CN101938333A - 格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法 - Google Patents

Abstract

格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法，属于无线通信技术领域。由包括发送端和接收端的MIMO实时平台实现，它是在硬件中实现改进的LLR计算，进行相关π/M-MPSK逆映射解调，软比特信息的正负值的大小用来指示硬判决的可靠性。本发明以软比特信息计算为设计重点，实现格雷编码π/M-MPSK调制的并行软比特信息计算，复杂度大大减少。本发明的主要优点是：将传统的除法均衡去掉，解决了除法均衡复杂度高的问题，便于硬件的实现；将传统的星座点最小欧氏距离搜索的解调方法，改为通过并行计算软比特信息进行格雷编码π/M-MPSK的逆映射，计算量大大减少，容易实现。

Description

格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法

技术领域

本发明涉及一种格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法属于无线通信技术领域。

背景技术

在有限的频谱资源上实现高速率和大容量的无线通信，是当今无线通信领域的研究热点。为了达到上述目的，需要频谱效率极高的技术。基于格雷编码的多进制相移键控调制(MPSK调制)是一种利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的高阶调制方式，具有较高的频谱利用率，被广泛应用于现代无线通信系统中。π/M-MPSK即将MPSK星座图逆时针旋转π/M。采用格雷编码的星座图映射方式，使得每两个相邻码元之间只有一位码元不同，当信噪比较大的时候，大部分错误都是错成相邻的点，此时错一个符号基本就是错一个比特，与高效的编码方式结合，可以降低通信系统的误码率。

传统的π/M-MPSK调制，在接收端解调的时候，信号需要经过均衡，采用星座点最小欧氏距离搜索的方法，计算量大，在硬件系统中实现复杂。在现代具有纠错的无线通信系统中，由于软判决解调法比硬判决解调法具有优势，能够提供较大的性能改善，所以出现了很多种软判决方法。其中，F.Tosato and P.Bisaglia，“Simplified soft-output demapper forbinary interleaved COFDM with application to HIPERLAN/2，”in Proc.IEEE ICC’02，vol.2，pp.664-668，2002，文献提出了格雷编码M-QAM调制的对数似然比LLR(Log-Likelihood Ratio)简化计算算法。然而现有的发送端采用格雷编码π/M-MPSK调制，接收端采用软判决解调的无线调制解调方法涉及到除法均衡，软判决的方法复杂，导致计算量大，不利于硬件实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法。

本发明的技术方案如下：

一种格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法，由MIMO实时平台实现，MIMO实时平台包括发送端和接收端，其中发送端由编码模块、格雷编码π/M-MPSK调制模块和发射天线模块顺序连接而成；接收端由接收天线模块、译码模块、并行软比特信息LLR计算符号解调模块和信道估计模块顺序连接而成；其中并行软比特信息LLR计算符号解调模块由符号输入模块、并行软比特信息计算模块、并行比特判决模块和比特组合模块组成，该方法步骤如下：

发送端的信号处理：

1)MIMO实时平台发送端信号经过编码模块编码，减少传输过程中出现的随机和突发错误，得到编码后的信号；

2)对编码后的信号进行格雷编码π/M-MPSK调制，得到调制后的信号；

3)将调制模块调制后的信号经由信道发送出去；接收端的信号处理：

1)对MIMO实时平台接收端接收到的经过信道之后的信号进行信道估计，得到信道冲激响应Hi；

2)根据估计后的信道冲激响应对接收的信号进行并行软比特信息计算，实现π/M-MPSK软解调，得到软解调信号；

3)将经过解调模块输出的解调后的符号，送入译码模块。

上述接收端步骤2)中根据估计后的信道冲激响应对接收的信号进行并行软比特信息计算，具体步骤为：

a)将接收的信号z_i与接收端的步骤1)得到的信道冲激响应相乘，得到

b)根据调制阶数M，计算所需比特的软信息值，其中k为对应不同调制阶数的比特数，b_i为对应的比特表示，i的取值范围为0～k，LLR为改进后的最大似然比即软比特信息值，Q为输入数据的虚部，I为输入数据的实部；

M＝8，k＝log₂(M)＝3共需要计算3个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂；π/8-8PSK格雷编码调制的映射关系为直角座标系(如图3)，水平轴代表I轴，垂直轴代表Q轴(M＝16，32采用相同的格雷映射方式)，则π/8-8PSK的软比特信息计算方法为：

LLR(b₀)＝-Q；

LLR(b₁)＝-I；

LLR(b₂)＝/Q/-/I/；

M＝16，k＝log₂(M)＝4共需要计算4个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂，b₃，则π/16-16PSK的前三个比特的软比特信息计算与π/8-8PSK的三个比特的软比特信息计算方法相同，只需要计算第四个比特的软比特信息，计算方法为：

$\mathrm{LLR}\left(b3\right)=\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\left|\right|Q|-|I\left|\right|/\sqrt{2}=\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\left|\right|Q|-|I\left|\right|*0.7071;$

该点表示信号点离映射的I轴，Q轴两坐标轴最短距离和离I轴和Q轴生成空间的两对角线距离之差，差值大于0的信号点和差值小于0的信号点将分别落在不同的区域，由此即判定落在大于0的区域则该比特为1，落在小于0的区域则判为0；

M＝32，k＝log₂(M)＝5共需要计算5个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，则π/32-32PSK的前四个比特的软比特信息计算与π/16-16PSK的四个比特的软比特信息计算方法相同，只需要计算第五个比特的软比特信息，计算方法为：

$\mathrm{LLR}\left(b4\right)=\min (\min \left(\right|I|,|Q\left|\right),|\left|Q\right|-\left|I\right||/\sqrt{2})$

$-|\cos (\mathrm{\π}/8)\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\sin (\mathrm{\π}/8)\max \left(\right|I|,|Q\left|\right)|/\sqrt{1+{\sin }^2(\mathrm{\π}/8)}$

$=\min (\min \left(\right|I|,|Q\left|\right),|\left|Q\right|-\left|I\right||*0.7071)$

$-|0.9239*\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-0.3827*\max \left(\right|I|,|Q\left|\right)|*0.9339;$

该点表示先比较信号点与离映射的I轴，Q轴两坐标轴最短距离和离I轴和Q轴生成空间的两对角线距离，判断离坐标轴近，还是离对角线近，取其最小值，然后比较此最小值与I轴和Q轴生成空间的±π/8、±3π/8四条分界线的距离，值大于0的信号点和差值小于0的信号点将分别落在不同的区域，由此能判定落在大于0的区域则判定该比特为1，落在小于0的区域则判为0；

c)得到的软比特信息值，根据M截取高位相应的M位数据，作为判决的比特值，得到最终的解调符号。

上述方法是采用XILINX公司的系统建模工具System Generator for DSP，在XILINX Virtex-4FPGA上实现的。

在实际系统中实现复杂度低的格雷编码PI/M-MPSK调制的并行软比特信息计算，是实现无线通信系统的一项重要技术。因此基于上述分析，由于格雷编码π/M-MPSK的星座点的位置具有一定的特殊性，本发明提出的基于格雷编码π/M-MPSK调制的并行软比特信息的简便计算方法。

本发明在硬件中实现改进的LLR计算，进行相关π/M-MPSK逆映射解调，软比特信息的正负代表硬判决的结果，值的大小用来指示硬判决的可靠性。本发明以软比特信息计算为设计重点，实现格雷编码π/M-MPSK调制的并行软比特信息计算，复杂度大大减少。

本发明的主要优点是：

1)将传统的除法均衡去掉，解决了除法均衡复杂度高的问题，便于硬件的实现；

2)将传统的星座点最小欧氏距离搜索的解调方法，改为通过并行计算软比特信息进行格雷编码π/M-MPSK的逆映射，计算量大大减少，实现容易。

本发明解决了传统的π/M-MPSK解调在硬件中实现复杂度高、计算量大的问题，且具有一般性，设计灵活。本发明可以用在第四代无线通信关键技术MIMO，OFDM等。目前，实验室正在开发MIMO-OFDM实时平台，本发明已经应用于此平台，使得硬件平台避免了复杂的除法设计，相比传统M-PSK调制，本发明大大降低了硬件使用资源，便于硬件实现。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意框图。

其中：1是编码模块，2是格雷编码π/M-MPSK调制模块，3是发射天线模块，4是接收天线模块，5是信道估计模块，6是并行软比特信息LLR计算符号解调模块，7是译码模块。

图2为图1中的并行软比特信息LLR计算符号解调模块的结构示意框图。

其中：8是符号输入模块，9是并行软比特信息计算模块，10是并行比特判决模块，11是比特组合模块。

图3为π/8-8PSK格雷编码调制星座示意图。其中水平轴代表I轴，垂直轴代表Q轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实一种格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法施例如图1-2所示，由MIMO实时平台实现，MIMO实时平台包括发送端和接收端，其中发送端由编码模块1、格雷编码π/M-MPSK调制模块2和发射天线模块3顺序连接而成；接收端由接收天线模块4、译码模块5、并行软比特信息LLR计算符号解调模块6和信道估计模块7顺序连接而成；其中并行软比特信息LLR计算符号解调模块6由符号输入模块8、并行软比特信息计算模块9、并行比特判决模块10和比特组合模块11组成，该方法步骤如下：

发送端的信号处理：

1)MIMO实时平台发送端信号经过编码模块编码，减少传输过程中出现的随机和突发错误，得到编码后的信号；

2)对编码后的信号进行格雷编码π/M-MPSK调制，得到调制后的信号；

3)将调制模块调制后的信号经由信道发送出去；

接收端的信号处理：

1)对MIMO实时平台接收端接收到的经过信道之后的信号进行信道估计，得到信道冲激响应H_i；

2)根据估计后的信道冲激响应对接收的信号进行并行软比特信息计算，实现π/M-MPSK软解调，得到软解调信号；

3)将经过解调模块输出的解调后的符号，送入译码模块。

上述接收端步骤2)中根据估计后的信道冲激响应对接收的信号进行并行软比特信息计算，具体步骤为：

a)将接收的信号z_i与接收端的步骤1)得到的信道冲激响应相乘，得到

b)根据调制阶数M，计算所需比特的软信息值，其中k为对应不同调制阶数的比特数，b_i为对应的比特表示，i的取值范围为0～k，LLR为改进后的最大似然比即软比特信息值，Q为输入数据的虚部，I为输入数据的实部；

M＝8，k＝log₂(M)＝3共需要计算3个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂；π/8-8PSK格雷编码调制的映射关系为直角座标系(如图3)，水平轴代表I轴，垂直轴代表Q轴(M＝16，32采用相同的格雷映射方式)，则π/8-8PSK的软比特信息计算方法为：

LLR(b₀)＝-Q；

LLR(b₁)＝-I；

LLR(b₂)＝/Q/-/I/；

M＝16，k＝log₂(M)＝4共需要计算4个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂，b₃，则π/16-16PSK的前三个比特的软比特信息计算与π/8-8PSK的三个比特的软比特信息计算方法相同，只需要计算第四个比特的软比特信息，计算方法为：

$\mathrm{LLR}\left(b3\right)=\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\left|\right|Q|-|I\left|\right|/\sqrt{2}=\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\left|\right|Q|-|I\left|\right|*0.7071;$

该点表示信号点离映射的I轴，Q轴两坐标轴最短距离和离I轴和Q轴生成空间的两对角线距离之差，差值大于0的信号点和差值小于0的信号点将分别落在不同的区域，由此即判定落在大于0的区域则该比特为1，落在小于0的区域则判为0；

M＝32，k＝log₂(M)＝5共需要计算5个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，则π/32-32PSK的前四个比特的软比特信息计算与π/16-16PSK的四个比特的软比特信息计算方法相同，只需要计算第五个比特的软比特信息，计算方法为：

$\mathrm{LLR}\left(b4\right)=\min (\min \left(\right|I|,|Q\left|\right),|\left|Q\right|-\left|I\right||/\sqrt{2})$

$-|\cos (\mathrm{\π}/8)\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\sin (\mathrm{\π}/8)\max \left(\right|I|,|Q\left|\right)|/\sqrt{1+{\sin }^2(\mathrm{\π}/8)}$

$=\min (\min \left(\right|I|,|Q\left|\right),|\left|Q\right|-\left|I\right||*0.7071)$

$-|0.9239*\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-0.3827*\max \left(\right|I|,|Q\left|\right)|*0.9339;$

该点表示先比较信号点与离映射的I轴，Q轴两坐标轴最短距离和离I轴和Q轴生成空间的两对角线距离，判断离坐标轴近，还是离对角线近，取其最小值，然后比较此最小值与I轴和Q轴生成空间的±π/8、±3π/8四条分界线的距离，值大于0的信号点和差值小于0的信号点将分别落在不同的区域，由此能判定落在大于0的区域则判定该比特为1，落在小于0的区域则判为0；

c)得到的软比特信息值，根据M截取高位相应的M位数据，作为判决的比特值，得到最终的解调符号。

Claims (2)

1.一种格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法，由MIMO实时平台实现，MIMO实时平台包括发送端和接收端，其中发送端由编码模块、格雷编码π/M-MPSK调制模块和发射天线模块顺序连接而成；接收端由接收天线模块、译码模块、并行软比特信息LLR计算符号解调模块和信道估计模块顺序连接而成；其中并行软比特信息LLR计算符号解调模块由符号输入模块、并行软比特信息计算模块、并行比特判决模块和比特组合模块组成，该方法步骤如下：

发送端的信号处理：

1)MIMO实时平台发送端信号经过编码模块编码，减少传输过程中出现的随机和突发错误，得到编码后的信号；

2)对编码后的信号进行格雷编码π/M-MPSK调制，得到调制后的信号；

3)将调制模块调制后的信号经由信道发送出去；接收端的信号处理：

1)对MIMO实时平台接收端接收到的经过信道之后的信号进行信道估计，得到信道冲激响应H_i；

2)根据估计后的信道冲激响应对接收的信号进行并行软比特信息计算，实现π/M-MPSK软解调，得到软解调信号；

3)将经过解调模块输出的解调后的符号，送入译码模块。

2.如权利要求1所述的一种格雷编码π/M-MPSK调制软比特信息计算方法，其中接收端步骤2)中所述根据估计后的信道冲激响应对接收的信号进行并行软比特信息计算，具体步骤为：

a)将接收的信号z_i与接收端的步骤1)得到的信道冲激响应相乘，得到

b)根据调制阶数M，计算所需比特的软信息值，其中k为对应不同调制阶数的比特数，b_i为对应的比特表示，i的取值范围为0～k，LLR为改进后的最大似然比即软比特信息值，Q为输入数据的虚部，I为输入数据的实部；

M＝8，k＝log₂(M)＝3共需要计算3个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂；π/8-8PSK格雷编码调制的映射关系为直角座标系，水平轴代表I轴，垂直轴代表Q轴(M＝16，32采用相同的格雷映射方式)，则π/8-8PSK的软比特信息计算方法为：

LLR(b₀)＝Q；

LLR(b₁)＝-I；

LLR(b₂)＝/Q/-/I/；

M＝16，k＝log₂(M)＝4共需要计算4个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂，b₃，则π/16-16PSK的前三个比特的软比特信息计算与π/8-8PSK的三个比特的软比特信息计算方法相同，只需要计算第四个比特的软比特信息，计算方法为：

$\mathrm{LLR}\left(b3\right)=\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\left|\right|Q|-|I\left|\right|/\sqrt{2}=\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\left|\right|Q|-|I\left|\right|*0.7071;$

该点表示信号点离映射的I轴，Q轴两坐标轴最短距离和离I轴和Q轴生成空间的两对角线距离之差，差值大于0的信号点和差值小于0的信号点将分别落在不同的区域，由此即判定落在大于0的区域则该比特为1，落在小于0的区域则判为0；

M＝32，k＝log₂(M)＝5共需要计算5个比特的软比特信息，记为b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，则π/32-32PSK的前四个比特的软比特信息计算与π/16-16PSK的四个比特的软比特信息计算方法相同，只需要计算第五个比特的软比特信息，计算方法为：

$\mathrm{LLR}\left(b4\right)=\min (\min \left(\right|I|,|Q\left|\right),|\left|Q\right|-\left|I\right||/\sqrt{2})$

$-|\cos (\mathrm{\π}/8)\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-\sin (\mathrm{\π}/8)\max \left(\right|I|,|Q\left|\right)|/\sqrt{1+{\sin }^2(\mathrm{\π}/8)}$

$=\min (\min \left(\right|I|,|Q\left|\right),|\left|Q\right|-\left|I\right||*0.7071)$

$-|0.9239*\min \left(\right|I|,|Q\left|\right)-0.3827*\max \left(\right|I|,|Q\left|\right)|*0.9339;$

该点表示先比较信号点与离映射的I轴，Q轴两坐标轴最短距离和离I轴和Q轴生成空间的两对角线距离，判断离坐标轴近，还是离对角线近，取其最小值，然后比较此最小值与I轴和Q轴生成空间的±π/8、±3π/8四条分界线的距离，值大于0的信号点和差值小于0的信号点将分别落在不同的区域，由此能判定落在大于0的区域则判定该比特为1，落在小于0的区域则判为0；

c)得到的软比特信息值，根据M截取高位相应的M位数据，作为判决的比特值，得到最终的解调符号。

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