CN109639618A - 一种适用于高阶正交幅度调制信号的低复杂度软输出解调方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于高阶正交幅度调制信号的低复杂度软输出解调方法。首先，利用格雷编码的QAM信号的对称性，将其分解为两路相互正交的同相和正交相脉冲幅度调制(PAM)信号，进而根据二进制搜索算法确定接收信号所处的特定区间，得到硬判决结果，并确定与硬判决结果相对应的格雷编码比特向量；然后，根据格雷编码比特的不同取值将硬判决结果划分到特定的集合中；最后，根据硬判决结果所属的集合，利用格雷编码的脉冲幅度调制(PAM)信号的比特翻转特性，得到计算各个比特软信息所需最佳信号对应的下标索引。本发明突破了传统方法计算比特软信息所需的穷尽搜索，利用QAM信号自身的优良特性，既实现与传统方法相同的性能，又将计算比特软信息复杂度大大降低。

Description

一种适用于高阶正交幅度调制信号的低复杂度软输出解调 方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种适用于高阶正交幅度调制信号的低复杂度软输出解调方法。

背景技术

随着通信技术的发展，通信系统对数据传输速率要求越来越高，因此，如何实现更高的频谱利用率是目前无线通信技术研究的热点之一。多进制正交幅度调制(MultipleQuadrature Amplitude Modulation,MQAM)是一种拥有高效频谱利用率的调制解调技术，在无线通信领域中备受关注。对于低阶正交幅度调制(QAM)信号，基于汉明距离的硬输出解调可获得非常不错的性能，但随着QAM调制阶数的增大，比如256-QAM,由于调制星座图上信号点间距离急剧缩小，如果继续采用硬输出解调，将会导致解调性能急剧恶化，特别是对于信道质量较差的通信场景。因此，对高阶正交幅度调制(QAM)的软输出解调进行研究并分析其解调性能变得越来越重要。在长期的研究中，多种解调技术被相继提出，其中最佳的正交幅度调制(QAM)调制软输出解调技术当属对数-最大后验概率算法(Logarithmic Maximuma Posterior,Log-MAP)。该算法可通过计算最大后验概率来获得调制符号中各比特对应的对数似然比(Log-likelihood Ratio，LLR)。然而，当QAM调制阶数相对较高时，基于Log-MAP算法的计算复杂度非常高，导致其在实际中难以实现。在此背景下，W.Koch等人提出利用雅克比对数来近似计算各比特的LLR，形成Max-Log-MAP算法，从而消除了Log-MAP算法中高复杂度的指数和对数运算。

由于高阶正交幅度调制(QAM)解调技术的发展前景，业界对其进行了大量的研究，其中主要研究集中于软输出解调实现算法方面；在研究中出现了多种从不同角度出发的软输出解调的新算法，其中包括：非线性函数近似法、判决边界法和分段线性近似法等等。这些算法通常分成近似法和直接法两大类。其中近似法的思想是利用合适的函数去拟合各个比特的LLR值曲线，因此具有计算过程简单的优点，但是近似处理必然会导致软解调性能的下降。在直接软解调算法研究方面，Qi Wang等人提出利用二进制反射格雷码的对称性，推导出一种直接计算比特LLR所需下标索引的表达式。此外，In-Woong Kang等人又相继提出一种递推算法计算比特LLR所需的下标索引。不足的是，直接法虽然能弥补近似法性能下降的缺陷，但是随着QAM调制阶数的增高，在计算各个比特LLR时，其计算量依旧可观。尽管随着研究的深入，诸多经典的软解调算法可以较好地实现性能与复杂度的折中，但软解调复杂度会随着调制阶数增长的问题，仍然制约着高阶正交幅度调制(QAM)软输出解调技术在实际通信系统中的应用。

发明内容

针对高阶正交幅度调制软信息计算过程复杂的问题，本发明提供一种适用于高阶正交幅度调制信号的低复杂度软输出解调方法，突破传统方法计算比特软信息所需的穷尽搜索，通过利用QAM信号自身的优良特性，既实现与传统方法相同的性能，又将计算比特软信息复杂度大大降低。

对于单输入单输出(Single Input Single Output，SISO)数字通信系统，发送端信源随机产生的比特流，经信道编码后，每2m个编码比特被调制成一格雷编码的QAM信号其中表示2^2m-QAM符号集合。该QAM调制符号经过信道传输，接收端接收信号可表示为其中表示复信道增益，代表零均值，方差为N₀/2的复高斯白噪声。利用格雷编码的2^2m-QAM的对称性，将其分解为两路相互正交的同相和正交相脉冲幅度调制(2^m-PAM)信号，每一路PAM信号包含m个比特信息，其经信道传输后，对应的接收符号同样可表示为相互正交的同相接收分量和正交接收分量与同相PAM信号包含的比特对应的LLR的计算只与有关，同理，与正交相PAM信号包含的比特对应的LLR的计算只与有关，于是对系统模型进行实数化处理可得y＝hx+n。其中表示接收信号的实部；表示信道增益实部；表示格雷编码的2^2m-QAM的同相或者正交PAM信号。

基于该系统，本发明提供一种高阶正交幅度调制(QAM)信号的低复杂度软输出解调方法，包括如下步骤：

步骤一：确定硬判决结果和格雷编码比特向量

利用格雷编码的2^2m-QAM信号的对称性，将其分解为两路相互正交的同相和正交相脉冲幅度调制(PAM)信号，每一路PAM信号包含m个比特信息。在此基础上，利用二进制搜索算法确定接收信号y所处的特定区间，得到硬判决结果x^ML，上标ML表示最大似然估计。与此同时，确定与x^ML对应的格雷编码比特向量其中b^*中各元素取1或者0，m表示一个脉冲幅度调制(PAM)符号所包含的比特数；

步骤二：确定硬判决结果所属集合

根据每个比特的取值可将PAM信号划分到不同集合，于是硬判决结果x^ML根据的不同取值被划分到特定的集合中；的下标i属于{1,2,...,m}，表示格雷编码比特序号；表示x^ML位于由第i个比特所确定的第G_i个集合。

步骤三：确定最佳信号下标索引

根据x^ML所在的集合结合格雷编码PAM信号的比特翻转特性，可得到计算比特软信息所需最佳信号对应的下标索引 表示计算第i个比特软信息时所需最佳信号对应的下标。

步骤四：确定比特软信息的正负

根据硬判决结果x^ML对应的格雷比特信息来直接判断第i个比特的软信息L_i的正负；

进一步，所述步骤一中，在接收信号y已知的情况下，通过二进制搜索算法确定接收信号y对应的硬判决结果x^ML，其原理如下：

对于2^m-PAM信号，其信号空间由2^m-1个幅度阀值划分成了2^m个间隔，对应的幅度阀值分别为-(2^m-2)d，-(2^m-4)d，...，(2^m-4)d，(2^m-2)d，其中d＝h/p，h为实信道系数，表示功率归一化因子，χ＝{x_t＝(-2^m+1+2t)/p/t＝0,1,2,...,2^m-1}表示PAM信号集合。于是可通过二进制搜索算法经过m次比较确定接收信号y所处的特定区间，从而得到x^ML。

进一步，所述步骤二中，硬判决结果x^ML根据的不同取值被划分到特定的集合中，其原理如下：

根据每个比特的取值可将PAM信号划分到不同集合，于是x^ML会因为的不同取值被划分到特定的集合假设与x^ML对应的下标用k表示，经过分析可知，对于格雷编码的2^m-PAM信号，由第i个比特可确定2^m-i+1个集合，每个集合包含2^i-1个元素，其中表示向下取整运算。

进一步，所述步骤三中，在确定x^ML所在的集合后，再利用格雷编码PAM信号的比特翻转特性，可得到计算比特软信息所需最佳信号对应的下标索引

其中％2表示对2取余运算。

进一步，所述步骤四中，根据硬判决结果x^ML对应的格雷比特信息直接判断第i个比特的软信息L_i的正负为

其中表示x^ML对应的格雷比特向量b^*的第i个元素，N₀表示噪声方差系数，y表示接收信号的实部，h表示信道增益实部，表示计算第i个比特软信息所需最佳信号。

本发明针对格雷编码的高阶正交幅度调制(QAM)信号具有的比特翻转特性，提出一种低复杂度的比特LLR计算方法。该方法根据硬判决结果所属的集合，得出一种更为简洁的计算比特软信息所需的下标索引的表达式；同时，利用硬判决结果对应的比特信息直接判断比特LLR的正负，规避了计算比特软信息正负号所需的计算量。

经分析表明，本发明所提高阶正交幅度调制(QAM)信号软输出解调算法与Max-Log-MAP算法以及其它传统方法相比，突破了传统方法计算比特软信息所需的穷尽搜索，通过利用QAM信号自身的优良特性，既能实现与传统方法相同的性能，在不损失性能的条件下，又可将计算比特软信息复杂度大大降低，较好的实现了性能与计算复杂度的折中，其实现过程简单，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明提供的高阶正交幅度调制(QAM)信号软解调总体流程图；

图2为本发明提供的高阶正交幅度调制(QAM)信号的低复杂度软输出解调方法的具体实现流程图；

图3为本发明提供的格雷编码的16PAM信号在AWGN信道中的软解调过程示例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施过程做详细说明。

本发明的系统环境是单输入单输出，设发送端信源随机产生的比特流，经信道编码后，每2m个编码比特被调制成一格雷编码的QAM信号其中表示2^2m-QAM符号集合。该QAM调制符号经过信道传输，接收端接收信号可表示为

其中表示复信道增益，代表零均值，方差为N₀/2的复高斯白噪声。

利用格雷编码的2^2m-QAM信号的对称性，将其分解为两路相互正交的同相和正交相脉冲幅度调制PAM信号，每一路PAM信号包含m个比特信息，其经信道传输后，对应的接收符号同样可表示为相互正交的同相接收分量和正交接收分量与同相PAM信号包含的比特对应的LLR的计算只与有关，同理，与正交相PAM信号包含的比特对应的LLR的计算只与有关，于是对系统模型进行实数化处理可得

y＝hx+n

其中表示接收信号的实部；表示信道增益实部；表示格雷编码的2^2m-QAM的同相或者正交相PAM信号。

基于以上系统并结合图1和图3，对本发明提供的高阶正交幅度调制(QAM)信号的低复杂度软输出解调方法中各步骤进行一一说明。

1、确定硬判决结果和格雷编码比特向量

利用格雷编码的2^2m-QAM信号的对称性，将其分解为两路相互正交的同相和正交相2^m-PAM脉冲幅度调制信号，每一路PAM信号包含m个比特信息。对于2^m-PAM信号，其信号空间由2^m-1个幅度阀值划分成了2^m个间隔，对应的幅度阀值分别为-(2^m-2)d，-(2^m-4)d，...，(2^m-4)d，(2^m-2)d，其中d＝h/p，h为实信道系数，表示功率归一化因子，χ＝{x_t＝(-2^m+1+2t)/p|t＝0,1,2,...,2^m-1}表示PAM信号集合。于是在此基础上，可利用二进制搜索算法确定接收信号y所处的特定区间，得到硬判决结果x^ML，上标ML表示最大似然估计。与此同时，确定与x^ML对应的格雷编码比特向量其中b^*中各元素取1或者0，m表示一个脉冲幅度调制(PAM)符号所包含的比特数。

2、确定硬判决结果所属集合

根据每个比特的取值将PAM信号划分到不同集合，硬判决结果x^ML会根据的不同取值被划分到特定的集合中，其中的下标i属于{1,2,...,m}，表示格雷编码的比特序号；表示x^ML位于由第i个比特所确定的第G_i个集合。

假设与x^ML对应的下标用k表示，经过分析可知，对于格雷编码的2^m-PAM信号，由第i个比特可确定2^m-i+1个集合，每个集合包含2^i-1个元素，其中表示向下取整运算。

以图3格雷编码的16PAM信号在AWGN信道中的软解调过程为例，其中五角星代表接收信号y的位置，方形代表hx^ML，三角形代表图中x^ML＝x₄，即由于则 则 则 则这里代表x^ML位于由第i个比特所确定的第G_i个集合。

3、确定最佳信号下标索引

根据x^ML所在的集合结合格雷编码PAM信号的比特翻转特性，计算第i比特软信息所需的最佳信号，经过分析可知，该信号应为相邻集合中离翻转界面最近的PAM信号，该PAM信号的下标用表示，表示计算第i个比特软信息时所需最佳信号对应的下标，的计算公式为：

其中％2表示对2取余运算。

4、确定比特软信息的正负

根据硬判决结果x^ML对应的格雷比特信息直接判断第i个比特的软信息L_i的正负为

其中表示x^ML对应的格雷比特向量b^*的第i个元素，N₀表示噪声方差系数，y表示接收信号的实部，h表示信道增益实部，表示计算第i个比特软信息所需最佳信号。

例如，在图3中，由于故而的相邻集合有和但从图3中可知，只有在幅度阀值'-4d'附近才发生了比特翻转，所以中的x₆才为所求的即

上述高阶正交幅度调制(QAM)信号的低复杂度软输出解调方法通过软件实现，结合图2所示具体实现流程如下：

S1：初始化接收信号y以及PAM符号所含的比特数m；

S2：计算硬判决结果x^ML及其对应的下标k、格雷编码比特向量b^*；

S3：令i＝m；

S4：计算硬判决结果x^ML所属集合

S5：若执行第S6步，否则执行第S7步；

S6：第i比特对应的最佳信号下标索引计算公式为：

S7：第i比特对应的最佳信号下标索引计算公式为：

S8：计算第i比特的对数似然比

S9：令i＝i-1，若i≥1，则返回第S4步继续循环，否则，结束程序

S10：结束。

需要说明的是，以上提供的附图和实施例均用来提供对本发明的进一步理解，用于解释本发明，构成本发明的一部分，但本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种适用于高阶正交幅度调制信号的低复杂度软输出解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定硬判决结果和格雷编码比特向量

利用格雷编码的信号的对称性，将其分解为两路相互正交的同相和正交相脉冲幅度调制PAM信号，每一路PAM信号包含m个比特信息；利用二进制搜索算法确定接收信号y所处的特定区间，得到硬判决结果x^ML，上标ML表示最大似然估计；同时，确定与x^ML对应的格雷编码比特向量其中b*中各元素取1或者0，m表示一个脉冲幅度调制(PAM)符号所包含的比特数；

步骤二：确定硬判决结果所属集合

根据每个比特的取值将PAM信号划分到不同集合，硬判决结果x^ML根据的不同取值被划分到特定的集合中，其中的下标i属于{1,2,...,m}，表示格雷编码的比特序号，表示x^ML位于由第i个比特所确定的第G_i个集合；

步骤三：确定最佳信号下标索引

根据硬判决结果x^ML所在的集合结合格雷编码PAM信号的比特翻转特性，得到计算比特软信息所需最佳信号对应的下标索引 表示计算第i个比特软信息时所需最佳信号对应的下标；

步骤四：确定比特软信息的正负

根据硬判决结果x^ML对应的格雷比特信息直接判断第i个比特的软信息L_i的正负。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，是在接收信号y已知的情况下，通过二进制搜索算法经过m次比较确定接收信号y所处的特定区间，从而得到对应的硬判决结果x^ML。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：对于2^m-PAM信号，其信号空间由2^m-1个幅度阀值划分成了2^m个间隔，对应的幅度阀值分别为-(2^m-2)d，-(2^m-4)d，...，(2^m-4)d，(2^m-2)d，其中d＝h/p，h为实信道系数，表示功率归一化因子，χ＝{x_t＝(-2^m+1+2t)/p|t＝0,1,2,...,2^m-1}表示PAM信号集合。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤二中，硬判决结果x^ML根据的不同取值被划分到特定的集合中，是根据每个比特的取值可将PAM信号划分到不同集合，于是x^ML会因为的不同取值被划分到特定的集合假设与x^ML对应的下标用k表示，对于格雷编码的2^m-PAM信号，由第i个比特可确定2^m-i+1个集合，每个集合包含2^i-1个元素，其中 表示向下取整运算。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤三中，在确定x^ML所在的集合后，再利用格雷编码PAM信号的比特翻转特性，可得到计算比特软信息所需最佳信号对应的下标索引

其中％2表示对2取余运算。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤四中，根据硬判决结果x^ML对应的格雷比特信息直接判断第i个比特的软信息L_i的正负号为

其中表示x^ML对应的格雷比特向量b^*的第i个元素，N₀表示噪声方差系数，y表示接收信号的实部，h表示信道增益实部，表示计算第i个比特软信息所需最佳信号。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述方法的系统环境是单输入单输出数字通信系统。