CN101453221A - 基于比特交织编码调制系统的映射器及其映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于比特交织编码调制系统的映射器及映射方法，主要解决现有编码调制系统谱效率低和误码率高的问题。该映射器采用组间基于近似高斯分布，组内基于汉明距离最小规则的结构。对于将32个信息符号映射到16－QAM星座上的方法，映射步骤为：1)将输入的比特序列以5比特对应一个信息符号；2)将不同的信息符号分组，并将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上；3)在星座图的每个象限内信息符号的前两位比特均设置为相同，并保证每一个星座点对应的不同符号的后三位比特的不同个数为1或2；4)将所有的信息比特序列映射到选定的星座图上转化为符号序列。本发明具有谱效率高，误码率低的优点，可用于解调、译码联合迭代系统的数据传输。

Description

基于比特交织编码调制系统的映射器及其映射方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种信号映射器及其映射方法的改进，可用于联合迭代解调/译码系统的数据传输。

背景技术

传统编码调制系统主要由编码器、映射器、解映射器和译码器构成，如图1所示。传统编码调制系统把信号符号等概的映射在星座点上，对于图1左边的4-PAM星座，每一个星座点代表一个信息符号。映射器将输入的比特序列以2个比特对应一个信息符号：输入序列为00时，对应星座点“-3”；输入序列为01时，对应星座点“-1”；输入序列为10时，对应星座点“+1”；输入序列为11时，对应星座点“+3”。但是，对于某一特定的星座图来说，统一等概映射的方式并不是最优的，无法逼近信道容量。1963，R.G.Gallager首次提出了Gallager映射，如图1右所示。该映射用多对一的方式，将1个或多个符号映射在一个星座点上，使星座点选择服从使信道输入符号与输出符号之间的互信息最大化的概率分布。与传统映射相比，Gallager映射引入重叠映射，提升了系统的频谱利用率，在频谱资源日益紧张的今日具有重大意义。

比特交织编码调制BICM技术于1992年由E.Zehavi首创；基于迭代译码的比特交织编码调制BICM-ID技术于1997年由X.Li和J.Ritcey提出，如图2所示。这种系统是将编码后的码字经过比特交织器后，映射到某一个星座点上，生成调制符号。中国移动多媒体广播国家标准、数字电视地面广播传输系统国家标准均采用了BICM方案。在传统的BICM系统中，星座图映射采用等概映射的方式，即一个信息符号对应一个星座点。

交织器是一种单输入单输出的设备，它的输出与输入的符号集相同，只是各个符号输出时候与输入时候的排列次序不同。比特交织器指输出与输入的比特集相同，但输出比特的排列次序不同。

解比特交织器是比特交织的逆运算，将排列次序打乱后的比特序列恢复为正常次序。

BICM系统的特征是解映射器和译码器之间构成联合迭代，传统BICM系统的实现包括以下步骤：

对信息序列进行普通纠错编码；

将编码后的比特序列送入比特交织器进行交织；

将交织后的比特序列送入等概的、一对一的传统信号映射器；

将映射后的符号序列送入信道传输；

接收端将信道传输后的符号序列解映射；

解交织器对解映射后的比特序列在译码器的外信息传递后进行解交织；

译码器对解交织后的信息比特进行译码；

将译码器的输出比特序列送入解映射器进行外信息传递，构成译码器和解映射器的联合迭代。

所述BICM系统的缺点是频谱利用率不高，虽然在引入传统的Gallager映射以后，频谱效率提高了，但随之而来带来了系统误码率BER性能的恶化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述BICM系统的缺点，提供一种基于比特交织编码调制系统的映射器及其映射方法，以提高频谱利用率，改善系统误码率性能。

为实现上述目的，本发明提供的映射器组间采用基于近似高斯分布，组内采用基于汉明距离最小映射规则的结构。该组间基于近似高斯分布的结构，是在靠近星座图原点的位置处，用一个星座点对应多个信息符号，在远离星座图原点的位置处，用一个星座点对应一个信息符号。该组内基于汉明距离最小的结构，是对在同一个星座点对应的不同信息符号，按照不同比特数最小的规律设置。

为实现上述目的，本发明提供的映射方法以32个信息符号映射到16-QAM星座上为例，其映射步骤如下：

1)将映射器的比特序列以5个比特对应一个信息符号；

2)根据映射器组间近似高斯分布的结构，将不同的信息符号分组，并将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上；

3)根据映射器组内采用的汉明距离最小结构，在星座图的每个象限内设置信息符号的前两位比特均为相同，并保证每一个星座点对应的不同符号的后三位比特的不同个数为1或2；

4)根据步骤2)和步骤3)，将所有的信息比特序列映射到选定的星座图上，转化为符号序列，并输入到信道传输。

所述的将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上，按如下规则进行：

2a)将3个不同的信息符号为一组，映射到与原点欧氏距离最小的4个星座(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)和(+1，-1)之一处；

2b)将2个不同的信息符号为一组，映射到与原点欧氏距离为

的8个星座点(+1，+3)、(+3，+1)、(-1，+3)、(-3，+1)、(-1，-3)、(-3，-1)、(+1，-3)和(+3，-1)之一处；

2c)将1个信息符号为一组，映射到与原点欧氏距离最大的4个星座点(+3，+3)、(-3，+3)、(-3，-3)和(+3，-3)之一处。

由于本发明采用了基于BICM系统的组间服从近似高斯分布的Gallager映射器，提高了编码调制系统的频谱效率；由于本发明采用了基于BICM系统的组内汉明距离最小规则的Gallager映射器，改善了编码调制系统的误码率性能。此外由于本发明的映射方法依据该映射器的结构，将多个信息符号按照上述规则，将不同的信息符号分组，并将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上，保证同一个星座图代表的不同符号之间的汉明距离最小，以实现将多个信息符号重叠映射在同一个星座点上，提高了编码调制系统的频谱效率，改善了误码率性能。

仿真结果表明，本发明在误码率为10^-5时，8-PAM系统获得的增益为0.5dB，16-QAM系统更是获得了1dB以上的增益。

附图说明

图1是传统映射方式和Gallager映射方式的对比示意图；

图2是基于卷积编码的传统BICM系统原理图；

图3是本发明使用的BICM系统原理图；

图4是传统基于8-PAM调制的Gallager映射器星座图；

图5是本发明基于8-PAM调制的改进的Gallager映射器星座图；

图6是本发明基于16-QAM调制的改进的Gallager映射器星座图；

图7是本发明信号映射器流程图；

图8是本发明基于8-PAM调制的编码调制系统与传统系统误码率仿真结果的对比示意图；

图9是本发明基于16-QAM调制的编码调制系统与传统系统误码率仿真结果的对比示意图。

具体实施方式

参照图3，本发明使用的BICM系统主要由编码器、比特交织器、映射器、解映射器、解比特交织器、译码器连接构成，其中解映射器和译码器之间构成联合迭代，映射器采用本发明改进的映射器，该映射器的组间采用基于近似高斯分布，组内采用基于汉明距离最小映射规则的结构。所述的组间基于近似高斯分布的结构，是在靠近星座图原点的位置处，用一个星座点对应多个信息符号，在远离星座图原点的位置处，用一个星座点对应一个信息符号。所述的组内基于汉明距离最小的结构，是对在同一个星座点对应的不同信息符号，按照不同比特数最小的规律设置。图5和图6分别给出了本发明对于一维信号和二维信号的映射星座图举例，但不限于这两类映射。

参照图5，本发明的基于8-PAM调制的编码调制系统的星座图是对图4所示传统基于8-PAM调制的Gallager映射器星座图的改进。图4所述映射器将输入的比特序列根据调制方式每4个比特转化为一个符号，即将0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110和1111这些符号依照自然顺序映射。图5所示的本发明映射器采用组间基于近似高斯分布，组内基于汉明距离最小规则的结构，即在靠近星座点原点的位置处，用一个星座点对应多个信息符号，如星座点“+1”对应0101、0110和0111三个信息符号，在远离星座点原点的位置，用一个星座点对应一个信息符号，如星座点“+7”对应1个信息符号0000；组内基于汉明距离最小的规则，是对在同一个星座点对应的不同信息符号，按照不同比特数最小的规律设置，比如0101、0110和0111为一组，对应同一个星座点，该组内0101与0111的汉明距离为1，0110与0111的汉明距离为1，0101与0110的汉明距离为2。

参照图6，本发明基于16-QAM调制的编码调制系统的星座图，其映射器采用组间基于近似高斯分布，组内基于汉明距离最小的规则结构，即在靠近星座点原点的位置处，用一个星座点对应多个信息符号，如星座点(-1，+1)对应00000、00100和00010三个信息符号；在离星座点距离为

的位置，用一个星座点对应两个信息符号，如星座点(-1，+3)对应00011和00001两个信息符号；在远离星座点原点的位置，用一个星座点对应一个信息符号，如星座点(-3，+3)对应1个信息符号00110；组内基于汉明距离最小的规则，是对在同一个星座点对应的不同信息符号，按照不同比特数最小的规律设置，比如00000、00100和00010为一组，对应同一个星座点，该组内00000与00100的汉明距离为1，00000与00010的汉明距离为1，00100与00010的汉明距离为2；再比如00011和00001为一组，对应同一个星座点，该组内00011与00001的汉明距离为1。

参照图6和图7，利用本发明改进的映射器在图3所示的BICM系统中，将32个信息符号映射到16-QAM星座上的方法，包括如下步骤：

步骤1，将映射器的比特序列以5个比特对应一个信息符号；

步骤2，根据映射器组间近似高斯分布的结构，将不同的信息符号分为16组，并将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上，如00000、00100和00010为第一组，映射到与原点欧氏距离最小的4个星座(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)和(+1，-1)之一处；00001和00011为第二组，映射到与原点欧氏距离为

的8个星座点(+1，+3)、(+3，+1)、(-1，+3)、(-3，+1)、(-1，-3)、(-3，-1)、(+1，-3)和(+3，-1)之一处；00110单独为第三组，映射到与原点欧氏距离最大的4个星座点(+3，+3)、(-3，+3)、(-3，-3)和(+3，-3)之一处；

步骤3，根据映射器组内采用的汉明距离最小结构，在星座图的每个象限内设置信息符号的前两位比特均为相同，并保证每一个星座点对应的不同符号的后三位比特的不同个数为1或2，如星座点(+1，+1)对应的3个信息符号：01000、01100、01010，其中，01000与01100、01000与01010的不同比特数为1，01100与01010的不同比特数为2。

步骤4，依据步骤2和步骤3，将00110映射到星座(-3，+3)，00011和00001映射到星座(-1，+3)，00101和00111映射到星座(-3，+1)，00000、00100和00010映射到星座(-1，+1)；将10110映射到星座(-3，-3)，10101和10111映射到星座(-3，-1)，10011和10001映射到星座(-1，-3)，10000、10100和10010映射到星座(-1，-1)；将11110映射到星座(+3，-3)，11011和11001映射到星座(+1，-3)，11101和11111映射到星座(+3，-1)，11000、11100和11010映射到星座(+1，-1)；将01110映射到星座(+3，+3)，01101和01111映射到星座(+3，+1)，01011和01001映射到星座(+1，+3)，01000、01100和01010映射到星座(+1，+1)，至此，映射完成，送入信道进行传输。

本发明基于图3所示的BICM系统，其工作原理如下：

假设码信息符号长度为K，校验符号长度为M，编码后的码字长为N＝K+M，用c＝(c₁ c₂......c_N)表示。

编码后的比特序列进入第一比特交织器进行交织，这里，交织器采用简单的分组比特交织器，打乱编码后的比特序列，假设交织后的码字变为c_π＝(c₂ c_N......c₃)。交织后的比特序列c_π被送入映射器，该映射器按照如上所述的本发明的映射方法对c_π进行映射，映射器的输出符号序列x经过信道传输。

接收端信号解映射器接收的信号序列y经解映射器后输出为

第二比特交织器传过来的信息为π(Le)，解比特交织器的输出为La，则译码器的输入 $\mathrm{La}={\mathrm{\π}}^{-1}(c_{\mathrm{\π}}^{\′}-\mathrm{\π}\left(\mathrm{Le}\right)),$ 其中，π(z)表示比特交织运算，π^-1(z)表示解比特交织运算，译码器输出为LLR，则第二比特交织器的输入信息Le＝LLR-La，亦即反馈回解映射器的信息为π(LLR-La)。

如上所述，解映射器和译码器之间相互传递外信息，构成联合迭代，设定一个合理的联合迭代次数即可提升系统性能，例如5次。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

本发明仿真选用码长9216比特、码率0.5的LDPC码，在AWGN信道下进行系统误码率性能仿真。选用了8-PAM和16-QAM两种调制方式，其中，图8是本发明基于8-PAM调制的编码调制系统与传统系统误码率仿真结果的对比示意图；图9是本发明基于16-QAM调制的编码调制系统与传统系统误码率仿真结果的对比示意图。

由图8可见，本发明在系统误码率为10^-5时，8-PAM系统获得的增益为0.5dB。

由图9可见，本发明在系统误码率为10^-5时，16-QAM系统获得了超过1dB的增益。

Claims (7)

1.一种基于比特交织编码调制系统的信号映射器，其特征在于该映射器的组间采用基于近似高斯分布，组内采用基于汉明距离最小映射规则的结构。

2.根据权利要求1所述的编码调制系统，其特征在于所述的组间基于近似高斯分布的结构，指在靠近星座图原点的位置处，用一个星座点对应多个信息符号，在远离星座图原点的位置处，用一个星座点对应一个信息符号。

3.根据权利要求1所述的编码调制系统，其特征在于所述的组内基于汉明距离最小的结构，指对同一个星座点对应的不同信息符号，按照不同比特数最小的规律设置。

4.一种将32个信息信号映射到16-QAM星座上的方法，包括如下步骤：

1)将进入映射器的比特序列以5个比特为单位对应一个信息符号；

2)根据映射器组间近似高斯分布的结构，将不同的信息符号分组，并将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上；

3)根据映射器组内采用的汉明距离最小结构，在星座图的每个象限内设置信息符号的前两位比特均为相同，并保证每一个星座点对应的不同符号的后三位比特的不同个数为1或2，完成映射；

4)根据步骤2)和步骤3)，将所有的信息比特序列映射到选定的星座图上，转化为信道符号序列，并输入到信道传输。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤2)所述的将各组分别映射到星座图上与原点欧氏距离不同的星座点上，按如下规则进行：

2a)将3个不同的信息符号为第一组，映射到与原点欧氏距离最小的4个星座处：(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)和(+1，-1)；

2b)将2个不同的信息符号为第二组，映射到与原点欧氏距离为

的8个星座点处：(+1，+3)、(+3，+1)、(-1，+3)、(-3，+1)、(-1，-3)、(-3，-1)、(+1，-3)和(+3，-1)；

2c)将1个信息符号为第三组，映射到与原点欧氏距离最大的4个星座点处：(+3，+3)、(-3，+3)、(-3，-3)和(+3，-3)。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤3)所述的并保证每一个星座点对应的不同符号的后三位比特的不同个数为1，是针对一个星座点对应两个不同符号的情况。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤3)所述的保证每一个星座点对应的不同符号的后三位比特的不同个数为2，是针对一个星座点对应三个不同符号的情况，即两两符号之间不同比特的个数为两个1和一个2。

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