CN102315909A - 基于比特映射的编码调制方法及其对应解调译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于比特映射的编码调制方法及其对应解调译码方法，包括以下步骤：S1、对待传的信息比特进行信道编码，得到编码比特；S2、对所述编码比特进行比特映射，得到星座符号比特；S3、对所述星座符号比特依次进行M点的星座映射，得到星座映射后的符号，并发送至后续处理单元；其中M＝2^Q，Q为一个星座符号所包含的比特数。本发明采用比特映射的DTMB编码调制方法，利用行列交织结合组内交织的方法来实现比特映射，能够显著提升高阶映射下编码调制的性能。

Description

基于比特映射的编码调制方法及其对应解调译码方法

技术领域

本发明属于数字信息传输领域，尤其涉及一种基于比特映射的编码调制方法及其对应解调译码方法。 

背景技术

数字通信系统，包括典型的无线移动通信系统和地面数字广播系统，其根本任务之一是实现数字信息的高效可靠传输。利用信道编码进行差错控制是实现这一根本任务的有效方法和手段。为了适应数字信息在常见模拟信道环境下的传输需求，信道编码技术通常需要与数字调制技术结合。信道编码与调制的结合构成编码调制系统，它是数字通信系统发射端的子系统，也是其核心模块之一。 

在信道编码领域，低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)码近年来受到广泛关注。LDPC码最早是由Robert G.Gallager于1962年提出的一类特殊的线性分组码，其主要特点是校验矩阵H具有稀疏性。LDPC码不仅有逼近香农限的良好性能，而且译码复杂度较低，结构灵活，已被广泛应用于深空通信、光纤通信、地面及卫星数字多媒体广播等领域。目前，LDPC码正在成为第四代无线移动通信系统和新一代数字电视地面广播传输系统信道编码方案的强有力竞争者，而基于LDPC码的信道编码方案已经被多个通信与广播标准所采纳，如IEEE802.16e、IEEE802.3an、欧洲第二代地面数字电视广播标准(Second Generation Digital Terrestrial Television Broadcasting，DVB-T2)以及地面数字电视多媒体广播标准(Digital Television/Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)等。 

设一个LDPC码码长为N，信息位长为K，校验位长为L＝N-K， 则该码的校验矩阵H是一个大小为L×N的矩阵。校验矩阵的每一列(即每一个编码比特)被称为变量节点，每一列中1的个数称为变量节点的度或者列重；每一行(即每一个校验方程)被称为校验节点，每一行中1的个数称为校验节点的度或者行重。LDPC码包含规则码和非规则码，其中规则码是指H矩阵各行行重相同，各列列重也相同，而非规则码则没有此限制，因此规则码可以看作是非规则码的特例。现有性能优异的LDPC码通常都是非规则码，我们可以用多项式 

和 

来描述非规则码的列重和行重分布，其中λ_i代表列重为d_i的变量节点所占的比例，ρ_j代表行重为d_j的校验节点所占的比例。 

数字通信系统基带等效模型中，调制过程又被称为星座映射，就是指将携带数字信息的比特序列映射成适于传输的符号序列。星座映射包含两个要素，即星座图(Constellation)和星座点映射方式(Labeling)。星座图代表星座映射输出符号的所有取值组成的集合，星座图的每一个点对应输出符号的一种取值。星座点映射方式代表输入比特或比特组到星座点的特定映射关系，或者星座点到比特或比特组的特定映射关系，通常每个星座点与一个比特或由多个比特组成的比特组一一对应。为了进一步提高频谱效率，高阶调制或者高阶星座映射是必不可少的手段之一。目前最为常用的高阶调制是正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，对于独立解映射的解调译码系统，即解映射和译码之间没有迭代，QAM调制的最优映射方式为格雷(Gray)映射。M点QAM将Q＝log₂M个比特 

映射到一个星座点，其十进制标号 本专利中将十进制标号标于星座图中各个对应的星座点旁边，以此来表示星座映射。图1和图2分别给出了64QAM和256QAM的格雷映射。 

高阶调制会引入不均等差错保护(Unequal Error Protection，UEP)，即同一个星座符号中不同位置的比特(简称星座符号比特) 在传输过程中刚经历不同的保护程度。通常2^2m阶调制有2m种保护程度，但2^2m阶Gray-QAM调制可以看作两路独立的2^m阶脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)，因此只有m种不同保护程度的比特。独立解映射系统中，可以认为各比特经过虚拟的独立二进制输入(Binary Input，BI)信道传输，每个比特的保护程度用虚拟子信道的信道容量，即比特和接收符号之间的平均互信息I(b_i，Y)进行衡量，虚拟子信道容量越大，则该比特的保护程度越高。与此同时，非规则LDPC码也存在比特的UEP特性，列重越大的变量节点，其保护程度也越高。因为LDPC码的置信传播(Belief Propagation，BP)译码算法可以看作重复码译码(列操作)和奇偶校验码译码(行操作)串行级联的迭代系统，H矩阵的每一列相当于一个重复编码，重复次数等于列重，显然重复次数越多，该变量节点的保护程度就越高。综上所述，2^2m阶QAM调制包含m种不同保护程度的比特，LDPC码中不同列重的变量节点也对应不同的保护程度。设LDPC码有d₁，d₂，...，d_v共v种列重，v种变量节点到m种星座符号比特之间的映射方式，本发明称为比特映射(Bit Mapping)。可以预见，比特映射将对系统性能有着至关重要的影响。需要注意的是，本发明中特别区分星座映射和比特映射两个名词。星座映射是指比特组到星座符号的映射过程，在接收端与之对应的是星座解映射，是指由接收符号计算比特软信息的过程，严格来讲，它与星座映射过程并不是可逆的，因此用解映射来表述；而比特映射是指一个LDPC码字内的比特到星座符号包含的不同比特位置的映射关系，其实质是对码字内比特位置的重新排列，在接收端对应地需要将比特软信息按照原始方式排列回去，是比特映射的逆过程，因此称为比特逆映射。 

DTMB标准采用了基于LDPC码的编码调制方案，其调制方式为Gray-QAM星座映射，包括4QAM、4QAM-NR、16QAM、32QAM以及64QAM。DTMB标准中规定信息比特流经过LDPC编码之后得到编 码比特流，然后直接送入调制器进行星座映射，中间没有比特交织模块，这相当于将不同列重的变量节点均匀映射到星座符号不同位置的比特，本发明称这种映射为均匀比特映射。均匀比特映射没有考虑高阶映射和非规则LDPC码引入的不同比特保护程度的影响，导致系统性能不能达到最优。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明的目的在于提供一种基于比特映射的编码调制方法及其对应解调译码方法，将优选的比特映射方式用于改进DTMB规范的编码调制及其对应解调译码方案，可有效提升系统性能。 

(二)技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于比特映射的编码调制方法，包括以下步骤： 

S1、对待传的信息比特进行信道编码，得到编码比特； 

S2、对所述编码比特进行比特映射，得到星座符号比特； 

S3、对所述星座符号比特依次进行M点的星座映射，得到星座映射后的符号，并发送至后续处理单元；其中M＝2^Q，Q为一个星座符号所包含的比特数。 

优选地，在所述步骤S1中，所述信道编码采用LDPC编码。 

优选地，所述LDPC编码包括但不限于DTMB标准规范的LDPC编码。 

优选地，在所述步骤S2中，所述比特映射进一步包括如下步骤： 

S21、对步骤S1所得编码比特进行行列交织，得到交织比特：将一个交织块包含的比特按列写入缓冲区，然后按行读出，其中，交织块的大小为一个LDPC码的码长N_LDPC，列数N_col为一个星座符号所包含的比特数Q的正整数倍，行数N_row＝N_LDPC/N_col； 

S22、将所述交织比特每N_col个归为一组 

称为 交织比特组，对交织比特组内部的比特进行组内交织，得到映射比特组 

映射比特组按次序串行排列即得到星座符号比特。 

优选地，所述步骤S3中，所述星座映射为Q＞1的高阶星座映射。 

优选地，在所述步骤S3中，所述星座映射包括但不限于：DTMB标准中规范的64QAM格雷映射或传统的256QAM格雷映射。 

优选地，在信道编码采用DTMB标准中规范的LDPC编码时； 

若星座映射采用DTMB规范的64QAM格雷映射，LDPC码为0.6码率时，取N_col＝Q＝6，所述组内交织的方式为 

若星座映射采用一种传统的256QAM格雷映射，LDPC码为0.6码率时，取N_col＝Q＝8，所述组内交织的方式为 

其中，所述传统的256QAM格雷映射具体为：星座点同相分量I和正交分量Q的取值均为-15，-13，-11，-9，-7，-5，-3，-1，1，3，5，7，9，11，13和15，将星座符号比特拆分为8个比特一组 

星座点的同相分量I只与同相比特组[b₄，b₃，b₂，b₁]有关，正交分量Q只与正交比特组[b₈，b₇，b₆，b₅]有关，同相比特组到同相分量I，正交比特组到正交分量Q的映射关系如下表： 

同相/正交比特组	坐标值	同相/正交比特组	坐标值
				0000	-15	1000	15
0001	-13	1001	13
				0011	-11	1011	11
0010	-9	1010	9
				0110	-7	1110	7
0111	-5	1111	5
				0101	-3	1101	3
0100	-1	1100	1

[0026] 本发明还提供一种与上述编码调制方法对应的解调译码方法，包括如下步骤： 

S4、结合信道状态信息，对接收信号进行星座解映射，得到解映射的比特软信息； 

S5、对所述解映射的比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特的软信息； 

S6、对所述编码比特软信息进行译码，并对译码结果进行硬判决，得到原始信息比特的估计。 

优选地，所述步骤S5进一步包括步骤： 

S51、对步骤S4所得解映射的比特软信息进行组内解交织，得到解交织的比特软信息；所述组内解交织是步骤S22中所述组内交织的逆过程； 

S52、对步骤S51所得解交织的比特软信息进行行列解交织，得到编码比特的软信息；所述行列解交织是步骤S21中所述行列交织的逆过程。 

(三)有益效果 

本发明采用比特映射的DTMB编码调制方法，利用行列交织结合组内交织的方法来实现比特映射，能够显著提升高阶映射下编码调制的性能。 

附图说明

图1为一种格雷映射的16QAM星座图； 

图2为一种格雷映射的256QAM星座图； 

图3为本发明基于比特映射的编码调制方法的流程图； 

图4为本发明一种实施方式中的行列交织方法示意图； 

图5为格雷映射的64QAM的各个比特和接收符号之间的平均互信息示意图； 

图6为与本发明编码调制方法对应的解调译码方法的流程图； 

图7为本发明实施例1中编码调制方案的误码性能示意图。 

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，但不是限制本发明的范围。 

如图3所示，本发明所述的基于比特映射的编码调制方法，包括如下步骤： 

S1.对待传的信息比特进行信道编码，得到编码比特； 

其中，所述信道编码采用LDPC编码； 

优选地，所述LDPC编码采用DTMB标准中规范的LDPC编码，包括(7493，3008)、(7493，4572)和(7493，6096)三种码，经过上述编码之后将前面5个校验位删除，所以实际码长为7488。 

S2.对所述编码比特进行比特映射，得到星座符号比特； 

其中，所述比特映射进一步包括如下步骤： 

S21.对步骤S1所得编码比特进行行列交织，得到交织比特； 

其中，所述行列交织过程如图4所示，将一个交织块包含的比特按列写入缓冲区，然后按行读出，其中，交织块的大小为一个LDPC码的码长N_LDPC，列数N_col为一个星座符号所包含的比特数Q的正整数倍，行数N_row＝N_LDPC/N_col； 

S22.将所述交织比特每N_col个归为一组 

称为交织比特组，对交织比特组内部的比特进行组内交织，得到映射比特组 

映射比特组按次序串行排列即得到星座符号比特； 

步骤S22中，所述比特映射的优选实施例： 

若星座映射采用DTMB规范的64QAM格雷映射，LDPC码为0.6码率时，取N_col＝Q＝6，所述组内交织的方式为 

若星座映射采用本发明规范的256QAM格雷映射(是一种传统的 256QAM格雷映射)，LDPC码为0.6码率时，取N_col＝Q＝8，所述组内交织的方式为 

其中，所述256QAM格雷映射具体为：星座点同相分量I和正交分量Q的取值均为-15，-13，-11，-9，-7，-5，-3，-1，1，3，5，7，9，11，13和15，将星座符号比特拆分为8个比特一组 

星座点的同相分量I只与同相比特组[b₄，b₃，b₂，b₁]有关，正交分量Q只与正交比特组[b₈，b₇，b₆，b₅]有关，同相比特组到同相分量I，正交比特组到正交分量Q的映射关系如表1所示。 

表1  256QAM格雷映射比特组到星座符号的映射关系 

同相/正交比特组	坐标值	同相/正交比特组	坐标值
				0000	-15	1000	15
0001	-13	1001	13
				0011	-11	1011	11
0010	-9	1010	9
				0110	-7	1110	7
0111	-5	1111	5
				0101	-3	1101	3
0100	-1	1100	1

S3.对所述星座符号比特依次进行M(M＝2^Q)点的星座映射，得到星座映射后的符号，并发送至后续处理单元； 

其中，所述星座映射为Q＞1的高阶星座映射； 

优选地，所述星座映射包括但不限于DTMB标准中规范的64QAM格雷映射或者传统的256QAM格雷映射。 

所述基于比特映射的编码调制方法，其主要思想为：由于非规则LDPC编码和高阶调制均会引入比特的不均等差错保护(UEP)，因 此合理选择LDPC码的变量节点到星座符号不同比特位置的映射关系，即比特映射，可以提高编码调制系统的性能。其中，LDPC编码的UEP特性很好理解，因为LDPC码的BP译码算法可以看作重复码译码(列操作)和奇偶校验码译码(行操作)串行级联的迭代系统，LDPC码校验矩阵H的每一列相当于一个重复编码，重复次数等于列重，显然重复次数越多，该变量节点对应比特的保护程度就越高。而对于独立解映射的高阶调制系统，可以认为各比特经过虚拟的独立二进制输入信道传输，每个比特的保护程度用虚拟子信道的信道容量，即比特和接收符号之间的平均互信息I(b_i，Y)进行衡量，虚拟子信道容量越大，则该比特的保护程度越高。作为示例，图5给出了加性高斯白噪声(AWGN)信道下，格雷映射的64QAM的不同比特对应的虚拟子信道的容量。可以看出，格雷映射的64QAM具有3种不同保护程度的比特，其中，I(b₃；Y)/I(b₆；Y)＞I(b₂；Y)/I(b₅；Y)＞I(b₁；Y)/I(b₄；Y)，表明b₃/b₆的保护程度比b₂/b₅高，而b₂/b₅的保护程度又高于b₁/b₄。 

在实际系统中，如果对比特映射的结构不加限制，需要消耗大量的储存单元和器件；在迭代解映射的系统中，还将严重影响系统的吞吐率。因此，本发明提供了一种利用行列交织结合组内交织的方法来实现比特映射。从这种结构化的比特映射方式中选取准最优解，能够以较低的复杂度换取系统性能的提升。 

如图6所示，与所述编码调制方法对应，本发明提供一种基于比特逆映射的解调译码方法，包括如下步骤： 

S4.结合信道状态信息，对接收信号进行星座解映射，得到解映射的比特软信息； 

S5.对所述解映射的比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特的软信息； 

其中，所述比特逆映射的特征在于，它是步骤S2中所述比特映射 的逆过程。 

步骤S5进一步包括步骤： 

S51、对步骤S4所得解映射的比特软信息进行组内解交织，得到解交织的比特软信息；所述组内解交织是步骤S22中所述组内交织的逆过程； 

S52、对步骤S51所得解交织的比特软信息进行行列解交织，得到编码比特的软信息；所述行列解交织是步骤S21中所述行列交织的逆过程。 

S6.使用置信传播算法对所述编码比特软信息进行LDPC译码，并对译码结果进行硬判决，得到原始信息比特的估计。 

实施例1 

为了显示本发明提出的比特映射技术的优势，本实施例给出一个带有具体参数的采用比特映射技术的编码调制方法、解调译码方法，并给出其误码性能。 

发射端： 

A1.对待传的信息比特进行信道编码，得到编码比特； 

其中，所述信道编码采用DTMB标准中规范的(7493，4572)LDPC编码，经过上述编码之后将前面5个校验位删除，所以实际码长为7488。 

A2.对步骤A1所得编码比特进行行列交织，得到交织比特； 

其中，所述行列交织过程为，将一个交织块包含的比特按列写入缓冲区，然后按行读出，其中，交织块的大小为一个LDPC码的码长N_LDPC＝7488，根据后述步骤A4中的星座映射方式选择行数和列数： 

●若步骤A4中采用DTMB规范的64QAM星座映射，则列数N_col取6，行数N_row取1248； 

●若步骤A4中采用本发明规范的256QAM星座映射，则列数N_col取8，行数N_row取936； 

A3.将步骤A2所得的交织比特每N_col个归为一组 

称为交织比特组，对交织比特组内部的比特进行组内交织，得到映射比特组 

映射比特组按次序串行排列即得到星座符号比特； 

其中，组内交织的方式根据步骤A4中的星座映射方式有如下选择： 

●若步骤A4中采用DTMB规范的64QAM星座映射，则组内交织方式为 

●若步骤A4中采用本发明规范的256QAM星座映射，则组内交织方式为 

A4.对步骤A3所得的星座符号比特进行64QAM格雷映射或者256QAM格雷映射，得到星座映射后的符号，并发送至后续处理单元；接收端： 

B1.结合信道状态信息，对接收信号进行星座解映射，得到解映射的比特软信息； 

B2.对步骤B1所得解映射的比特软信息进行组内解交织，得到解交织的比特软信息； 

其中，所述组内解交织是步骤A3中所述组内交织的逆过程； 

B3.对步骤B2所得解交织的比特软信息进行行列解交织，得到编码比特的软信息； 

其中，所述行列解交织是步骤A2中所述行列交织的逆过程； 

B4.使用置信传播算法对步骤B3所得的编码比特软信息进行LDPC译码，并对译码结果进行硬判决，得到原始信息比特的估计。 

为了显示本发明提出的比特映射技术的优势，本实施例还进一步通过计算机仿真得到了上述编码调制具体方案的误码性能。仿真参数设置如下： 

●LDPC译码采用BP算法，迭代50次； 

●64QAM格雷映射和256QAM格雷映射如图1和图2所示； 

●仿真信道为AWGN信道； 

●噪比门限在误码率为10^-5时衡量。 

在上述参数设置下，仿真结果如图7和表2所示。从图中可以看出，在误码率为10^-5时，采用本发明提出的比特映射的编码调制系统，在64QAM模式下比原始系统性能提升约0.42dB，在256QAM模式下比原始系统性能提升约0.65dB。该结果有力地证明了本发明提出的比特映射方法的有效性。 

表2  比特映射参数和误码率仿真结果 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种基于比特映射的编码调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对待传的信息比特进行信道编码，得到编码比特；

S2、对所述编码比特进行比特映射，得到星座符号比特；

S3、对所述星座符号比特依次进行M点的星座映射，得到星座映射后的符号，并发送至后续处理单元；其中M＝2^Q，Q为一个星座符号所包含的比特数。

2.如权利要求1所述的编码调制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述信道编码采用LDPC编码。

3.如权利要求2所述的编码调制方法，其特征在于，所述LDPC编码包括但不限于DTMB标准规范的LDPC编码。

4.如权利要求1所述的编码调制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述比特映射进一步包括如下步骤：

S21、对步骤S1所得编码比特进行行列交织，得到交织比特：将一个交织块包含的比特按列写入缓冲区，然后按行读出，其中，交织块的大小为一个LDPC码的码长N_LDPC，列数N_col为一个星座符号所包含的比特数Q的正整数倍，行数N_row＝N_LDPC/N_col；

S22、将所述交织比特每N_col个归为一组

称为交织比特组，对交织比特组内部的比特进行组内交织，得到映射比特组

映射比特组按次序串行排列即得到星座符号比特。

5.如权利要求1所述的编码调制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述星座映射为Q＞1的高阶星座映射。

6.如权利要求5所述的编码调制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述星座映射包括但不限于：DTMB标准中规范的64QAM格雷映射或传统的256QAM格雷映射。

7.如权利要求6所述的编码调制方法，其特征在于，在信道编码采用DTMB标准中规范的LDPC编码时；

若星座映射采用DTMB规范的64QAM格雷映射，LDPC码为0.6码率时，取N_col＝Q＝6，所述组内交织的方式为

若星座映射采用一种传统的256QAM格雷映射，LDPC码为0.6码率时，取N_col＝Q＝8，所述组内交织的方式为

其中，所述传统的256QAM格雷映射具体为：星座点同相分量I和正交分量Q的取值均为-15，-13，-11，-9，-7，-5，-3，-1，1，3，5，7，9，11，13和15，将星座符号比特拆分为8个比特一组

星座点的同相分量I只与同相比特组[b₄，b₃，b₂，b₁]有关，正交分量Q只与正交比特组[b₈，b₇，b₆，b₅]有关，同相比特组到同相分量I，正交比特组到正交分量Q的映射关系如下表：

  同相/正交比特组   坐标值   同相/正交比特组   坐标值   0000   -15   1000   15   0001   -13   1001   13   0011   -11   1011   11   0010   -9   1010   9   0110   -7   1110   7   0111   -5   1111   5   0101   -3   1101   3   0100   -1   1100   1

8.一种与权利要求1-7中任一项所述的编码调制方法对应的解调译码方法，其特征在于，包括如下步骤：

S4、结合信道状态信息，对接收信号进行星座解映射，得到解映射的比特软信息；

S5、对所述解映射的比特软信息进行比特逆映射，得到编码比特的软信息；

S6、对所述编码比特软信息进行译码，并对译码结果进行硬判决，得到原始信息比特的估计。

9.如权利要求8所述的解调译码方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括步骤：

S51、对步骤S4所得解映射的比特软信息进行组内解交织，得到解交织的比特软信息；所述组内解交织是步骤S22中所述组内交织的逆过程；

S52、对步骤S51所得解交织的比特软信息进行行列解交织，得到编码比特的软信息；所述行列解交织是步骤S21中所述行列交织的逆过程。

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