CN102307175A - 多载波系统的软判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多载波系统的软判决方法。包括步骤：对输入的信号进行同步，再将信号进行信道估计和噪声方差估计器进行噪声方差估计；将经过所述信道估计的信号进行快速傅里叶计算后输出到相位均衡器；在相位均衡器对数据的相位进行纠正；将相位纠正后的数据、信道响应的模和估计的噪声方差数据传入软判决模块，计算软判决的公共参数；根据星座图结构和计算得到的公共参数，获得每个比特的对数似然比信息；将所述的对数似然比信息进行译码。本发明多载波系统的软判决方法能够很好的支持各种调制模式的星座解调，明显的减小了硬件开销，可以适用于对任何格雷码星座映射进行软判决，极大的提高了软判决的速度和对各种模式的星座映射的通用性。

Description

多载波系统的软判决方法

技术领域

本发明涉及多载波系统的软判决方法，特别适合用于任何格雷码星座映射进行软判决的方法。

背景技术

随着现代通信技术的发展，各种通信业务对数据传输速率的要求越来越高，有限的频谱资源显得愈加珍贵。采用高阶多元调制技术可以有效提高系统的通信效率，但是在发射功率一定时，采用高阶多元调制技术会使得系统功率效率降低。现代通信系统中大多使用较好的信道编码方案(如Turbo码，LDPC码等)来解决高阶调制技术功率效率低的缺点。传统的多载波接收机中包括了同步器、信道估计器、FFT(快速傅立叶变换)、噪声方差估计器和信道译码器，信道译码器采用软输入信息进行迭代译码，即解调器不进行判决，而是直接输出模拟量或是将解调器输出波形进行多电平量化，而不是进行简单的0、1两电平量化。这样可以获得高于硬判决技术2～3dB的性能增益。所以在对星座映射解调时，均采用软判决技术代替硬判决技术来计算信号比特的软判决信息，以保证信道译码器的性能。

为了满足各种业务需求，目前的通信系统中大多采用格雷码方式的星座映射，并且要求支持多种星座调制模式(如32QAM、64QAM等模式)，其中包括方形星座和非方形星座。传统的软判决信息生成的方法多是基于最小欧式距离算法的改进方法。

方形星座如图1所示，其I、Q两路信号相互独立，每个比特的置信度信息只与信号的实部或虚部有关。非方形星座如图2所示，其比特置信度不仅可能与信号的实部有关，还可能与虚部有关。在非方形星座下，其I、Q两路信号不是相互独立的，信号的实部和虚部都可能对某比特的置信度产生影响。方形星座可以看作非方形星座的一种特例。图中的I、Q信号为：根据三角函数关系式，载波信号可以展开为两部分：cosw_ct部分和sinw_ct部分，其中含cosw_ct部分的项称为同向分量(I-phase，I分量)，含sinw_ct部分的项称为正交分量(Quadature，Q分量)。b_i(i＝0、1、2…5)表示一个调制符号(如64QAM、32QAM等)的比特。坐标值中的a为调制参数，在某一种调制模式下为常量。图中的各数值(如100000、100001等)为每个对应的比特在该位置的取值。

传统的信号均衡的频域表达式为

其中R为接收到的信号，H为信道在子载波上的复数增益，Y表示均衡后符号，*表示对复数取共轭，||²为复数模方。这种传统的方式对信号均衡时引入了除法运算，增加了硬件资源的消耗，并且由于需要在资源开销和数据精度之间做折中，结果常使得系统的性能有所降低。并且基于最小欧式距离算法的解调器太过复杂，为了支持多种星座模式的解调，硬件开销也很大。而目前基于最小欧式距离算法改进的简化算法多是针对特定的星座图特点设计的，还不能很好的支持多种星座图的解调。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供了一种多载波系统的软判决方法，能够支持各种调制模式的星座解调，并且硬件开销小，可以适用于对任何格雷码星座映射进行软判决。

本发明多载波系统的软判决方法，包括步骤：

通过同步器对输入的信号进行同步，再将信号经信道估计器进行信道估计和噪声方差估计器进行噪声方差估计；

将经过所述信道估计的信号进行快速傅里叶计算后输出到相位均衡器；

在相位均衡器对数据的相位进行纠正；

将相位纠正后的数据、信道响应的模和估计的噪声方差数据传入软判决模块，计算软判决的公共参数；

根据星座图结构和计算得到的公共参数，获得每个比特的对数似然比信息；

将所述的对数似然比信息通传入信道译码器，进行译码。

其中信号同步、信道估计、快速傅立叶计算、噪声方差估计和信道译码均与现有方式相同。在本发明的方法中将信号相位的纠正和幅度的补偿分开进行处理，相位纠正步骤只对数据相位进行纠正，将传统的信号均衡的频域表达式

表示为Y＝R·H^*，目的在于简化系统的设计。幅度的补偿在计算公共参数中进行处理。软判决模块采用计算公共参数和对数似然比的两极结构实现，这样即可以计算出所有具有格雷码星座映射的调制模式的对数似然比信息，同时也避免了信道均衡时的硬件的除法结构，使得软判决方法和系统都得到了简化。

具体的，在星座调制的比特分布图中，通过部分硬判决将星座进行区域划分，将信号实部与虚部对于比特置信度度量的影响区分开，使每个比特的置信度的度量信息只与所在区域内的实部或虚部相关。

进一步的，所述的计算软判决的公共参数包括：

设置信号的置信度为与该比特相关的接收信号的实部或虚部到硬判决线的有符号的欧式距离。所述的硬判决即为当比特值为≥1时，判决为1，否则判决为0。所述的硬判决线为，如图7和图8所示星座调制的比特分布示意图，图中的实现框和虚线框分别划除了每个比特“0”和“1”的取值区域，在相邻的“0”和“1”的区域间有虚直线分隔，这个虚直线就是所述的硬判决线。

在非方形星座映射下，对载波的星座图进行区域划分，使同向分量(I分量)和正交分量(Q分量)两路信号对信号比特分别产生独立的影响，以便对不同的区域分别计算比特对数似然比。

如在32QAM的星座调制模式中，当Re＜6a时，信号的置信度仅与信号的虚部有关时，根据接收信号的虚部到硬判决线的距离计算信号中比特置信度；当Re＞6a时，如果信号的实部＞虚部时，选择信号的虚部到I轴的距离计算信号的置信度，信号的实部≤虚部时选择信号的实部到Q轴的距离计算信号的置信度。当Re＝6a时为边界情况，可以根据实际环境将其与Re＜6a或Re＞6a做相同处理。其中Re为接收到的信号数据的实部。

为了简化运算和系统的负载，一种优选的方式为在计算公共参数和获得每个比特的对数似然比信息时，将运算方式相同的部分进行合并，以提高系统运行的效率。

测试得知，本发明多载波系统的软判决方法能够很好的支持各种调制模式的星座解调，明显的减小了硬件开销，可以适用于对任何格雷码星座映射进行软判决，极大的提高了软判决的速度和对各种模式的星座映射的通用性。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是方形星座映射示意图。

图2是非方形星座映射示意图。

图3是本发明多载波系统的软判决方法的流程图。

图4是图3的软判决步骤中公共参数计算的框图。

图5是32QAM调制模式下本发明方法和标准对数似然比算法的性能对比示意图。

图6是64QAM调制模式下本发明方法和标准对数似然比算法的性能对比示意图。

图7是图1的星座调制的比特分布图。

图8是图2的星座调制的比特分布图。

具体实施方式

如图3所示多载波系统的软判决方法，包括步骤：

通过同步器对输入的信号进行同步，再将信号经信道估计器进行信道估计和噪声方差估计器进行噪声方差估计；其中1/σ²为方差倒数。

将经过所述信道估计的信号进行快速傅里叶计算(FFT)后输出到相位均衡器；

由于信号在无线信道中传输时，将不可避免的产生相位旋转和幅度畸变。为了在接收端尽可能的恢复发送数据，解调时必须考虑消除信道引入的对信号相位和幅度的影响。因此将经过快速傅立叶计算后的信号在相位均衡器对数据的相位进行纠正；其中H为信道在子载波S处的复数增益，Y表示均衡后符号，*表示对复数取共轭，||²为复数模方。在该步骤中，只对接收信号进行相位纠正，不作幅度补偿，因此信号相位纠正的频域表示式为Y＝R·H^*。幅度补偿在计算公共参数中进行处理。通过这种对信号相位的纠正和幅度的补偿分别处理的方式，即避免了信道均衡部分的除法结构，又带来了软判决算法上的简化。

将相位纠正后的数据、信道响应的模和估计的噪声方差数据传入软判决模块，计算软判决的公共参数。在星座调制的比特分布图中，通过部分硬判决将星座进行区域划分，将信号实部与虚部对于比特置信度度量的影响区分开，使每个比特的置信度的度量信息只与所在区域内的实部或虚部相关。具体为：

设置信号的置信度为与该比特相关的接收信号的实部或虚部到硬判决线的有符号的欧式距离d(r)。如图7中，如果接收信号在比特b_i＝1的区域内，则该距离d(r)为正；否则，该距离d(r)为负。距离d(r)的正/负号决定了对应比特硬判决的结果，其绝对值代表该比特的置信度程度。

在如图2所示的非方形星座映射下，引入部分硬判决，对载波的星座图进行区域划分，将接收到的信号数据实部Re分为Re＜6a和Re＞6a两个部分，使同向分量(I分量)和正交分量(Q分量)两路信号对信号比特分别产生独立的影响，以便于对不同的区域计算比特对数似然比。对信号比特进行硬判决，当Re＜6a时，信号的置信度仅与信号的虚部有关时，根据接收信号的虚部到硬判决线的距离计算信号中比特置信度；当Re＞6a时，如果信号的实部＞虚部时，选择信号的虚部到I轴的距离计算信号的置信度，信号的实部≤虚部时选择信号的实部到Q轴的距离计算信号的置信度。当Re＝6a时为边界情况，可以根据实际环境将其与Re＜6a或Re＞6a做相同处理。在图2所示的非方形星座映射中，32QAM调制模式下的比特置信度的计算公式为

由于没有对信号的幅度进行补偿，在计算比特的对数似然比信息时，需要根据信道信息对硬判决线做动态的调整。上式中的6a·|H|²即表示对硬判决线的调整，该位置实际划分的0、1区域的坐标为6a。

进而以比特的置信度计算32QAM模式下比特的对数似然比表达式为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{LLR}\left(b_i\right)=-12a\·d\left(r_i\right)/{\mathrm{\σ}}^2,i=\mathrm{1,3,4}\\ \mathrm{LLR}\left(b_i\right)=-6a\·d\left(r_i\right)/{\mathrm{\σ}}^2,i=\mathrm{0,2}\end{array}\right.$

其中系数12和6，是仿真中，根据接收机的信道译码器最优性能进行设置的。

由于不同星座的对数似然比计算公式具有相似的线性运算方程，因此在计算公共参数和获得每个比特的对数似然比信息时，将运算方式相同的部分进行合并，以简化运算过程。本发明中采用两级步骤方式，第一级计算公共参数，第二级根据星座图结构和计算得到的公共参数，获得每个比特的对数似然比信息。在如图4所示的公共参数计算框图中，归一化因子a在每一种星座调制中是一个固定常数，因此通过不同星座调制各自的归一化因子，可以产生解调星座图的公共参数。根据实际环境中系统吞吐率的要求，可以在图4的虚线位置增加流水线，流水线的作用是把规模较大、层次较多的组合逻辑电路分为几个级，在每一级插入寄存器组并暂存中间结果，这样可以极大提高系统的吞吐率。

图4中的各符号表示：an：噪声方差倒数1/σ和归一化因子a的乘积；anh：变量an和变量ah的乘积；ah：信道信息和归一化因子a的乘积；anre：变量an和数据实部Re绝对值的乘积；anhre：变量anre与变量anh相减之差；anim：变量an和数据虚部Im绝对值的乘积；anhim：变量anim与变量anh的乘积；fabs：取绝对值操作；

乘法器；

加法器。

在软判决的对数似然比计算中，对上述的对数似然比表达式化简后，得到32QAM模式下信息中各比特的对数似然比信息：

为了支持不同的调制模式，只需要根据星座映射图的特点，在进行对数似然比的步骤中增加需要的选通器，从多个输入数据中选取其一输出到公共的输出端。由于在方法的步骤中对相应的计算方式都进行了简化，将计算深度减小为一级，因此最多通过一次比较，即可得到对应星座图各个比特的对数似然比信息，极大的提高了判决效率和对各种星座调制的通用性。

将通过以上步骤得到的对数似然比信息通传入信道译码器，进行译码。

在本发明方法中，其中的信号同步、信道估计、快速傅立叶计算、噪声方差估计和信道译码均与现有方式相同，在此不作详述。

为了验证本发明方法的性能，将本发明方法应用于DTMB(一种国家制定的地面数字高清电视标准)系统的接收机中。在32QAM和64QAM两种调制模式下，将本发明的方法和标准的对数似然比算法(log-MAP)的性能进行对比，采用的信道模型分别为高斯白噪声信道和ETSI(一种电信标准)信道。采用的LDPC(低密度奇偶校验码)为0.6码率的(7493，4512)码，LDPC译码算法采用偏移最小和算法，迭代次数设置为20次。

图5和图6分别为32QAM与64QAM调制模式下，经过信道译码器后，接收机的BER(误比特率)性能。其中AWGN为加性高斯白噪声，ETSI为电信标准，BER为误码率，SNR为信噪比，实线为本发明方法的性能曲线，虚线为标准log-MAP算法的性能曲线。

如图5所示，对32QAM模式进行软判决时，引入硬判决进行区域划分时，影响了部分性能，因此两条曲线没有基本重合，但误差值很小。如图6所示，64QAM调制模式下，本发明的方法和标准的log-MAP算法的性能基本吻合。因此图5和图6说明，不管在高斯信道下还是在衰落信道下，本发明的方法和标准的log-MAP算法在性能上的差别都很小，说明本发明的方法性能良好，具有很好通用性。

Claims (4)

1.多载波系统的软判决方法，其特征为包括步骤：

通过同步器对输入的信号进行同步，再将信号经信道估计器进行信道估计和噪声方差估计器进行噪声方差估计；

将经过所述信道估计的信号进行快速傅里叶计算后输出到相位均衡器；

在相位均衡器对数据的相位进行纠正；

将相位纠正后的数据、信道响应的模和估计的噪声方差数据传入软判决模块，计算软判决的公共参数；

根据星座图结构和计算得到的公共参数，获得每个比特的对数似然比信息；

将所述的对数似然比信息传入信道译码器，进行译码。

2.如权利要求1所述的多载波系统的软判决方法，其特征为在星座调制的比特分布图中，通过部分硬判决将星座进行区域划分，将信号实部与虚部对于比特置信度度量的影响区分开，使每个比特的置信度的度量信息只与所在区域内的实部或虚部相关。

3.如权利要求2所述的多载波系统的软判决方法，其特征为所述的计算软判决的公共参数包括：

设置信号的置信度为与该比特相关的接收信号的实部或虚部到硬判决线的有符号的欧式距离；

在非方形星座映射下，对载波的星座图进行区域划分，使同向分量和正交分量两路信号对信号分别产生独立的影响，以便对不同的区域分别计算比特对数似然比。

4.如权利要求1至3之一所述的多载波系统的软判决方法，其特征为在计算公共参数和获得每个比特的对数似然比信息时，将运算方式相同的部分进行合并。

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