CN109672500A - Ldpc-bicm-id系统的8apsk映射方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信调制星座映射领域，特别适用于LDPC编码联合迭代解调译码系统。一种LDPC‑BICM‑ID系统的8APSK映射方案，在以实部为横轴、虚部为纵轴的平面直角坐标系上，构建由内外环组成的结构，其中外环分布五个信号点，内环分布三个信号点，每个信号点的振幅由其所在的内外环位置决定，每个信号点与原点的连线和实轴的正半轴的夹角代表该信号点调制信号的相位。本发明可以在获得编码增益的同时，提升频谱效率，在不增加带宽的前提下可靠地传输更多的信息，满足无线通信技术对通信质量的要求。

Description

LDPC-BICM-ID系统的8APSK映射方案

技术领域：

本发明涉及通信调制星座映射领域，特别适用于LDPC编码联合迭代解调译码系统。

背景技术：

DVB-S2(卫星数字化视频广播第二代标准)的研究表明，在比特交织编码调制迭代译码(BICM-ID)系统中采用LDPC与8PSK的编码调制组合，可以获得更好的传输性能。但是，随着频谱带宽资源越来越紧张，应考虑采用振幅与相位相结合的高阶调制方式来提高频谱效率。振幅移相键控(APSK)因其星座分布呈圆形，调制后的信号振幅起伏较小，且频谱效率高，所以更适合卫星信道的数据传输，故对8阶振幅移相键控(8APSK)星座映射方案进行优化，并应用于联合低密度奇偶校验码(LDPC)的BICM-ID系统中。

BICM-ID技术是由Li等人在1997年提出利用解调信息和译码信息联合进行迭代的BICM方案，BICM-ID在加性高斯白噪声信道和瑞利衰落信道下都可以获得较好的性能。由于具有频谱利用率高、结构灵活性强、实现复杂度低和译码性能优异等优点，在无线通信领域受到广泛关注。故星座映射方案应该基于BICM-ID系统的特点进行优化设计。

2017年袁建国等在《一种用于BICM-ID系统的新颖8APSK映射方案》中提出了一种(2,6)-scheme映射方案，其通过仿真表明(2,6)-scheme在联合LDPC码的BICM-ID系统中可以获得较传统8PSK的Gray(格雷)、SP(集合分割)、SSP(半集合分割)映射更好的误比特率性能，但是这种(2,6)-scheme映射方案在LDPC码码长逐渐增加，低码率情况下增益效果并不明显。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种通信调制星座映射方案，通过欧式距离准则设计适用LDPC-BICM-ID系统的符号映射方案，以进一步降低通信系统的误码率，获取更好的纠错能力。

本发明所采用的技术方案是：一种LDPC-BICM-ID系统的8APSK映射方案，在以实部为横轴、虚部为纵轴的平面直角坐标系上，构建由内外环组成的结构，其中外环分布五个信号点，内环分布三个信号点，每个信号点的振幅由其所在的内外环位置决定，每个信号点与原点的连线和实轴的正半轴的夹角代表该信号点调制信号的相位，每个信号点对应的符号数据、振幅、相位分别为，第一点000、R₂、0，第二点001、R₂、π，第三点010、R₂、3π/2，第四点011、R₂、π/2，第五点100、R₁、5π/4，第六点101、R₂、3π/4，第七点110、R₁、7π/4，第八点111、R₁、π/4，R₁代表内环半径，R₂代表外环半径，内环与外环的半径比为内环半径外环半径R₂为8个信号点的信号表达式如下：

式中，C₁、C₂分别代表内环和外环上的信号点的信号表达式，R₁、R₂分别代表内环和外环的半径，式(1)包含两个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为111、100；式(2)包含一个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为110；式(3)包含三个信号，对应外环上相位为π的信号点，符号数据为011、101、001；式(4)包含四个信号，对应外环上相位为0、的信号点，符号数据为000、010，在实际通信中，串并转换将一串数据按照顺序每三位组成一个符号数据，调制器接受到这些符号数据后，根据对应关系获得每个符号数据振幅和相位，调制器根据振幅和相位按照上述公式得到信号表达式，完成数据和信号之间的映射。

映射特征和实现准则如下：

(1)采用双环不对称结构，内外环半径代表调制信号的振幅，信号点与原点连线和实轴的正半轴的夹角代表的是调制信号的相位，外环分布五个信号点，内环分布三个信号点，有两种振幅(内环和外环半径)、8种相位，内环与外环的半径比为对所有信号点的振幅进行算术平均后，取倒数即为内环半径R₁，为根据比值关系即可计算出外环半径R₂，为内环的三个信号点对应的相位分别是外环的五个信号点对应的相位分别是0、π、

(2)符号映射方案根据欧式距离设计准则设计，欧式距离设计准则有两个参量。

①最小平方欧式距离调和均值(HMMSE)

式中，m指一个调制符号由几个二进制数据构成(在本发明中，m的数值为3)，2^m表示调制阶数，表示第i个比特为b(b∈{0,1})的符号集合(在本发明中，i的取值范围为0～3)，表示第i个比特为且与符号x距离最近的信号点。

②无错反馈的最小平方欧式距离调和均值

式中，m指一个调制符号由几个二进制数据构成(在本发明中，m的数值为3)，2^m表示调制阶数，表示第i个比特为b(b∈{0,1})的符号集合(在本发明中，i的取值范围为0～3)，是中的唯一元素，它与x只在第i个比特不同。

(3)欧式距离设计准则的核心是同时兼顾和使最大，这样就可以使得BICM-ID系统获得迭代增益

根据欧式距离设计准则，通过计算机对八个信号点所有的分布情况进行计算，得到此种星座结构下的最优信号点分布(即最大的映射分布情况)，按照上述信号点的相位从小到大的顺序，每个信号点所对应的符号数据为：000 111 011 101 001 100 010 110。其中，0和1代表二进制数据，串并转换将一串数据按照顺序每三位组成一个符号数据，如，000100111110经过串并转换后变为000 100 111 110；8APSK调制器接受到这些符号数据后，根据上述表格的对应关系获得每个符号数据振幅和相位，8APSK调制器根据振幅和相位获得信号表达式，完成数据和信号之间的映射。

本发明针对日益紧张的频谱资源，提供了一种映射方案，该方案能够在联合低密度奇偶校验码迭代解调译码体制下获得较传统方式更好的误码率，进一步增强通信系统的有效性和可靠性。

与本发明相适应的基于本发明映射方案的LDPC-BICM-ID系统如下：

构建基于本发明映射方案的LDPC-BICM-ID系统由二元LDPC编码器及译码器、比特交织器及解交织器和8APSK调制器及其解调器构成，其中，LDPC编码器在发送机端对发送数据进行信道编码，LDPC译码器在接收机端对解交织后的数据进行LDPC译码，编码器和译码器采用的LDPC码的码长为16200，码率为8/9，LDPC译码算法采用基于对数域的BP迭代译码算法；比特交织器在发送机端对信道编码后的数据进行交织处理，解交织器则是在接收机端对解调后的数据进行解交织处理，交织器及解交织器均采用随机交织；8APSK调制器在发送机端对交织后的数据进行调制，即上述提到的由数据到信号的映射过程，8APSK解调器在接收机端对接收到的数据进行软解调，8APSK调制器的星座映射方案使用本发明提供的3-5-scheme 8APSK映射方案，8APSK解调器的软解调算法使用Max-Log-MAP算法；LDPC译码器迭代次数，即内迭代次数，设置为16次，解调译码联合迭代次数，即外迭代次数，设置为10次。

(1)在发送机端，对信源数据进行LDPC编码，对编码后的数据进行比特交织；

(2)将(1)中交织后的信号通过8APSK调制器，得到发送机发送的信号；

(3)在接收机端，将接受信号输入到由8APSK解调器、比特交织及解交织器和LDPC译码器组成的解调译码软输入软输出模块。首先是8APSK解调器根据接收信号以及组成调制符号的各比特的先验信息来计算输出给译码器的外附信息，计算方法引用吴湛击著2014年1月出版的《联合编码调制技术理论及应用》一书中的所提到的软解调计算方法，初次迭代时，各比特的先验信息为0；

(4)将(3)中解调器输出给译码器的外附信息减去译码器输出给解调器的先验信息，译码器输出给解调器的先验信息即为各比特的先验信息，相减后的信息输入至解交织器中，进行比特解交织；

(5)将(4)中解交织后的信号作为译码先验信息输入到LDPC译码器，进行软译码以及数据检测，若误码率达到性能要求或达到外迭代次数，在本发明中，性能要求为BER达到10^-6一下，则将检测到的数据输出至信宿，结束迭代，否则继续进行以下的步骤；

(6)将(5)中软译码后的信息减去(4)中解交织后的信息输入至交织器，进行比特交织；

(7)将(6)中交织后的信号作为各比特的先验信息再次输入至8APSK解调器，返回(3)中继续进行下一轮迭代。

在步骤(2)中，调制过程如下：

串并变换将交织后的信号按照顺序每三位组成一个符号数据，符号数据根据下表的对应关系获得相应的振幅和相位。

数据

000

001

010

011

100

101

110

111

振幅

R<sub>2</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>1</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>1</sub>

R<sub>1</sub>

相位

0

π

3π/2

π/2

5π/4

3π/4

7π/4

π/4

根据振幅和相位即可得到信号点在星座图中的位置，通过计算得到每个符号数据对应的信号表达式，八个信号点的信号表达式如下：

式中，C₁、C₂分别代表内环和外环上的信号点的信号表达式，R₁、R₂分别代表内环和外环的半径。式(1)包含两个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为111、100；式(2)包含一个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为110；式(3)包含三个信号，对应外环上相位为π的信号点，符号数据为011、101、001；式(4)包含四个信号，对应外环上相位为0、的信号点，符号数据为000、010。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的3-5-scheme 8APSK映射方案，在使用码长为16200，码率为8/9的LDPC码，结合联合迭代解调译码检测机制，可以在获得编码增益的同时，提升频谱效率，在不增加带宽的前提下可靠地传输更多的信息，满足无线通信技术对通信质量的要求。

附图说明：

图1基于本发明提供的映射方案的LDPC-BICM-ID通信系统模型；

图2本发明提供的星座结构图；

图3本发明提供的映射分布图；

图4基于LDPC-BICM-ID通信系统，使用本发明提供的映射方案与其他传统映射方案(2-6-scheme 8APSK、Gray 8PSK、SP 8PSK、SSP 8PSK)相比较，做的误比特率仿真曲线对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

图1为基于本发明提供的映射方案搭建的LDPC-BICM-ID系统模型图，该模型由LDPC编码器及译码器、比特交织器及解交织器和8APSK调制器及解调器组成。LDPC码长为16200，码率为8/9，8APSK调制的映射方案采用本发明提供的3-5-scheme 8APSK映射方案，交织器使用随机交织，解调方式使用Max-Log-MAP方法，译码方式使用基于对数域的BP译码算法，解调器与译码器之间的外迭代次数为10次，译码器内迭代次数为16次，信道模型为加性高斯白噪声信道。

图2为本发明提供的映射方案的星座结构图，采用不对称分布方式，有两种振幅即内环和外环的半径、8种相位，内环与外环的半径比为内环半径R₁为外环半径R₂为

图3为本发明提供的映射方案的信号点符号映射分布图，根据欧式距离设计准则通过计算机对八个信号点所有的分布情况进行计算，得到最优的信号点分布为110 111 101000 011 100 001 010，从左至右依次映射到星座结构图中，即可得到本发明提供的3-5-scheme 8APSK映射方案。

为体现本发明的有益效果，采用以下步骤：

(1)在通信机发信端，对信源数据进行LDPC编码和比特交织，对交织后的数据进行8APSK调制，星座映射方式使用本发明提供的3-5-scheme映射方案；调制过程如下：

串并变换将交织后的信号按照顺序每三位组成一个符号数据，符号数据根据下表的对应关系获得相应的振幅和相位。

数据

000

001

010

011

100

101

110

111

振幅

R<sub>2</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>1</sub>

R<sub>2</sub>

R<sub>1</sub>

R<sub>1</sub>

相位

0

π

3π/2

π/2

5π/4

3π/4

7π/4

π/4

根据振幅和相位即可得到信号点在星座图中的位置，通过计算得到每个符号数据对应的信号表达式，八个信号点的信号表达式如下：

式中，C₁、C₂分别代表内环和外环上的信号点的信号表达式，R₁、R₂分别代表内环和外环的半径。式(1)包含两个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为111、100；式(2)包含一个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为110；式(3)包含三个信号，对应外环上相位为π的信号点，符号数据为011、101、001；式(4)包含四个信号，对应外环上相位为0、的信号点，符号数据为000、010。

(2)在接收端，受到AWGN信道污染的信号首先经过8APSK解调进行软解调；

(3)将(2)中软解调后的信号减去译码器反馈给解调器的先验信息输入至解交织器进行解交织；

(4)将(3)中解交织后的信号输出至LDPC译码器进行LDPC软译码及数据检测，在设定的内迭代次数内，检测数据译码正确时，若正确或者达到设定的外迭代次数，则将检测后的数据输出至信宿，结束全部迭代，否则，继续以下步骤；

(5)将(4)中软译码后的信号减去(3)中解交织后的信号输入至交织器进行交织；

(6)将(5)中交织后的信号再次输出至8APSK解调器进行下一次外迭代。

图4通过对比传统映射方案，包括采用(2,6)-scheme映射方案的8APSK调制，采用Gray映射的八进制相移键控调制(8PSK)，采用SP映射的8PSK调制，与采用SSP映射的8PSK调制，结果表明，在误比特率为10^-5时，采用本发明提供的3-5-scheme 8APSK调制较(2,6)-scheme8APSK调制、Gray 8PSK调制、SP 8SPK调制、SSP 8PSK调制分别提高了约0.55db、0.65db、0.8db、1.3db的编码增益。

Claims (1)

1.一种LDPC-BICM-ID系统的8APSK映射方案，其特征在于：在以实部为横轴、虚部为纵轴的平面直角坐标系上，构建由内外环组成的结构，其中外环分布五个信号点，内环分布三个信号点，每个信号点的振幅由其所在的内外环位置决定，每个信号点与原点的连线和实轴的正半轴的夹角代表该信号点调制信号的相位，每个信号点对应的符号数据、振幅、相位分别为，第一点000、R2、0，第二点001、R2、π，第三点010、R2、3π/2，第四点011、R₂、π/2，第五点100、R₁、5π/4，第六点101、R₂、3π/4，第七点110、R₁、7π/4，第八点111、R₁、π/4，R₁代表内环半径，R₂代表外环半径，内环与外环的半径比为内环半径外环半径R₂为8个信号点的信号表达式如下：

式中，C₁、C₂分别代表内环和外环上的信号点的信号表达式，R₁、R₂分别代表内环和外环的半径，式(1)包含两个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为111、100；式(2)包含一个信号，对应内环上相位为的信号点，符号数据为110；式(3)包含三个信号，对应外环上相位为π的信号点，符号数据为011、101、001；式(4)包含四个信号，对应外环上相位为0、的信号点，符号数据为000、010，在实际通信中，串并转换将一串数据按照顺序每三位组成一个符号数据，调制器接受到这些符号数据后，根据对应关系获得每个符号数据振幅和相位，调制器根据振幅和相位按照上述公式得到信号表达式，完成数据和信号之间的映射。