LLR表示；所述步驟E2與步驟C2對(duì)應(yīng)，如果省略步驟C2，則步驟E2也相應(yīng)省略；所述步驟E3中，譯碼器常采用軟輸入軟輸出譯碼算法；所述步驟E4中，如果省略步驟C2所述的比特交織，則步驟E4的再交織也相應(yīng)省略，所述再交織的方法與步驟C2的比特交織完全一致。本發(fā)明還提供了一種發(fā)送端編碼調(diào)制系統(tǒng)，包括編碼器模塊、比特交織模塊、格雷映射的APSK星座映射模塊、以及控制模塊；所述編碼器模塊、比特交織模塊以及格雷映射的APSK星座映射模塊均在控制模塊的協(xié)調(diào)下，按照上述的步驟Cl至C3完成相應(yīng)的信號(hào)處理；所述編碼器模塊用于對(duì)待傳的信息比特進(jìn)行有限域FEC編碼；所述比特交織模塊用于對(duì)所述編碼器模塊編碼后的編碼比特進(jìn)行比特交織；所述格雷映射的APSK星座映射模塊用于對(duì)所述比特交織模塊得到的交織比特進(jìn)行上述的基于APSK星座圖的星座映射方法，得到星座映射后的符號(hào)，并送至后續(xù)處理單元;所述控制模塊用于輸入控制信息，所述控制信息包括編碼器的相關(guān)信息、比特交織的相關(guān)信息、以及格雷映射的APSK星座映射的相關(guān)信息。(三)有益效果本發(fā)明提供了一種具有格雷映射的APSK星座圖的設(shè)計(jì)方法，以及采用該格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制方法和解調(diào)解碼方法及系統(tǒng)，所得方法的有益效果為采用所述格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于與其對(duì)應(yīng)的采用傳統(tǒng)格雷映射的QAM星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)。


圖I為信道容量定義的示意圖；圖2為星座限制條件下的信道容量的定義，即編碼調(diào)制的平均互信息，CM-AMI ；圖3為獨(dú)立解映射時(shí)編碼調(diào)制的平均互信息的定義，BICM-AMI ；圖4為格雷映射的16APSK星座圖5為格雷映射的64APSK星座圖；圖6為AWGN信道下，不同星座映射下的CM-AMI和BICM-AMI與信道容量的差距；圖7為一種發(fā)送端采用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制方法，和一種接收端采用獨(dú)立解映射的解調(diào)解碼方法；圖8為一種發(fā)送端采用turbo或者LDPC作為FEC編碼、并采用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制方法，和一種接收端采用獨(dú)立解映射的解調(diào)解碼方法；圖9為選用的FEC編碼為L(zhǎng)TE中2/3碼率的turbo碼，且接收端獨(dú)立解映射時(shí)，采用格雷映射的16APSK和采用格雷映射的16QAM時(shí)的誤碼性能；圖10為選用的FEC編碼為L(zhǎng)TE中2/3碼率的turbo碼，且接收端獨(dú)立解映射時(shí)，采用格雷映射的64APSK和采用格雷映射的64QAM時(shí)的誤碼性能；
圖11為選用的FEC編碼為DVB-T2中1/2碼率的LDPC碼，且接收端獨(dú)立解映射時(shí)，采用格雷映射的APSK和采用格雷映射的QAM時(shí)的BER性能；圖12為一種發(fā)送端采用格雷映射的APSK的編碼調(diào)制方法，和一種接收端采用迭代解映射的解調(diào)解碼方法；圖13為一種發(fā)送端采用turbo或者LDPC作為FEC編碼、并采用格雷映射的APSK的編碼調(diào)制方法，和一種接收端采用迭代解映射的解調(diào)解碼方法；圖14為選用的FEC編碼為DVB-T2中1/2碼率的LDPC碼，且接收端迭代解映射時(shí)，采用格雷映射的16APSK和采用格雷映射的16QAM時(shí)的外信息傳遞(EXIT)圖分析；圖15為選用的FEC編碼為DVB-T2中1/2碼率的LDPC碼，且接收端迭代解映射時(shí)，采用格雷映射的64APSK和采用格雷映射的64QAM時(shí)的EXIT圖分析；圖16為選用的FEC編碼為DVB-T2中1/2碼率的LDPC碼，且接收端迭代解映射時(shí)，采用格雷映射的APSK和采用格雷映射的QAM時(shí)的BER性能；圖17為一種發(fā)送端采用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)；圖18為一種發(fā)送端采用turbo或者LDPC作為FEC編碼、并采用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的給予格雷映射的APSK星座圖的星座映射方法，以及采用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制和解調(diào)解碼方法及系統(tǒng)，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下。本發(fā)明提供了一種特殊的APSK星座圖的構(gòu)造方法，這種APSK星座圖具有格雷映射，而且使用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)，無(wú)論是在獨(dú)立解映射還是迭代解映射時(shí)，在常用碼率下均優(yōu)于同等條件下采用傳統(tǒng)QAM星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)，即格雷映射的APSK星座圖限制下CM-AMI和BICM-AMI在同等條件下均分別大于格雷映射的QAM星座圖限制下的CM-AMI和BICM-AMI。本發(fā)明提出的具有格雷映射的APSK星座圖屬于基礎(chǔ)發(fā)明，可應(yīng)用于本發(fā)明提出的采用格雷映射的APSK星座圖的編碼調(diào)制系統(tǒng)中。本發(fā)明的核心為步驟BI至B2所示的基于格雷映射的APSK星座圖的星座映射方法，其根本目的是使得采用所提出的格雷映射的APSK星座圖時(shí)，在AWGN信道下具有較大的CM-AMI和BICM-AMI，其中CM-AMI和BICM-AMI分別由式(2)和式(3)定義。稱(chēng)某一 Hi1和m2的組合的具有格雷映射的APSK星座圖為(2Wl X 2W2)Af-APSK星座圖。其中所述APSK星座圖弟I環(huán)的半徑優(yōu)選為=且各環(huán)半徑可以問(wèn)比例擴(kuò)大
或縮小；其特征還在于，所述APSK星座圖各環(huán)半徑可以在上式的基礎(chǔ)上稍作微調(diào)。在本發(fā)明提出的具有格雷映射的APSK星座圖中，每個(gè)環(huán)上的點(diǎn)數(shù)相等且均為2mi,從而每個(gè)環(huán)均可以看成一個(gè)2mi-PSK,環(huán)上存在格雷映射；由于這一 APSK星座圖的環(huán)數(shù)R也為2的冪次方R = 2〃'且每個(gè)環(huán)的相位偏轉(zhuǎn)均相等，因此從半徑角度來(lái)看，對(duì)于某一固定的相位，同一相位上的個(gè)點(diǎn)可以看成一個(gè)特殊的2miPAM,也存在格雷映射。從而可以預(yù)見(jiàn)，本發(fā)明所提的APSK星座圖存在格雷映射，所述格雷映射方法示于步驟BI至B2。如圖4和圖5分別表示典型的(8X2)16APSK和(16X4)64APSK星座圖及其格雷映射，從圖中可以看出相鄰星座點(diǎn)之間的標(biāo)號(hào)僅有一個(gè)比特不同。
實(shí)施例I具有格雷映射的APSK星座圖設(shè)計(jì)方法，其關(guān)鍵在于參數(shù)Hi1和Hi2Oii1和m2均為正整數(shù))的選擇和半徑的確定，其中，對(duì)于一個(gè)格雷映射的2m-APSK星座圖，有mi+m2 = m,m、In1和m2均為正整數(shù)，因此Hi1和m2的組合總共有m — I種。優(yōu)選的參數(shù)應(yīng)該使得對(duì)應(yīng)APSK限制下的CM-AMI和BICM-AMI盡量大。此外，在本實(shí)施例中，第I環(huán)的半徑優(yōu)選為
Ti ++、/一 I11 |丨—￠1 —。在傳統(tǒng)的星座圖設(shè)計(jì)中，總希望星座點(diǎn)之間最小歐氏距離
dmin最大化，可惜的是，這并不能保證具有較大的BICM-AMI。在本發(fā)明中，較大的BICM-AMI對(duì)應(yīng)較大的harmonic平均歐氏平方距fp,且
I I ^^ 1111111111111、^^ ^^ I=Ix —到2(5)
一 1=1 h U ,1'匕",r.。其中表示第i比特為b的星座信號(hào)子集合，其中b G {0,1},5 =1 — 6。下表所不為不同Hi1和m2所對(duì)應(yīng)的格雷映射的APSK星座圖的最小歐氏距尚dmin、Xharmonic平均歐氏平方距的倒數(shù)1/J2、以及常見(jiàn)信噪比下的BICM-AMI。從表中可以看出，雖然式(5)表明最小歐氏距離(1_在1/￡ 中占有較大的比重，但二者并不完全一致；典型的例子比如(16X16)256APSK的dmin明顯大于(32 X 8) 256APSK的dmin，但是前者的.1 / J2小于后者，前者在信噪比SNR = 15dB時(shí)的BICM-AMI也小于后者。格雷映射的APSK星座圖不同IH1和m2對(duì)應(yīng)的最小歐氏距離dmin、harmonic平均歐氏平方距的倒數(shù)〗/#、以及大約對(duì)應(yīng)1/2碼率的信噪比(單位dB)下的BICM-AMI (單位bits/channel use)。
權(quán)利要求
1.一種基于APSK星座圖的星座映射方法，其特征在于，APSK星座階數(shù)為M= 2m，令每個(gè)環(huán)上的點(diǎn)數(shù)Ii1相等且均為2的冪次方，M = 2"1,即m = 2mi,相當(dāng)于一個(gè)-2m>-PSK,環(huán)數(shù)= 2_，不同環(huán)半徑組成的集合相當(dāng)于一個(gè)特殊的2ma-PAM,其中1 +! = Hunum1和m2均為正整數(shù)；所有環(huán)的相位偏轉(zhuǎn)9 1均相等；所述方法包括步驟 B1.對(duì)于一個(gè)m長(zhǎng)的比特向量，令其中IH1個(gè)比特只與相位有關(guān)，這IH1個(gè)比特與.2m 1^PSK之間采用PSK的格雷映射； B2.令其余m2個(gè)比特只與幅度有關(guān)，這m2個(gè)比特與2m2-PAM之間采用PAM的格雷映射。
2.如權(quán)利要求I所述的基于APSK星座圖的星座映射方法，其特征在于，所述APSK星座圖第1環(huán)的半徑值包括
3.如權(quán)利要求I所述的基于APSK星座圖的星座映射方法，其特征在于，可優(yōu)化的參數(shù)對(duì)Hl1和Hl2的取值包括當(dāng) M = 24 = 16 時(shí)，In1 = 3, m2 = I ；當(dāng) M = 25 = 32 時(shí)，In1 = 3, m2 = 2 ;當(dāng) M = 26 = 64 時(shí)，In1 = 4, m2 = 2 ；當(dāng) M = 27 = 128 時(shí)，In1 = 4, m2 = 3 ；當(dāng) M = 28 = 256 時(shí)，In1 = 5, m2 = 3。
4.一種發(fā)送端編碼調(diào)制方法，其特征在于，包括步驟 Cl :對(duì)待傳的信息比特進(jìn)行有限域FEC編碼； C2 :對(duì)上述步驟Cl得到的編碼比特進(jìn)行比特交織； C3 :對(duì)上述步驟C2得到的交織比特進(jìn)行如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的基于APSK星座圖的星座映射方法，得到星座映射后的符號(hào)，并送至后續(xù)處理單元； 所述步驟Cl所述FEC編碼包括分組碼和卷積碼； 所述步驟C3中，所述星座映射后的符號(hào)為格雷映射的APSK符號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)送端編碼調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟Cl中若采用分組碼中的LDPC碼、串行級(jí)聯(lián)turbo碼、并行級(jí)聯(lián)turbo碼進(jìn)行FEC編碼，則省略步驟C2，步驟C3中直接對(duì)步驟Cl得到的編碼進(jìn)行星座映射。
6.一種對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求4或5所述的發(fā)送端編碼調(diào)制方法的接收端獨(dú)立解映射的解調(diào)解碼方法，其特征在于，包括步驟 Dl :結(jié)合信道狀態(tài)信息，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行星座解映射，得到解映射比特軟信息； D2 :將步驟Dl所得解映射比特軟信息經(jīng)過(guò)解交織之后送給譯碼器； D3 :進(jìn)行信道譯碼； 所述步驟Dl中，所述接收信號(hào)對(duì)應(yīng)于格雷映射的APSK符號(hào)； 所述步驟D2中的解交織與步驟C2的比特交織對(duì)應(yīng)，如果省略步驟C2，則步驟D2也相應(yīng)省略； 所述步驟D3中，信道譯碼采用軟輸入譯碼算法。
7.—種對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求4或5所述的發(fā)送端編碼調(diào)制方法的接收端迭代解映射的解調(diào)解碼方法，其特征在于，包括步驟 El :依據(jù)步驟E4反饋的先驗(yàn)信息，結(jié)合信道狀態(tài)信息，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行星座解映射，得到解映射比特軟信息； E2 :將步驟El所得解映射比特軟信息經(jīng)過(guò)解交織之后送給譯碼器； E3 :進(jìn)行信道譯碼； E4 :將步驟E3輸出的比特軟信息進(jìn)行再交織，其結(jié)果作為先驗(yàn)信息反饋回步驟El ； 所述步驟El中，第一次解映射時(shí)的先驗(yàn)信息為O，此時(shí)與步驟Dl —致，軟信息采用LLR表不; 所述步驟E2與步驟C2對(duì)應(yīng)，如果省略步驟C2，則步驟E2也相應(yīng)省略； 所述步驟E3中，譯碼器常采用軟輸入軟輸出譯碼算法； 所述步驟E4中，如果省略步驟C2所述的比特交織，則步驟E4的再交織也相應(yīng)省略，所述再交織的方法與步驟C2的比特交織完全一致。
8.—種發(fā)送端編碼調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于，包括編碼器模塊、比特交織模塊、格雷映射的APSK星座映射模塊、以及控制模塊； 所述編碼器模塊、比特交織模塊以及格雷映射的APSK星座映射模塊均在控制模塊的協(xié)調(diào)下，按照權(quán)利要求4的步驟Cl至C3完成相應(yīng)的信號(hào)處理； 所述編碼器模塊用于對(duì)待傳的信息比特進(jìn)行有限域FEC編碼； 所述比特交織模塊用于對(duì)所述編碼器模塊編碼后的編碼比特進(jìn)行比特交織； 所述格雷映射的APSK星座映射模塊用于對(duì)所述比特交織模塊得到的交織比特進(jìn)行如權(quán)利要求I 3任一項(xiàng)所述的基于APSK星座圖的星座映射方法，得到星座映射后的符號(hào)，并送至后續(xù)處理單元； 所述控制模塊用于輸入控制信息，所述控制信息包括編碼器的相關(guān)信息、比特交織的相關(guān)信息、以及格雷映射的APSK星座映射的相關(guān)信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于APSK星座圖的星座映射方法，其特征在于，APSK星座階數(shù)為M＝2m，每個(gè)環(huán)上的點(diǎn)數(shù)nl相等且均為2的冪次方，即相當(dāng)于一個(gè)環(huán)數(shù)不同環(huán)半徑組成的集合相當(dāng)于一個(gè)特殊的其中m1+m2＝m；所有環(huán)的相位偏轉(zhuǎn)θl均相等；所述方法包括步驟B1.對(duì)于一個(gè)m長(zhǎng)的比特向量，令其中m1個(gè)比特只與相位有關(guān)，這m1個(gè)比特與之間采用PSK的格雷映射；B2.令其余m2個(gè)比特只與幅度有關(guān)，這m2個(gè)比特與之間采用PAM的格雷映射。本發(fā)明的有益效果是相對(duì)于采用傳統(tǒng)QAM星座圖格雷星座映射的編碼調(diào)制系統(tǒng)，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的APSK星座圖格雷星座映射的編碼調(diào)制系統(tǒng)，無(wú)論接收端采用獨(dú)立解映射還是迭代解映射，均能獲得可觀的差錯(cuò)控制性能增益。
文檔編號(hào)H04L27/36GK102752261SQ20111009987
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者劉在爽, 宋健, 彭克武, 楊知行, 謝求亮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)