CN102025477A - 用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于软解调和信道译码级链结构的自适应的比特位宽调节方法及系统，该发明适合应用于数字调制技术和信道编码技术相结合的数字通信系统中。该发明利用了分段统计的方法，实时统计解调数据的分布特性。在此基础上同事先假定的分布特性相比对，得到相应的位宽修正值。同时引入了平滑滤波的方法，克服了分段统计结果因为分段长度的长短而产生的统计偏差，使得本发明在自适应地跟踪解调数据变化的基础上，在性能上更趋近于稳定。

Description

用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法、系统

技术领域

本发明涉及数据通信系统的信号接收技术领域，尤其是数字调制技术与信道编码技术相结合的数据通信系统，具体涉及一种用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法；此外，本发明还涉及一种用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节系统。

背景技术

在数据通信接收系统中，一般都采用了数字调制技术与信道编码技术相结合的结构。两者的结合可以使系统很好地实现传输效率和传输性能之间的平衡。通常来说，对数字调制信号进行解调所采用的数字信号处理技术较为简单，系统实现时所需资源开销较小，用较小的系统资源就可以达到很高的处理精度。例如，对常用的QAM(正交幅度调制)调制方式，尽管采用了15比特这样较高的处理位宽，但因为解调方法简单，系统实现时所需的资源开销并不大，却可以达到接近浮点处理时的性能。与之相比，对信道编码的数据进行译码所采用的译码方法就比较复杂，信道译码模块通常是整个接收系统中处理最复杂、运算需求最大的模块。通常在处理过程中都需要缓存大量的接收数据和中间数据，甚至有时为了得到更好的译码性能，需要对这些数据进行反复迭代译码。因此对这些数据的存储位宽和运算位宽的处理直接决定了所需系统资源的大小。位宽越大，性能越好，但所需的硬件资源和运算时间大比例的增加。因此同浮点性能相比，如何在可接受的性能损失范围内，尽可能地降低数据的存储位宽和运算位宽，是所有信道译码实现中面临的最大挑战。目前的工业界在对常用的信道编码技术进行译码处理时，通常可以做到只需要3比特到6比特范围的位宽精度，就可以达到很接近浮点处理的性能要求。因此对于采用了数字调制技术和信道编码技术的通信系统来说，如何在高精度的解调数据中合理地截取有限的位宽送入信道译码模块进行处理，直接影响了最终的系统性能指标。

在一般的数据通信系统实现时，对上述问题的一种常用处理方式是：采用固定的比特截位方案来处理数字解调之后的高精度数据。其优点是实现简单，节约资源，节省计算时间；但缺点是通常需要进行大量的性能仿真才能确定一种较优的比特截位方案，并且这种固定的截位方案适用范围较小，不同的信道环境之间数字解调数据的动态变换范围差异较大，针对某一信道优化的比特截位方案并不一定适用于其他通信环境下的应用。尤其对于无线宽带通信系统来说，一方面由于通信双方的相对移动以及周围环境的变换，传播信道是时变的；另一方面由于多径的影响，通常信道是频率选择性衰落的。这种信道下得到的数字解调数据的变换范围很大，如果采用固定的比特截位方案，经常会出现时而量化精度不够、时而量化饱和的情况，极大地影响信道译码的性能。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种易于实现、性能可靠的数据比特位宽调整方法，尤其适用于同时采用数字调制技术和信道编码技术的系统，可解决从高精度的解调数据向低精度的译码输入数据转变所面临的最优比特截位问题。同时本发明可实时跟踪解调数据的变化，自适应地改变比特截位方案以应对传播信道变换带来的影响，确保不同的信道条件下的系统性能。为此，本发明还提供一种用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节系统。

本发明所提供的一种适用于软解调和信道译码级链结构的自适应的比特位宽调整方法，包含以下步骤：

步骤一、分段统计数字解调数据的分布特性，具体可包括统计数据的平均特性、二阶中心矩特性等；具体实施时，分段统计的长度L可根据所需资源开销的大小以及处理精度需求来设定；

X＝E{(x-E(x))²}表示随机变量x的二阶中心矩，E(x)是随机变量x的均值；

步骤二、计算当前数据段统计值X对应的比特位宽精度B_x；

步骤三、基于事先设定的参考比特位宽信息B_ref，根据当前实时统计得到的解调数据的比特位宽信息B_x粗估针对当前数据所需的瞬时比特位宽调整值B_c；

$B_c=\frac{B_x-B_{\mathrm{ref}}}{2};$

步骤四、基于记忆的历史比特位宽调整值B_h对当前的瞬时比特位宽调整值B_c做平滑滤波，同时更新记忆的比特位宽调整值；

步骤五、平滑滤波之后的比特位宽调整值B′_c，其整数位对应为比特移位，分数位对应为实数乘法。根据B′_c的分数位和整数位对当前分段的解调数据进行乘法操作和比特移位操作，最终得到有限精度的解调数据。

在所述的步骤五中，可根据处理精度和复杂度的需求，调整对解调数据的乘法操作和比特移位操作的次序，可先进行乘法操作再进行比特移位操作，或者先进行比特移位操作再进行乘法操作。

此外，本发明还提供一种用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节系统，包括数字解调模块、信道译码模块、统计数据模块、比特位宽信息计算模块、分数截位模块和整数截位模块；所述统计数据模块接收由数字解调模块发送的数字解调数据，对该数字解调数据的分布特性进行分段统计，比特位宽信息计算模块接收上述数据段统计值进行比特位宽信息计算，再发送到分数截位模块和整数截位模块分别进行乘法操作和比特移位操作，最后发送到信道译码模块进行相应的量化饱和处理。

本发明具有以下明显的优点和积极效果：

1.本发明通过分段统计解调数据的分布特性，可实时地跟踪解调数据的变化，确保比特位宽调节机制跟随数据的变化而自适应地进行调整，从而解决了在解调数据变化动态范围较大的情况下比特位宽动态调节的问题，保证在不同的数据幅度范围内输入信道译码模块的数据都能维持在合理的处理精度上，从而可以提高其后信道译码模块的纠错性能。

2.本发明通过采用将当前瞬时比特位宽信息与历史的比特位宽信息做平滑滤波的方式，一方面保证统计值反映了当前解调数据的变化趋势，另一方面保证统计值在长时间来看更接近于解调数据的长期统计特性，同时可以减少短时分段统计带来的统计偏差影响，增强了数据通信接收系统的平稳接收能力。

3.本发明算法复杂度低，硬件软件实现简单，所需的资源开销较少。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明系统的结构框图。

图2是本发明中数据比特位宽截位示意图。

图3是实现本发明方法的控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法适用的系统包括如下结构：该系统包括数字解调模块、信道译码模块、统计数据模块、比特位宽信息计算模块、分数截位模块和整数截位模块；所述统计数据模块接收由数字解调模块发送的数字解调数据，对该数字解调数据的分布特性进行分段统计，比特位宽信息计算模块接收上述数据段统计值进行比特位宽信息计算，再发送到分数截位模块和整数截位模块分别进行乘法操作和比特移位操作，最后发送到信道译码模块进行相应的量化饱和处理。

如图3所示，本发明提供一种适用于软解调和信道译码级链结构的自适应的比特位宽调整方法，包含以下步骤：

步骤一、分段统计数字解调数据的分布特性。具体实施时，设定分段统计长度为L，统计每一段解调数据的二阶中心矩X＝E{(x-E(x))²}，E(x)表示均值。

因为在一般的数字调制技术中，通常保证比特0和比特1的分布是等概的且对比特0和比特1采用双极性比特映射的方式，所以解调之后的数据通常可认为其统计平均E(x_i)＝0。因此对于采用双极性比特映射的系统来说，统计二阶中心矩可简化为

分段统计的长度L可根据所需资源开销的大小以及处理精度需求来设定。

步骤二、计算当前数据段统计值X对应的比特位宽精度B_x。对理论公式B_x＝log₂X，可根据处理精度的需求采用如下方式近似：

已知位宽为K的数X在计算机中以二进制格式表示为

X＝b₀2^K-1+b₁2^K-2+...+b_K-12⁰＝2^K-1(b₀+b₁2^-1+...+b_K-12^1-K)，

其中b₀，b₁..，b_K-1∈{0，1}

因此只要找到数X对应的二进制格式中除符号位外比特1的最高位的位置即可以求得X对应的比特位宽精度B_x的近似值。

步骤三、基于事先设定的参考比特位宽信息B_ref，根据当前实时统计得到的解调数据的比特位宽信息B_x粗略估计针对当前数据所需的瞬时比特位宽调整值B_c。

$B_c=\frac{B_x-B_{\mathrm{ref}}}{2},$ B_c≥0

其中参考比特位宽信息B_ref可根据调制技术的不同选取不同的经验值。

步骤四、基于记忆的历史比特位宽调整值B_h对当前的瞬时比特位宽调整值B_c做平滑滤波，以减少短时分段统计带来的统计偏差影响，同时更新记忆的比特位宽调整值。

平滑滤波可以用α滤波实现，

其中α参数可根据数据分段的长度大小L以及系统自适应调整快慢的需求进行设定。

步骤五、根据平滑滤波之后的比特位宽调整值B′_c的整数位和分数位，其整数位对应为比特移位，分数位对应为实数乘法，分别对当前分段的解调数据依次进行乘法操作和比特移位操作，最终得到有限精度的解调数据。

步骤五具体的实现方法如下：

假设B′_c＝B_I+B_f，B_I和B_f分别对应B′_c的整数位和分数位，根据B_f的取值不同可分别得到比特移位所需的位宽大小和乘法所需的乘数大小。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&gamma;}=-B_I,\mathrm{\&beta;}=1;\mathrm{if}{B}_f=0\\ \mathrm{\&gamma;}=-(B_I+1),\mathrm{\&beta;}=2-B_f;\mathrm{else}0<B_f<1\end{array}\right.$

结合图2所示，数据比特位宽调节包括两部分。首先进行分数乘法，对解调之后的数据乘以乘数β，然后再对乘法的结果进行比特右移(整数截位)，右移γ后再根据信道译码器的输入数据位宽要求进行相应的量化饱和处理。

从节省资源开销的角度出发，本步骤还可以采用先比特右移，再进行分数乘法的处理流程，可以有效降低分数乘法运算中所需的数据位宽需求。

本发明通过分段统计解调数据的分布特性，可实时地跟踪解调数据的变化，确保比特位宽调节机制跟随数据的变化而自适应地进行调整，从而解决了在解调数据变化动态范围较大的情况下比特位宽动态调节的问题，并且在具体实现过程中，对本发明所涉及的运算单元进行了大量地近似运算处理，在保证处理精度的同时大大降低了对系统资源开销的需求，使得该发明更易于硬件实现。

Claims (8)

1.一种用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、分段统计数字解调数据的分布特性；

步骤二、计算当前数据段统计值X对应的比特位宽精度B_x；

步骤三、基于事先设定的参考比特位宽信息B_ref，根据当前实时统计得到的解调数据的比特位宽信息B_x粗估针对当前数据所需的瞬时比特位宽调整值B_c；

$B_c=\frac{B_x-B_{\mathrm{ref}}}{2};$

步骤四、基于记忆的历史比特位宽调整值B_h对当前的瞬时比特位宽调整值B_c做平滑滤波，同时更新记忆的比特位宽调整值；

步骤五、平滑滤波之后的比特位宽调整值B′_c，其整数位对应为比特移位，分数位对应为实数乘法；根据B′_c的分数位和整数位对当前分段的解调数据进行乘法操作和比特移位操作，最终得到有限精度的解调数据。

2.如权利要求1所述的用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于：步骤一所述的分段统计数字解调数据的分布特性，具体包括统计数据的平均特性和二阶中心矩特性；分段统计的长度L根据所需资源开销的大小以及处理精度需求来设定。

3.权利要求2所述的用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于：步骤一所述的统计数据的平均特性、二阶中心矩特性为：X＝E{(x-E(x))²}表示随机变量x的二阶中心矩，E(x)是随机变量x的均值；在双极性比特映射的系统中，解调之后的数据的统计平均E(x_i)＝0，统计二阶中心矩为

4.权利要求1所述的用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于：步骤二所述的计算当前数据段统计值X对应的比特位宽精度B_x，理论公式是B_x＝log₂X，采用如下方式近似：

已知位宽为K的数X在计算机中以二进制格式表示为

X＝b₀2^K-1+b₁2^K-2+...+b_K-12⁰＝2^K-1(b₀+b₁2^-1+...+b_K-12^1-K)，

其中b₀，b₁，...，b_K-1∈{0，1}

因此只要找到数X对应的二进制格式中除符号位外比特1的最高位的位置即可以求得X对应的比特位宽精度B_x的近似值。

5.权利要求1所述的用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于：步骤三所述的参考比特位宽信息B_ref是指一个恒定的参考值，根据调制技术的不同选取不同的经验值。

6.权利要求1所述的用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于：步骤四所述的平滑滤波采用α滤波实现，

其中α参数根据数据分段的长度大小L以及系统自适应调整快慢的需求进行设定。

7.权利要求1所述的用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节方法，其特征在于：步骤五所述的根据B′_c的分数位和整数位对当前分段的解调数据进行乘法操作和比特移位操作，可根据处理精度和复杂度的需求，调整对解调数据的乘法操作和比特移位操作的次序，可以先进行乘法操作再进行比特移位操作，或者先进行比特移位操作再进行乘法操作。

8.一种用于软解调和信道译码级链结构的比特位宽调节系统，其特征在于，包括数字解调模块、信道译码模块、统计数据模块、比特位宽信息计算模块、分数截位模块和整数截位模块；所述统计数据模块接收由数字解调模块发送的数字解调数据，对该数字解调数据的分布特性进行分段统计，比特位宽信息计算模块接收上述数据段统计值进行比特位宽信息计算，再发送到分数截位模块和整数截位模块分别进行乘法操作和比特移位操作，最后发送到信道译码模块进行相应的量化饱和处理。

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