CN103036845B - 一种基于apsk星座图的非等概星座映射方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，采用非均匀星座图和非等概映射技术，使得星座映射输出信号的分布逼近高斯分布，从而获得Shaping增益，提高编码调制系统的性能，降低解调时信噪比门限。
Description
技术领域
本发明属于编码调制技术领域，尤其涉及一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法。
背景技术
随着互联网技术和多媒体业务的快速发展，信息的采集、传播的速度和规模达到空前的水平，数字通信系统需要传输越来越多的信息数据，对高传输速率和高传输可靠性的要求日益增长。在数字通信中，数字调制是保证数字信号能可靠高效传输的核心技术之一。如何设计高可靠性、高传输效率的调制方案，是数字通信领域中的一大研究热点。
在数字通信中，信源产生的数字比特序列按照特定的星座映射方案生成符号。星座映射包含星座图和星座映射方式。星座图是星座映射生成符号的所有可能取值（即星座点）的集合，星座映射方式是输入比特序列到星座点的映射关系。根据信息论知识，在加性白高斯噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道下，当发送功率受限时，只有当信道输入分布满足高斯分布时，才能达到信道容量。然而，在实际的数字通信系统中，由于受到星座图的约束，系统的信息传输速率与信道容量之间存在差距，这被称为Shaping损失。对于采用传统的等概映射正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）的通信系统，其性能到信道容量限之间的差距在高频谱效率下高达1.53dB。
设计星座映射时，使受星座图约束下的输出更逼近高斯分布，可以降低Shaping损失。这一技术被称为Shaping技术，其带来的增益称为Shaping增益。Shaping增益可以由多种方式得到。其中一种方式是采用非均匀星座图的Shaping技术，即使得星座图各点非均匀分布，使得在等概映射情况下的输出信号更接近于高斯分布。基于这一Shaping技术，有人提出了一种等概映射的幅度相移键控星座图（Amplitude-Phase Shift Keying，APSK），参见文献：Z.Yang,Q.Xie,K.Peng and Z.Wang,“A novel BICM-ID system approaching Shannon-limitat high spectrum efficiency，”IEICE Trans.Commun.,vol.E94-B,no.3,pp.793-795,Mar.2011。相比QAM星座图，APSK星座图在AWGN信道和衰落信道下都能带来一定的Shaping增益。得到Shaping增益的另一种方式是非等概映射的Shaping技术，参见文献：A.Calderbank and L.Ozarow，“Non-equiprobable signaling on the Gaussian channel,”IEEETrans.Inform.Theory,vol.36,no.4,pp.726-740,July 1990。在该文献中，Calderbank和Ozarow认为星座图中低能量的星座点的取值概率应比高能量的星座点要高，这能使星座映射输出信号的分布更接近于高斯分布，带来一定的Shaping增益，提高通信系统的传输可靠性。然而以上基于现有技术得到的非等概APSK星座映射在独立解映射或者迭代解映射情况下，无法进一步提供Shaping增益，从而使得现有技术得到的非等概APSK星座映射不具有逼近香农极限的性能。
发明内容
本发明提供一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法，用于解决基于现有技术得到的非等概APSK星座映射在独立解映射或者迭代解映射情况下，无法进一步提供Shaping增益，从而使得现有技术得到的非等概APSK星座映射无法逼近香农极限的问题。
本发明提供的一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法，包括以下步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，新星座点的位置在所述组内原星座点的几何中心。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，新星座点的位置在所述组内原星座点的相位中心，所述相位中心的幅度与原星座点的幅度相同，且新星座点的相位是原星座点相位的平均值。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点分组方法为：同一组的星座点全部分布在同一个环上且连续分布。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点分组方法为：每组包含的星座点数为2的幂次方。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点分组方法为：在每个环上所有组包含的星座点数都相等。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点的合并涉及的环是一个或者二个以上。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其所述APSK星座图由R个环组成，从内到外，第l环的半径值为rl： 1≤l≤R。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，各环的半径值按照相同比例扩大或者缩小。
进一步，根据本发明所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，第l环半径值的范围是所述半径值rl的0.9倍到1.1倍之间。
本发明提供的一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法，采用非均匀星座图和非等概映射技术，使得星座映射输出信号的分布逼近高斯分布，从而获得Shaping增益，提高编码调制系统的性能，降低解调的信噪比门限。依照本发明所述方法得到的非等概APSK星座映射，结合非均匀星座图和非等概映射两种Shaping技术的特点，相比于同等条件下仅采用非均匀星座图的等概APSK星座映射性能更优。
附图说明
图1为本发明实施例的基于APSK星座图的非等概星座映射方法流程图；
图2为本发明实施例1的64阶等概APSK星座映射图；
图3为本发明实施例1的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的64阶非等概APSK星座映射图；
图4为本发明实施例1的64阶APSK星座映射的仿真结果对比图；
图5为本发明实施例2的256阶等概APSK星座映射图；
图6为本发明实施例2的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的256阶非等概APSK星座映射图；
图7为本发明实施例2的256阶APSK星座映射的仿真结果对比图；
图8为本发明实施例3的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的256阶非等概APSK星座映射图；
图9为本发明实施例4的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的64阶非等概APSK星座映射图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明和具体实施方式作进一步详细描述。
本发明实施例提供的一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法，包括以下步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，新星座点的位置在所述组内原星座点的几何中心。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，新星座点的位置在所述组内原星座点的相位中心，所述相位中心的幅度与原星座点的幅度相同，且新星座点的相位是原星座点相位的平均值。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点分组方法为：同一组的星座点全部分布在同一个环上且连续分布。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点分组方法为：每组包含的星座点数为2的幂次方。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点分组方法为：在每个环上所有组包含的星座点数都相等。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，所述步骤S3中，星座点的合并涉及的环是一个或者二个以上。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其所述APSK星座图由R个环组成，从内到外，第l环的半径值为rl： 1≤l≤R。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，各环的半径值按照相同比例扩大或者缩小。
进一步，根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，第l环半径值的范围是所述半径值rl的0.9倍到1.1倍之间。
本发明实施例提供的一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法。这种星座映射以等概率格雷映射的APSK星座图为基础，所述APSK星座图的阶数是M＝2m，环数为每个环上的点数nl相等且其中m＝m1+m2，m1、m2和m均为正整数，从内到外第l环的半径优选为rl：1≤l≤R，且各环半径可以同比例扩大或缩小，也可以在该式的基础上微调，优选的，所述微调可以是在半径值rl的0.9倍到1.1倍之间。图1为本发明实施例的基于APSK星座图的非等概星座映射方法流程图，如图1所示，在构造非等概星座映射时，APSK星座图中的部分星座点合并为新星座点，将原星座点对应的映射比特序列分配给合并而成的星座点。合并而得的新星座点的使用概率是其他未合并的星座点的整数倍，在调制时可由多个比特序列映射而得。使用基于本发明所述方法构造的非等概APSK星座映射的编码调制系统，在常用码率下优于同等条件下采用等概APSK星座映射的编码调制系统。
实施例1
根据本发明实施例1所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法得到的一种64阶非等概APSK星座的映射方案，生成方法包括步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
其中，参数选择如下，假设星座映射阶数M=64，环数R=4，每个环上的星座点数为16，所有环的相位偏移均为π/16；第l环的半径值由公式计算得到；平均功率归一化后，第1环到第4环的半径分别为0.3818、0.7164、1.0348、1.5067。
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
图2为本发明实施例1的64阶等概APSK星座映射图，对于一个长为6的比特向量，令其中4个比特仅与星座点的相位有关，这4个比特与相位之间采用格雷映射，其余2个比特仅与星座点的幅度有关，这2个比特与幅度之间采用格雷映射，所得到的格雷映射的64阶等概APSK星座图如图2所示。
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
本实施例中，仅合并第1环上的星座点。将第1环上的星座点划分为8组，每组包含2个星座点，同一组的星座点在环上连续分布。合并而成的新星座点的位置在组内原星座点的相位中心处。
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。
图3为本发明实施例1的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的64阶非等概APSK星座映射图，经过星座点合并和新星座点映射比特序列分配后，即本发明实施例所述方法后，得到的64阶非等概APSK星座映射如图3所示。在本实施例中，原等概APSK星座图中第1环上的星座点合并得到的新星座点等效产生一个新环，其半径与原环半径一致，相位偏移为π/8，环上的星座点数为8，每个星座点对应2个映射比特序列，取值概率是其余环上星座点的2倍。
为了展示本实施例所得到的64阶非等概APSK星座映射相对64阶等概APSK星座映射的优势，本实施例还进一步通过计算机仿真得到了采用这两种星座映射方案的编码调制系统的误码性能。仿真参数设置如下：
采用DVB-S2标准中给定的码率为2/3，码长为64800的LDPC码；
译码采用和积译码算法，译码最大迭代次数为50；
解映射采用Log-MAP算法，解映射方案为独立解映射；
仿真信道为AWGN信道。
图4为本发明实施例1的64阶APSK星座映射的仿真结果对比图，在上述参数设置下，仿真结果如图4所示。从图中可以看出，在误比特率达到10-4时，采用本实施例得到的非等概APSK星座映射优于采用等概APSK星座映射的性能大约0.05dB。离信道容量限11.76dB的距离仅有1.37dB。
实施例2
据本发明实施例2所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法得到的一种256阶非等概APSK星座映射的方案，生成方法包括步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
其中，参数选择如下，星座映射阶数M=256，环数R=8，每个环上的星座点数为32，所有环的相位偏移均为π/32。第l环的半径由公式计算得到。平均功率归一化后，第1环到第8环的半径分别为0.2596、0.4657、0.6256、0.7752、0.9293、1.1023、1.3223、1.7018，对上述半径值在0.9至1.1倍之间进行微调，得到第1环到第8环的半径分别为0.2639、0.4750、0.6333、0.7916、0.9499、1.1346、1.3457、1.6360。
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
图5为本发明实施例2的256阶等概APSK星座映射图，对于一个长为8的比特向量，令其中5个比特仅与星座点相位有关，这5个比特与相位之间采用格雷映射，其余3个比特仅与星座点幅度有关，这3个比特与幅度之间采用格雷映射，所得到的格雷映射的APSK星座图如图5所示。
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
本实施例中，仅合并第1环上的星座点。将第1环上的星座点划分为16组，每组包含2个星座点，同一组的星座点在环上连续分布，合并而成的新星座点的位置在组内原星座点的相位中心处。
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。
图6为本发明实施例2的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的256阶非等概APSK星座映射图，经过星座点合并和新星座点映射比特序列分配后，即本发明实施例所述方法后，得到的256阶非等概APSK星座映射如图6所示。在本实施例中，原等概APSK星座图中第1环上的星座点合并得到的新星座点等效产生一个新环，其半径与原环半径一致，相位偏移为π/16，环上的星座点数为16，每个星座点对应2个映射比特序列，取值概率是其余环上星座点的2倍。
为了展示本实施例所得到的256阶非等概APSK星座映射相对256阶等概APSK星座映射的优势，本实施例还进一步通过计算机仿真得到了采用这两种星座映射方案的编码调制系统的误码性能。仿真参数设置如下：
采用DVB-S2标准中给定的码率为5/6，码长为64800的LDPC码；
交织器采用DVB-S2标准中给定的比特交织器；
译码采用和积译码算法，译码最大迭代次数为50；
解映射采用Log-MAP算法，解映射方案为独立解映射；
仿真信道为AWGN信道。
图7为本发明实施例2的256阶APSK星座映射的仿真结果对比图，在上述参数设置下，仿真结果如图7所示。从图中可以看出，在误比特率达到10-4时，采用本实施例得到的非等概APSK星座映射优于采用等概APSK星座映射的性能大约0.05dB。离信道容量限20.03dB的距离仅有1.75dB。
实施例3
根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法得到的一种256阶非等概星座映射方案，生成方法包括步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
其中，参数选择如下，星座映射阶数M=256，环数R=8，每个环上的星座点数为32，所有环的相位偏移均为π/32。第l环的半径由公式计算得到，平均功率归一化后，第1环到第8环的半径分别为0.2596、0.4657、0.6256、0.7752、0.9293、1.1023、1.3223、1.7018，对上述半径值在0.9至1.1倍之间进行微调，得到第1环到第8环的半径分别为0.2496、0.4356、0.6255、0.7751、0.9292、1.1022、1.3221、1.7116。
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
图5为本发明实施例2的256阶等概APSK星座映射图，对于一个长为8的比特向量，令其中5个比特仅与星座点相位有关，这5个比特与相位之间采用格雷映射，其余3个比特仅与星座点幅度有关，这3个比特与幅度之间采用格雷映射，所得到的格雷映射的APSK星座图如图5所示。
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
本实施例中，对第1环和第2环上的星座点进行合并。将第1环上的星座点划分为8组，每组包含4个星座点，同一组的星座点在环上连续分布，合并而成的新星座点的位置在组内原星座点的几何中心处；将第2环上的星座点划分为16组，每组包含2个星座点，同一组的星座点在环上连续分布，合并而成的新星座点的位置在组内原星座点的几何中心处。
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。
图8为本发明实施例3的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的256阶非等概APSK星座映射图，经过星座点合并和新星座点映射比特序列分配后，即本发明实施例所述方法后，得到的256阶非等概APSK星座映射如图8所示。在本实施例中，原等概APSK星座图中第1环上的星座点合并得到的新星座点等效产生一个新环，半径为0.2484，相位偏移为π/8，环上的星座点数为8，每个星座点对应4个映射比特序列，取值概率是其余未合并的环上星座点的4倍；原等概APSK星座图中第2环上的星座点合并得到的新星座点等效产生一个新环，半径为0.4335，相位偏移为π/16，环上的星座点数为16，每个星座点对应2个映射比特序列，取值概率是其余环上星座点的2倍。
实施例4
根据本发明实施例所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法得到的一种64阶非等概星座映射方案，生成方法包括步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
其中，参数选择如下，假设星座映射阶数M=64，环数R=4，每个环上的星座点数为16，所有环的相位偏移均为π/16；第l环的半径由公式计算得到，平均功率归一化后，第1环到第4环的半径分别为：0.3818、0.7164、1.0348、1.5067，对上述半径值在0.9至1.1倍之间进行微调，得到第1环到第4环的半径分别为：0.3610、0.7221、1.0590、1.4922。
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
图2为本发明实施例4的64阶等概APSK星座映射图，对于一个长为6的比特向量，令其中4个比特仅与星座点的相位有关，这4个比特与相位之间采用格雷映射，其余2个比特仅与星座点的幅度有关，这2个比特与幅度之间采用格雷映射，所得到的格雷映射的64阶等概APSK星座图如图2所示。
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
本实施例中，对第1环和第2环上的星座点进行合并。将第1环和第2环上相位相同的星座点分为同一个组，每组包含2个星座点。对同一个组内的所有星座点进行合并，合并而成的新星座点的位置在组内原星座点的几何中心处。
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点。
图9为本发明实施例4的基于APSK星座图的非等概星座映射方法的64阶非等概APSK星座映射图，经过星座点合并和新星座点映射比特序列分配后，即本发明实施例所述方法后，得到的64阶非等概APSK星座映射如图9所示。在本实施例中，原等概APSK星座图中第1环和第2环上的星座点合并得到的新星座点等效产生一个新环，其半径为0.5415，相位偏移为0，环上的星座点数为16，每个星座点对应2个映射比特序列，取值概率是其余环上星座点的2倍。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构造APSK星座图，星座映射阶数为M，M＝2m，m为正整数；每一个环的星座点数相等，每一个环的相位偏移也相等；
S2、对所述APSK星座图设计星座映射方式，使其成为格雷映射；
S3、将所述星座点分组，把同一个组内的所有星座点合并，作为一个新星座点；
S4、将同一组内原星座点对应的映射比特序列分配给新星座点；
所述步骤S3中，星座点的合并涉及的环是所述APSK星座图中靠内侧的第一个环或者第一个环至第k个环，所述k大于等于2。
2.根据权利要求1所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，所述步骤S3中，新星座点的位置在所述组内原星座点的几何中心。
3.根据权利要求1所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，所述步骤S3中，新星座点的位置在所述组内原星座点的相位中心，所述相位中心的幅度与原星座点的幅度相同，且新星座点的相位是原星座点相位的平均值。
4.根据权利要求1所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，所述步骤S3中，星座点分组方法为：同一组的星座点全部分布在同一个环上且连续分布。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，所述步骤S3中，星座点分组方法为：每组包含的星座点数为2的幂次方。
6.根据权利要求5所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，所述步骤S3中，星座点分组方法为：在每个环上所有组包含的星座点数都相等。
7.根据权利要求6所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，所述APSK星座图由R个环组成，从内到外，第l环的半径值为rl：
8.根据权利要求7所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，各环的半径值按照相同比例扩大或者缩小。
9.根据权利要求8所述的基于APSK星座图的非等概星座映射方法，其特征在于，第l环半径值的范围是所述半径值rl的0.9倍到1.1倍之间。
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