CN101262307A - 一种含有星座图旋转调制方式的串行级联编译码系统 - Google Patents

Abstract

一种含有星座图旋转调制方式的串行级联编译码系统属于数字信息编译码领域，其特征在于：通过巧妙的映射和分解，把调制分解为三个独立的部分：奇偶校验编码、递归卷积编码以及一个无记忆的8PSK或正方形M－QAM调制。利用包含在调制过程中的记忆性，将其作为一种联合内码，然后和简单的外码级联，形成一个串行级联编码系统。在接收端通过迭代译码的方法可以获得可观的编码增益和优良的误码性能。

Description

一种含有星座图旋转调制方式的串行级联编译码系统

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及应用于星座图旋转调制方式的串行级联编译码技术。

背景技术

由于数字信号的传输信道是非理想的，易受放大器饱和截止和多径干扰等影响而引起非线性失真。常用的对抗非线性的方法主要有预失真、非线性均衡以及恒包络调制技术等。恒包络技术以及准恒包络技术，是通过调整载波信号的包络或者相位，使得调制之后的信号经过滤波器之后，能够保持包络恒定或者近似恒定，这样就可以使其工作在功率放大器的线形范围内，从而减少非线性失真。由于这种方法不依赖于信道的非线性特性，而且实现复杂度相对较低，有一些方法已经得到了很广泛的应用，如π/4正交相移键控(π/4QPSK)调制和π/2相移的非正方形M-QAM调制等。

π/4正交相移键控(π/4QPSK)调制，其基本思想是利用两个相差为π/4的QPSK星座图，交替对传输信号进行星座点映射，从而避免了QPSK调制中的180度相位跳变，降低了它经过非线性信道时引起的频谱扩散。发明“π/2相移的非正方形M-QAM调制解调方法及其系统”借鉴了π/4QPSK中消除180度相位跳变的思想，引入利用简单的控制相位跳变减小载波包络起伏的方法，它利用两组正交的星座图交替传输信号，避免了连续星座点间180度的相位跳变，因此比常用非正方形M-QAM调制有更为有效的频谱和更好的误码性能，从而更加适合非线性信道的传输。这里把上述两种调制方式统称为星座图旋转调制方式，它们都具有以下两点特性：第一，因为两个星座图交替使用，因此在相邻星座点之间没有180度相位跳变，从而保证了调制信号在经过带宽受限的非线性信道时频谱扩散更小，体现了它与普通QPSK或者非正方形M-QAM调制相比的优点；第二，奇偶时刻两个星座图的各个星座点之间有固定的一一对应关系，即当前时刻的输出不仅由当前时刻的输入决定，也与前一时刻的输出有关，在此称之为时间记忆性。因此，我们在本发明中提出了一种新的调制映射方式，通过这种方法，不仅可以满足星座图旋转调制方式的第一点特性，同时还能利用调制过程中包含的内在时间记忆性作为内码，获得编码增益。并可与简单的外码级联构成级联编码系统，在接收端通过迭代译码来获得可观的编码增益和优良的误码性能。

本发明提出了一种应用于星座图旋转调制方式的纠错编码系统，该编码系统对星座图旋转调制方式的调制过程引入一种新的分解和映射方法，把调制分解为三个独立的部分：奇偶校验编码、递归卷积编码以及一个无记忆的8PSK或正方形M-QAM调制。通过这种方法，我们可以利用包含在调制过程中的时间记忆性，将其作为一种内码，然后和简单的外码级联，形成一个串行级联编码系统。在接收端可以通过迭代译码获得可观的编码增益，提高系统的误码性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于星座图旋转调制解调方式的串行级联编译码方法及其系统。

本发明所述的串行级联编译码方法的特征在于，它通过数字信号处理电路依次按以下步骤实现：

步骤1)在发送端，发送信息数据先送入一个前向纠错码编码器；

步骤2)将步骤1)编码后的数据送入交织器进行交织；

步骤3)将步骤2)得到的数据送入串并转换电路，将1路串行数据转换为N路并行数据；

步骤4)将步骤3)得到的数据送入奇偶校验码编码器，把输入的N比特数据添加一位奇偶校验位之后得到的N+1比特输出；

步骤5)将步骤4)得到的数据送入递归卷积码编码器，递归卷积编码在相邻输入数据之间引入记忆性，并以此保证相邻的两个星座点落到不同的奇偶时刻星座图子集，奇偶校验位须取反后再进行递归卷积编码；

步骤6)把步骤5)得到的数据送入正方形M-QAM调制器或8PSK调制器完成整个星座图映射过程；

步骤7)在接收端，将M-QAM解调器或π/4QPSK解调器解调后的基带数据送入软输入软输出译码器；

步骤8)将步骤7)得到的数据送入交织器进行交织；

步骤9)将步骤8)得到的数据送入软输入软输出译码器，完成迭代译码，得到原始信息数据。

本发明所述的串行编译码系统的特征在于：它是分别在数字信号处理芯片中实现的，它包括：

在发送端，含有：

前向纠错码编码器，它的输入端与数据信号相连，输出端与交织器相连；

交织器，它的输入端与前向纠错码编码器的输出端相连，输出端与串并转换电路相连。

串并转换电路，它的输入端与交织器的输出端相连，输出端与奇偶校验编码器相连；

奇偶校验编码器，它的输入端与串并转换电路的输出端相连，输出端与递归卷积编码器相连；

递归卷积编码器，它的输入端与奇偶校验编码器相连，输出端与M-QAM或π/4QPSK调制器相连；

在接收端，含有：

软输入软输出译码器，它的输入端与调制器的输出相连，输出端与交织器相连；

交织器，它的输入端和输出端分别与一个软输入软输出译码器相连；

软输入软输出译码器，它的输入端与交织器的输出端相连，输出端输出经迭代译码后的原始信息。

本发明提出了一种应用于星座图旋转调制方式的串行级联编译码系统，通过巧妙的映射和分解，把调制分解为三个独立的部分：奇偶校验编码、递归卷积编码以及一个无记忆的8PSK或正方形M-QAM调制。利用包含在调制过程中的时间记忆性，将其作为一种内码，然后和简单的外码级联，形成一个串行级联编码系统。在接收端通过迭代译码的方法可以获得可观的编码增益和误码性能的改善。

附图说明

图1为π/4QPSK调制方式的星座图。

图2为本发明提出的基于π/4QPSK调制技术的串行级联编码系统框图。

图3为常用的8QAM和π/2相移的非正方形8QAM调制方式的星座图。

图4为本发明提出的基于π/2非正方形M-QAM调制技术的串行级联编码系统框图。

图5为本发明提出的串行级联编译码系统的译码系统框图。

图6为仿真得到的本发明和常用8QAM调制方式在Saleh非线性模型下的误码率比较。

图7为仿真得到的本发明和RS码+卷积码组合编码方式的误码率比较。

图8为仿真得到的本发明和常用OQPSK调制方式在不同级联组合方式下的误码率比较。

具体实施方式

在下文以及附图中，我们以π/2相移的非正方形8QAM调制解调方式和π/4QPSK为例来说明本发明提出的串行级联编译码系统的原理和结构，并把它与常用的非正方形8QAM调制解调技术以及π/4QPSK调制解调技术和进行了比较，说明了其在非线性信道中传输的优点和误码性能的改善，并给出了计算机仿真的比较结果。

从图1格雷编码后的星座图中可以看出，奇时刻星座图中的星座点(黑色的点)和偶时刻星座图中的星座点(白色的点)所对应的3比特编码中，只可能有奇数位比特不同，也就是说，只可能有1位或者3位不同；而在同一个星座图子集内的星座点所对应的3比特编码中，都有2比特不同。因此，如果“A_nB_nC_n”和“A_n-1B_n-1C_n-1”有奇数位不同比特，则它们所代表的相邻输出就会落到不同的两个星座图子集上，这也就满足了传统π/4QPSK调制的第一点特性。可以看出，由公式(1)计算得出的“A_nB_nC_n”和“A_n-1B_n-1C_n-1”满足这一条件。因此，这种映射方法满足了传统π/4QPSK调制的第一点特性，避免了相邻星座点之间180度的相位跳变；与此同时，公式(1)也保证了前后时刻输出码元的记忆性，并把π/4QPSK调制中的这种内在的时间记忆性用一个码率为1的递归卷积码表示出来，从而可以看作内码。

图2为应用于π/4QPSK调制方式的串行级联编码系统的结构图。I_nQ_n为输入信息，A_nB_nC_n为经过奇偶校验编码和递归卷积编码后的输出。把奇偶校验编码和递归卷积编码看作一种联合内码，则联合内码的编码公式可以表示为：

$A_n=I_m\⊕A_{n-1}$

$B_n=Q_n\⊕B_{n-1}$                                                                                                                           (1)

$C_n=\stackrel{\‾}{(I_n\⊕Q_n)}\⊕C_{n-1}$

图3(a)为标准的8QAM星座图；图3(b)为π/2相移的非正方形8QAM的星座图。可以看出，奇时刻星座点(黑色)和偶时刻星座点(白色)所组成的星座子集分别为标准8QAM星座图向左或者向右旋转π/4后的结果，故称之为π/2相移的非正方形8QAM调制方式。奇时刻与偶时刻的星座点所对应的4比特格雷码中，只能有奇数位比特不同，1位或者3位；而在同一个星座图子集内的星座点所对应的4比特编码中，只能有偶数位比特不同，2位或者4位。因此，如果“I_n1I_n2Q_n1Q_n2”和“I_n1-1I_n2-1Q_n1-1Q_n2-1”有奇数位不同，则它们所代表的相邻输出就会落到不同的两个星座图子集上，即满足了的π/2相移的非正方形8QAM第一点特性。不难看出，由公式(2)得出的“I_n1I_n2Q_n1Q_n2”和“I_n1-1I_n2-1Q_n1-1Q_n2-1”满足上述要求。由此可见，这种映射方法满足了π/2相移的非正方形8QAM调制的第一点特性；同时将内在的时间记忆性用一个码率为1的递归卷积码表示出来，从而可以看作联合内码。

图4为应用于π/2非正方形8QAM调制方式的串行级联编码系统结构图。A_nB_nC_n为输入信息，I_n1I_n2Q_n1Q_n2为经过奇偶校验编码和递归卷积编码后的输出。把奇偶校验编码和递归卷积编码看作一种联合内码，则联合内码编码公式为：

$I_{n1}=A_n\⊕I_{n1-1}$

$I_{n2}=B_n\⊕I_{n2-2}$                                                                                                                           (2)

$Q_{n1}=C_n\⊕Q_{n1-1}$

$Q_{n2}=\stackrel{\‾}{(A_n\⊕B_n\⊕C_n)}\⊕Q_{n2-1}$

图5给出了系统的译码结构图，它由两个软输入软输出译码器串行级联组成，交织器与编码系统中所使用的交织器相同。第1个软输入软输出译码器对联合内码进行译码，产生关于信息序列中每一比特的似然信息，然后将其中的“新信息”经过交织送给第2个软输入软输出译码器，第2个译码器将此信息作为先验信息，对前向纠错码(此图以汉明码为例)进行译码，产生关于交织后的信息序列的每一比特似然比信息，然后再将其中的“外信息”经过解交织送给第1个软输入软输出译码器，进行下一次迭代译码。经过多次迭代后即可能得到最大似然的译码输出。其中软输入软输出译码器的作用是把第1个译码器的软输出送给后面的第2个译码器，作为它的软输入；第2个译码器的软输出反馈作为第1个译码器的软输入，从而实现迭代译码。

图6给出了在Saleh非线性模型中，迭代译码之后得到的本发明提出的基于π/2非正方形8QAM QAM调制的串行级联编译码系统与传统的非正方形8QAM调制方式的误码性能的比较。

为本发明的误码性能曲线，

为传统的非正方形8QAM的误码性能曲线。可以看出，本发明比传统非正方形8QAM有一定程度的优化，在BER＝10^-4时有大约1dB的性能改善。这是因为本发明编码调制过程中没有180度相位跳变，因此具有相对较低的峰均功率比(PAPR)，因此在相同的平均功率时，具有更低的峰值功率。这样，在经过非线性信道时，它受到的幅度压缩和相位旋转就更小，非线性畸变也就更小，因此具有更好的传输性能。

图7给出了在高斯白噪声信道下(AWGN)采用不同编码方式的π/4QPSK调制系统的误码性能比较。

是本发明的串行级联编码系统得到的误码性能，采用(7，4)汉明码作为外码。

曲线是采用(255，239)RS码+码率1/2卷积码组成的级联码作为纠错编码的系统误码性能，这种纠错编码方式也是当前比较流行的一种编码组合模式。从图中可以看出，本发明提出的编码系统在BER＝10^-5时比常用的RS+卷积码级联码编码方式有2.2dB的性能优化。

图8给出了本发明提出的基于π/4QPSK调制的串行级联编译码系统和OQPSK调制系统误码性能的比较，其中：

为1/2卷积码+π/4QPSK

为3/4卷积码+π/4QPSK

为(7，4)汉明码+π/4QPSK

为(15，11)汉明码+π/4QPSK

为1/2卷积码+OQPSK

为3/4卷积码+OQPSK

可以看出，无论是采用汉明码还是采用卷积码，本发明提出的编译码系统在迭代译码后都能获得很可观的编码增益；在采用卷积码作外码时，系统的误码性能和文献中给出的编码OQPSK系统几乎完全一样。在采用汉明码作外码时，尽管误码曲线的斜率比采用卷积码作外码时的性能曲线的斜率要小，但是在近似码率时，汉明编码的系统跟卷积码编码的系统相比，在BER＝10^-5时有0.25dB的性能优化。这表明采用汉明码作外码的串行级联编码结构对采用π/4QPSK调制的系统，是一种很好的编码选择。

本发明提出了一种基于星座图旋转调制方式的串行级联编译码系统，通过巧妙的映射和分解，把调制分解为三个独立的部分：奇偶校验编码、递归卷积编码以及一个无记忆的8PSK或正方形M-QAM调制。利用包含在调制过程中的时间记忆性，将其作为一种联合内码，然后和简单的外码级联，构成一个串行级联编码系统。在接收端通过迭代译码的方法可以获得可观的编码增益和误码性能的改善。

在发送端，数据信号首先进行前向纠错码的编码作为系统级联码的外码，然后进行交织和串并转换，串并转换后的数据经过奇偶校验编码、递归卷积编码和8PSK或正方形M-QAM调制完成星座图的映射。在接收端，接收的信号先经过相应的正方形M-QAM或者π/4QPSK解调器进行解调，解调后的基带数据通过由两个软输入软输出译码模块和一个交织器组成的迭代译码系统进行迭代译码恢复出原始数据，这就是整个接收端的具体实施方式。

本发明可以在数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)中得到实现。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。

Claims (1)

1.一种含有星座图旋转调制方式的串行级联编译码系统，其特征在于，该系统的发送部分和接收部分是分别在数字信号处理芯片中实现的，其中：

发送部分，含有：前向纠错码编码器、第一交织器、串并转换电路、奇偶校验编码器、递归卷积编码器、以及M-QAM或π/4QPSK调制器，其中：

前向纠错码编码器，接收发送信息数据；

第一交织器，输入端与所述前向纠错编码器编码后的数据输出端相连；

串并转换电路，把从所述的第一交织器输出端接收的1路串行数据转换为N路并行数据；

奇偶校验编码器，把从所述的串并转换电路输出端接收的N比特数据添加一位奇偶校验位之后得到的N+1比特数据输出；

递归卷积编码器，输入端与所述奇偶校验编码器的输出端相连，对所述N+1比特数据进行递归卷积编码，即把编码后的数据反馈到所述卷积编码器的输入端，使其与从奇偶校验编码器输入的相应比特数据相卷积，在相邻数据之间引入记忆性，使得当前时刻的输出不仅由当前时刻的输入决定，也与前一时刻的输出有关，但需对奇偶校验位取反后，再进行递归卷积编码，以此保证相邻两个星座点落到不同的奇偶时刻星座图子集；

M-QAM或π/4 QPSK调制器，对从递归卷积编码器得到的数据进行整个星座图的映射；

对于π/4 QPSK调制器而言，输入数据是一种由奇偶校验编码和递归卷积编码组成的联合内码，该π/4 QPSK调制器的输入信号A_nB_nC_n表示成：

$A_n=I_n\⊕A_{n-1}$

$B_n=Q_n\⊕B_{n-1}$

$C_n=\stackrel{\‾}{(I_n\⊕Q_n)}\⊕C_{n-1}$

其中，是卷积符号，下同，

I_nQ_n是奇偶校验编码电路的输入信号，A_n-1B_n-1C_n-1为前一时刻的递归卷积编码器的输出之意；

对于M-QAM调制器而言，输入数据是一种奇偶校验编码和递归卷积编码组成的联合内码，该M-QAM调制器的输入信号I_n1I_n2Q_n1Q_n2表示为：

$I_{n1}=A_n\⊕I_{n1-1}$

$I_{n2}=B_n\⊕I_{n2-2}$

$Q_{n1}=C_n\⊕Q_{n1-1}$

$Q_{n2}=\stackrel{\‾}{(A_n\⊕B_n\⊕C_n)}\⊕Q_{n2-1}$

其中，A_nB_nC_n为奇偶校验编码电路的输入信号，I_n1-1I_n2-1Q_n1-1Q_n2-1为前一时刻的递归卷积编码器的输出之意；

接收部分，含有：M-QAM或π/4 QPSK的解调器、载波相位调整电路、第一软输入软输出译码电路、第二交织器以及第二软输入软输出译码电路，其中：

M-QAM或π/4QPSK解调器，接收从发射部分发出的经过调制的数据信号；

第一软输入软输出译码电路，输入端与所述M-QAM或π/4 QPSK解调器的输出端相连，对数据信号中的联合内码利用对数最大后验概率译码算法进行软判决译码，产生数据信号的信息序列中每一位比特的似然信息，再送往所述第二交织器：

第二交织器对从第一软输入软输出译码电路接收到的每一比特的似然信息进行处理后，把处理结果送往第二软输入软输出译码电路；

第二软输入软输出译码电路，把从第二交织器接收到的信号作为先验信息，对级联码中的前向纠错码利用对数最大后验概率译码算法进行软判决译码，产生关于交织后的信息序列的每一比特的似然比信息，然后再把其中的“外信息”经过解交织送给第一软输入软输出译码电路进行下一次迭代译码，经过多次迭代后，得到最大似然译码的硬判决输出。

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