CN102281126B - 面向dvb-s2编码调制系统的星座映射及解映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法，涉及数字信息传输技术领域，包括以下步骤，A：发射端对输入信息进行编码、交织，得到所需码长的比特数据；B：采用类高斯输入星座映射方式和/或高维星座映射方式对所述比特数据进行星座映射得到输出符号；C：接收端采用迭代解映射方法对所接收的符号进行迭代解映射和解码。本发明能够显著减小Shaping损失，并且能以较小的映射方式复杂度的增加换取较大的系统增益，提高系统性能，具有广泛的应用场景。

Description

面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及一种面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法。

背景技术

DVB-S2(Digital Video Broadcasting-Satellite-Second Generation)是当今欧洲主要的卫星数字电视广播标准。

该标准所使用的星座图主要包括QPSK(Quadrature Phase ShiftKeying)，8PSK(Phase Shift Keying)，16APSK(Amplitude Phase ShiftKeying)以及32APSK方案，其中，QPSK与8PSK均采用的是格雷(Gray)映射，QPSK星座图和星座点映射方式如图1所示，8PSK星座图和星座点映射方式如图2所示。此外，对于8PSK、16APSK和32APSK方案，标准还使用了比特交织技术。

在发射端，对于DVB-S2标准的低频谱效率(如8PSK)方案，受星座图形状的约束，星座映射输出与理想的高斯分布相差较远，因此星座图约束下的信息传输速率与信道容量之间存在差距。这种损失称为成形Shaping损失，减小Shaping损失的技术被称为Shaping技术。目前一大类Shaping技术是采用非均匀星座图，其基本思路是使星座图中低能量的星座点数多而高能量的星座点数少，从而使得在等概映射的情况下输出信号更接近高斯分布，这种非均匀星座图也被称为类高斯星座图，例如幅度相移键控(APSK)星座图就比普通的PSK星座图更加接近高斯输入。

根据信息论中的数据处理定理，接收端独立解映射方案会带来信息损失。而迭代解映射可以有效地利用解映射与解码过程的提供的外信息，通过简单的多次迭代即可获得额外的增益。DVB-S2标准规范编码调制方案主要面向的接收机技术为独立解映射技术，虽然其编码调制方案同时还可兼顾迭代解映射，但效果不佳，有待优化和改进。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法，其能够显著减小Shaping损失，并且能以较小的映射方式复杂度的增加换取较大的系统增益，提高系统性能，具有广泛的应用场景。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法，包括以下步骤：

A：发射端对输入信息进行编码、交织，得到所需码长的比特数据；

B：采用类高斯输入星座映射方式和/或高维星座映射方式对所述比特数据进行星座映射得到输出符号；

C：接收端采用迭代解映射方法对所接收的符号进行迭代解映射和解码。

优选地，所述步骤A进一步包括：

根据DVB-S2标准所规范的编码方式和交织器对输入信息进行编码及交织，得到编码交织后的比特数据。

优选地，所述步骤B进一步包括：

采用高维星座映射方式，替代DVB-S2标准规范的QPSK星座映射方式，和/或

采用8APSK星座映射方式替代8PSK星座映射方式。

优选地，所述高维星座映射方式包括3D-BPSK星座映射方式。

优选地，所述步骤C进一步包括：

C1：接收端接收的符号经过解映射得到每个比特数据的解映射软信息；

C2：解交织模块对所述比特数据的解映射软信息进行解交织，并传递给解码模块；

C3：解码模块进行解码得到每个比特数据的解码外信息，所述解码外信息经过比特交织反馈给解映射模块；

C4：判断解映射迭代次数是否达到所设置的最大迭代次数或者解码结果是否达到预设条件；

若是，则停止迭代，对解码后的比特软信息进行硬判决，得到判决后的比特数据；

若否，则使解映射迭代次数加1后返回步骤C1。

优选地，所述3D-BPSK星座映射方式包括：

发送端先将每两个三维符号合并，再拆分成三个二维符号分三次进行传输；

接收端接收时，每接收到三个二维符号，就将其合并，再拆分成两个三维符号。

(三)有益效果

本发明在发射端采用8APSK星座映射方式替代8PSK星座映射方式，这不会增加系统实现的复杂度，却能够显著减小Shaping损失，提高系统性能。同时本发明采用高维星座映射方式，替代DVB-S2标准规范的QPSK星座映射方式，使映射方式选取的自由度大大增加，只需采用迭代解映射的方法，便可获得可观的迭代增益，使系统性能显著提升；本发明在接收端采用迭代解映射方案，能够以较小的复杂度增加换取较大的系统增益，具有广泛的应用场景。

附图说明

图1为背景技术中所述DVB-S2标准规范的QPSK星座图和星座点映射方式；

图2为背景技术中所述DVB-S2标准规范的8PSK星座图和星座点映射方式；

图3为本发明实施例中所述面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及对应的解映射方法流程图；

图4为本发明实施例所述3D-BPSK星座图和星座点映射方式；

图5为本发明实例中所述8APSK星座图和星座映射方式；

图6为面向独立解映射方案的DVB-S2的基带等效模型；

图7为面向迭代解映射方案的DVB-S2的基带等效模型；

图8为系统采用3D-BPSK以及使用迭代解映射方案的仿真结果图；

图9为系统采用8APSK以及使用迭代解映射方案的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3所示，本发明所述的面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及对应的解映射方法，包括以下步骤：

A：发射端对输入信息进行编码、交织，得到所需码长的比特数据；

本步骤进一步包括：

根据DVB-S2标准所规范的编码方式和交织器对输入信息进行编码及交织，得到编码交织后的比特数据。

B：采用类高斯输入星座映射方式和/或高维星座映射方式对所述比特数据进行星座映射得到输出符号；

本步骤进一步包括：

采用高维星座映射方式，替代DVB-S2标准规范的QPSK星座映射方式，和/或

采用8APSK星座映射方式替代8PSK星座映射方式。

其中，所述高维星座映射方式包括3D-BPSK星座映射方式，也可以是4D-BPSK星座映射方式、5D-BPSK星座映射方式等。

所述3D-BPSK星座映射方式包括：

发送端先将每两个三维符号合并，再拆分成三个二维符号分三次进行传输；

接收端接收时，每接收到三个二维符号，就将其合并，再拆分成两个三维符号。

C：接收端采用迭代解映射方法对所接收的符号进行迭代解映射和解码。

本步骤进一步包括：

C1：接收端接收的符号经过解映射得到每个比特数据的解映射软信息；

C2：解交织模块对所述比特数据的解映射软信息进行解交织，并传递给解码模块；

C3：解码模块进行解码得到每个比特数据的解码外信息，所述解码外信息经过比特交织反馈给解映射模块；

C4：判断解映射迭代次数是否达到所设置的最大迭代次数或者解码结果是否达到预设条件；

若是，则停止迭代，对解码后的比特软信息进行硬判决，得到判决后的比特数据；

若否，则使解映射迭代次数加1后返回步骤C1。其中，最大迭代次数一般取8到10次。所述预设条件是指，使用的是LDPC码解码时，解码结果满足所有的奇偶校验方程。

其中，解映射迭代次数的初始值为0。

在采用了迭代解映射的技术后，星座映射与LDPC码之间的匹配尤为重要。对于原标准中的QPSK星座图，仅有两种不同的星座映射方式，且它们与DVB-S2规范的LDPC码的匹配效果均欠佳，导致系统性能较差。本发明提出用高维星座图替换QPSK星座图，从而大大提升了映射方式选择的自由度。例如，若使用3D-BPSK星座图，可以证明供选择的互不等价的映射方式共有220种，且存在匹配效果明显优于QPSK的映射方式。这样，用3D-BPSK方案代替QPSK方案，在频谱效率维持不变的情况下，复杂度稍有增加，系统性能可得到显著提升。

图4是本发明实施例所述3D-BPSK星座图和星座点映射方式。

根据星座映射的比特翻转和星座图对称性，验证得到LDPC码下3D-BPSK星座图的互不相同的映射方式共有220种。要在这220种星座映射方式中选择与LDPC码最匹配的映射方式，应使用外信息传递图(Extrinsic Information Transfer Chart，EXIT Chart)作为编码调制系统的匹配性能的分析工具。分别计算出220种映射方式的外信息传递图曲线，再根据计算结果挑选出最优的映射方式。另外，信号进行载波传输时，由于在二维信道中，只能以二维符号为传输单位，故发送端发送三维符号时，需要将每两个三维符号合并，再拆分成三个二维符号分三次进行传输；相应地，接收端接收时，每接收到三个二维符号，就将其合并，再拆分成两个三维符号。

对于8APSK星座图，本发明中特指4-4-APSK，即内环、外环各有4个星座点，外环内环半径比可以设定。尤需指出的是，外环内环的半径比和映射方式对系统的性能起决定性作用。因此，需要先用外信息传递图分析计算出最优的外环内环半径比。然后，继续采用外信息传递图工具，找出最优的8APSK星座映射方式。

图5是本发明实例用于改进该方案的8APSK星座图和星座映射方式。其中，通过仿真分析得出最优的外环内环半径比为1.92。对此8APSK星座图与该映射方案，通过分析比特之间的等效特性(依据汉明欧式距离谱准则进行判断)可以发现该星座映射方案中L_B与L_C子映射等价，从而可以通过交换该映射的子映射的次序，得到三个不等价的映射：[L_AL_BL_C]′、[L_BL_AL_C]′、[L_BL_CL_A]′。通过仿真可以发现其中映射方案

$L=\left(\begin{array}{c}{L}_B\\ L_C\\ L_A\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}00011110\\ 10000111\\ 001410011\end{array}\right)$

是这三种映射中性能最优的。本发明采用这种星座点映射方式。

图6是面向独立解映射方案的DVB-S2的基带等效模型。

图7是面向迭代解映射方案的DVB-S2的基带等效模型。采用了迭代解映射方案的基带等效模型，其中解映射装置需要计算每一位比特的对数似然比，然后将计算得到的结果，即解映射软信息经过解交织传递给LDPC解码器，LDPC解码方案采用可以输出解码外信息的迭代解码方案。

图8是系统采用3D-BPSK以及使用迭代解映射方案的仿真结果图。对原DVB-S2的QPSK方案，分析和仿真表明使用迭代解映射没有得到增益；而采用本发明的3D-BPSK方案可以提升性能，获得约0.16dB的SNR增益(在误码率为1e-5时)。

图9是系统采用8APSK以及使用迭代解映射方案的仿真结果图。从中可以显著看到使用该两种技术，相对于原标准的编码调制系统，能够获得约0.25dB的SNR增益(在误码率为1e-5时)。性能提升的原因包括使用迭代解映射方案(提升0.05dB)和使用8APSK星座映射方案(提升0.2dB)。

仿真结果基于如表1所示的仿真环境：

表1

LDPC码	码长64800，码率0.67
		LDPC解码迭代次数	50
迭代解映射最大迭代次数	10
		最大仿真帧数	20000

信道信息

加性白高斯噪声信道

由以上实施例可以看出，通过在接收端采用迭代解映射，能够有效地减小独立解映射带来的损失；在发射端采用3D-BPSK来获得额外的自由度使得解码和解映射更加匹配、8APSK星座映射方案减少Shaping损失，都提高了DVB-S2编码调制系统的传输能力。从而显著提高基于迭代解映射的编码调制系统的性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：发射端对输入信息进行编码、交织，得到所需码长的比特数据；

B：采用类高斯输入星座映射方式和高维星座映射方式对所述比特数据进行星座映射得到输出符号；采用高维星座映射方式，替代DVB-S2标准规范的QPSK星座映射方式，和采用8APSK星座映射方式替代8PSK星座映射方式；所述8APSK是指4-4-APSK，即内环、外环各有4个星座点，外环内环半径比为1.92；所述高维星座映射方式为3D-BPSK星座映射方式，包括：发送端先将每两个三维符号合并，再拆分成三个二维符号分三次进行传输；接收端接收时，每接收到三个二维符号，就将其合并，再拆分成两个三维符号；

C：接收端采用迭代解映射方法对所接收的符号进行迭代解映射和解码。

2.如权利要求1所述面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及解映射方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

根据DVB-S2标准所规范的编码方式和交织器对输入信息进行编码及交织，得到编码交织后的比特数据。

3.如权利要求1所述面向DVB-S2编码调制系统的星座映射及对应的解映射方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括：

C1：接收端接收的符号经过解映射得到每个比特数据的解映射软信息；

C2：解交织模块对所述比特数据的解映射软信息进行解交织，并传递给解码模块；

C3：解码模块进行解码得到每个比特数据的解码外信息，所述解码外信息经过比特交织反馈给解映射模块；

C4：判断解映射迭代次数是否达到所设置的最大迭代次数或者解码结果是否达到预设条件；

若是，则停止迭代，对解码后的比特软信息进行硬判决，得到判决后的比特数据；

若否，则使解映射迭代次数加1后返回步骤C1。

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