CN110505359B - 无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端 - Google Patents

无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端，包括以下步骤：将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间；根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离；基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息。本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端能够降低无线广播通信系统中非均匀调制解调的复杂度且无性能损失。

Description

无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端
技术领域
本发明涉及通信系统中的物理层传输的技术领域，特别是涉及一种无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端。
背景技术
随着世界经济文化的快速发展，用户对无线信息业务的需求量快速增长。单独依靠传统无线广播网或传统无线双向通信网，已无法实现信息业务的最优化传输。与此同时，人们不再满足于仅仅收看传统的无线广播电视业务，而是对新型无线广播电视业务有着越来越强烈的需求。下一代广播电视网无线系统(Next-Generation Broadcast NetworkWireless System，NGB-W)可实现无线广播和无线双向通信的融合共存，是解决移动信息业务数据量快速增长和无线网络传输容量受限之间矛盾的有效途径，也是支撑有线、无线融合创新业务的必要途径。
比特交织编码调制(Bit Interleaved Coded Modulation，BICM)是一种结合纠错编码、交织和调制的技术。根据香农的描述，BICM是一种在合理复杂度范围内接近香农容限的有效方法，同时在复杂多变的广播通信场景下，BICM可以灵活选择不同的调制方案而不依赖于编码速率，NGB-W系统采用BICM技术以保证信息传输的可靠性、克服噪声和干扰。
在传统的通信系统中，例如DVB-T2(第二代欧洲数字地面电视广播传输)，采用了基于格雷映射及均匀星座图的均匀QAM调制，这种调制方式能够保证星座符号之间的欧氏距离最大化，但不能保证接收信号的平均互信息最大。在高信噪比下，采用均匀调制的BICM系统的性能距离香农容限还有较大差距，尤其该差距随着调制阶数的增加而增大。索尼公司在ATSC3.0的提案《S32-2-124r0_SS_NUQAM_Presentation-2014-02-02》中指出，在BICM系统中，二维的高阶非均匀QAM调制(2D-NUC)相比均匀QAM调制有0.3至1.85dB的性能增益。同样地，NGB-W系统采用了高阶非均匀QAM调制以进一步逼近香农限，包括二维的NU-16QAM、NU-64QAM和NU-256QAM。
接收端通常采用软解调以获得编码比特的对数似然比(LLR)信息。由于2D-NUC星座图的同相分量和正交分量往往不具有对称性，因而无法将一个QAM解调分解为两个PAM解调。在高阶调制下，应用Max-Log-MAP算法计算LLR时的复杂度为O(2m)，其中m为调制阶数。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端，能够降低无线广播通信系统中非均匀调制解调的复杂度且无性能损失。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，包括以下步骤：将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间；根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离；基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息。
于本发明一实施例中，所述无线广播通信系统为下一代广播电视网无线系统。
对应地，本发明提供一种无线广播通信系统中非均匀调制解调系统，包括第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块；
所述第一计算模块用于将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间；
所述第二计算模块用于根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离；
所述第三计算模块用于基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息。
本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。
本发明提供一种终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行上述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。
如上所述，本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端，具有以下有益效果：
(1)能够降低无线广播通信系统中非均匀调制解调的复杂度；
(2)可应用于各种2维的非均匀调制的星座图；
(3)与传统的Max_Log_Map求解LLR的方法相比，解调复杂度可以降低88.54％；
(4)理论分析和大量仿真表明，使用该算法后BICM系统的BER和FER性能没有任何降低，即该算法可以在降低复杂度的同时保持系统性能无损失。
附图说明
图1显示为本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法于一实施例中的流程图；
图2显示为本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法与现有技术中的解调方法于一实施例中的BER性能比较仿真图；
图3显示为本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法与现有技术中的解调方法于一实施例中的FER性能比较仿真图；
图4显示为本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调系统于一实施例中的结构示意图；
图5显示为本发明的终端于一实施例中的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在无线广播通信系统中非均匀调制解调中，通常需计算编码比特的对数似然比(Likelihood Rate，LLR)信息。根据Max-Log-MAP软解调算法，计算每个比特的LLR值的公式如下：
Figure BDA0001665440050000031
其中p为条件概率，H为信道频率响应，x为发送符号，bi是调制符号所包含的某个比特，Y为接收符号，
Figure BDA0001665440050000041
为解调比特bi为0的符号集，
Figure BDA0001665440050000042
为解调比特bi为1的符号集。对于OFDM系统，当均衡和解调均在频域进行时，经过频域均衡后的接收信号
Figure BDA0001665440050000043
Figure BDA0001665440050000044
为接收端估计出的信道频率响应，N为噪声功率谱密度。
因此，计算每个比特的LLR值的公式可调整如下：
Figure BDA0001665440050000045
其中
Figure BDA0001665440050000046
和每个子载波有关，H为每个子载波的频域信道响应，
Figure BDA0001665440050000047
为解调比特bi为0的符号集，
Figure BDA0001665440050000048
为解调比特bi为1的符号集。因此，由上式可知，计算LLR值的关键在于从集合
Figure BDA0001665440050000049
和
Figure BDA00016654400500000410
中找到距离接收符号Y最近的星座点，然后计算该星座点与Y之间的欧氏距离。在非均匀调制中，由于正交分量和同相分量的相关性，每计算一个比特的LLR值就需要搜寻整个星座点集，并比较每个星座点与Y之间的欧氏距离，直到找到距离最近的星座点。例如解调NU-64QAM时，6个比特共需要计算384次欧氏距离；对于NU-256QAM，每个比特需要计算256次欧氏距离，8个比特共需要计算2048次欧式距离。随着调制阶数的增加，计算与每个星座点的距离次数呈指数增加。
通过理论分析和仿真发现，当Y落在不同象限时，与其距离最近的星座点集合是不同的。无论接收符号Y落在某一个象限的任何位置，距离其最近的解调比特取0或取1所对应的星座点总属于某个固定的点集
Figure BDA00016654400500000411
或
Figure BDA00016654400500000412
该点集分别是
Figure BDA00016654400500000413
或
Figure BDA00016654400500000414
的子集，选取
Figure BDA00016654400500000415
和
Figure BDA00016654400500000416
作为计算LLR值时寻找最近点的搜索范围，计算每个比特的LLR值的公式可调整如下：
Figure BDA00016654400500000417
其中，
Figure BDA00016654400500000418
和
Figure BDA00016654400500000419
随着Y所落入的象限不同而不同。
因此，如图1所示，于一实施例中，本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法包括以下步骤：
步骤S1、将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间。
具体地，将星座点分为四个不同的子集，每个子集对应接收信号落入的一个象限；然后再计算欧氏距离所对应的星座点集合。其中，各个象限之间彼此独立不重合。
接收符号落在四个不同象限时的搜索空间不同，表1-5所示即为NGB-W系统中NU-QAMs解调时欧氏距离所对应的星座点集合，即简化搜索空间
Figure BDA0001665440050000051
和
Figure BDA0001665440050000052
其中NGB-W系统设置了1/5、1/4、1/3、5/12、1/2、7/12、2/3、3/4、4/5、5/6共10种码率，针对不同码率都设计了不同NU-QAM的星座图，具体星座图见专利201410642149.X。其中，x是星座点，
Figure BDA0001665440050000053
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure BDA0001665440050000054
为解调比特bi为1的搜索空间集。
表1、各个码率下的NU-16QAM的简化搜索空间
Figure BDA0001665440050000055
表2、低码率下的NU-64QAM的简化搜索空间
Figure BDA0001665440050000056
Figure BDA0001665440050000061
表3、高码率下的NU-64QAM的简化搜索空间
Figure BDA0001665440050000062
Figure BDA0001665440050000071
Figure BDA0001665440050000081
Figure BDA0001665440050000091
表4、低码率下的NU-256QAM的简化搜索空间
Figure BDA0001665440050000092
Figure BDA0001665440050000101
Figure BDA0001665440050000111
Figure BDA0001665440050000121
Figure BDA0001665440050000131
Figure BDA0001665440050000141
Figure BDA0001665440050000151
Figure BDA0001665440050000161
Figure BDA0001665440050000171
Figure BDA0001665440050000181
Figure BDA0001665440050000191
Figure BDA0001665440050000201
表5、高码率下的NU-256QAM的简化搜索空间
Figure BDA0001665440050000202
Figure BDA0001665440050000211
Figure BDA0001665440050000221
Figure BDA0001665440050000231
Figure BDA0001665440050000241
Figure BDA0001665440050000251
Figure BDA0001665440050000261
Figure BDA0001665440050000271
Figure BDA0001665440050000281
Figure BDA0001665440050000291
Figure BDA0001665440050000301
Figure BDA0001665440050000311
需要说明的是，本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法不受编码速率的限制，可以应用在不同码率的星座图下。在NGB-W系统中，部分码率下同一种调制方式的搜索空间存在重叠现象，因此表1将具有相同搜索空间的码率进行了合并列举。
步骤S2、根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离。
具体地，根据接收信号Y所属的象限，确定所述象限对应的星座点子集，进而确定所述星座点子集对应的搜索空间；最后，计算所述接收信号Y与所述象限对应的搜索空间的星座点之间的欧氏距离。
步骤S3、基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息。
具体地，将计算得到的欧氏距离带入Log_Map或Max_Log_Map算法，即可得到LLR值，从而实现了无线广播通信系统中非均匀调制的软解调。
从表1可以看出对于调制方式NU-16QAM，收到一个符号，解调4个比特共需要6+6+4+4＝20次欧氏距离计算。同样可以得到NU-64QAM和NU-256QAM解调时所需的欧式距离计算次数。相较于传统的Max_Log_Map求解LLR值的方法相比，解调复杂度大大降低。
表6所示为对传统软解调算法和本发明解调算法的复杂度进行对比。由表可知，采用本发明解调算法后所有码率下的NU-16QAM所需的计算次数相同且均为20，与传统Max_Log_Map软解调相比计算量减少了68.75％，1/5码率下的NU-64QAM将复杂度最大降低了88.54％，同样的，对于NU-256QAM，简化算法将复杂度降低74.02％～82.91％。
表6、传统解调算法与本发明解调算法解调一个符号所需计算的欧氏距离的比较
Figure BDA0001665440050000321
下面通过具体实施例来进一步阐释本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。
采用BCH码和57600码长的LDPC码级联作为BICM系统的前向纠错编码，分别采用本发明的软解调算法和传统软解调算法，仿真得到20根回声瑞利衰落信道下BER和FER性能对比如图2和图3所示，从而进一步验证了本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法的低复杂度。
需要说明的是，本发明所述的无线广播通信系统包括但不限于下一代广播电视网无线系统(NGB-W)。
如图4所示，于一实施例中，本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法系统包括第一计算模块41、第二计算模块42和第三计算模块43。
第一计算模块41用于将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间。
第二计算模块42与第一计算模块41相连，用于根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离。
第三计算模块43与第二计算模块42相连，用于基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息。
需要说明的是，第一计算模块41、第二计算模块42和第三计算模块43的结构和原理与前述无线广播通信系统中非均匀调制解调方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。
需要说明的是，应理解以上系统的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(digitalsingnalprocessor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。
本发明的存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。所述存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
如图5所示，于一实施例中，本发明的终端包括处理器51及存储器52。
所述存储器52用于存储计算机程序。
所述存储器52包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
所述处理器51与所述存储器52相连，用于执行所述存储器52存储的计算机程序，以使所述终端执行上述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。
优选地，所述处理器51可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
综上所述，本发明的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法、系统、介质及终端能够降低无线广播通信系统中非均匀调制解调的复杂度；可应用于各种2维的非均匀调制的星座图；与传统的Max_Log_Map求解LLR的方法相比，解调复杂度可以降低88.54％；理论分析和大量仿真表明，使用该算法后BICM系统的BER和FER性能没有任何降低，即该算法可以在降低复杂度的同时保持系统性能无损失。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间；
根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离；
基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息；
在NU-16QAM中各个码率下各个子集对应的搜索空间如下表：
Figure FDA0002650462610000011
其中，bi是调制符号所包含的某个比特，x是星座点，
Figure FDA0002650462610000012
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure FDA0002650462610000013
为解调比特bi为1的搜索空间集。
2.根据权利要求1所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，其特征在于：在NU-64QAM中低码率下各个子集对应的搜索空间如下表：
Figure FDA0002650462610000014
Figure FDA0002650462610000021
Figure FDA0002650462610000031
其中，bi是调制符号所包含的某个比特，x是星座点，
Figure FDA0002650462610000032
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure FDA0002650462610000033
为解调比特bi为1的搜索空间集。
3.根据权利要求1所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，其特征在于：在NU-64QAM中高码率下各个子集对应的搜索空间如下表：
Figure FDA0002650462610000034
Figure FDA0002650462610000041
Figure FDA0002650462610000051
Figure FDA0002650462610000061
其中，bi是调制符号所包含的某个比特，x是星座点，
Figure FDA0002650462610000062
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure FDA0002650462610000063
为解调比特bi为1的搜索空间集。
4.根据权利要求1所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，其特征在于：在NU-256QAM中低码率下各个子集对应的搜索空间如下表：
Figure FDA0002650462610000071
Figure FDA0002650462610000081
Figure FDA0002650462610000091
Figure FDA0002650462610000101
Figure FDA0002650462610000111
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Figure FDA0002650462610000211
其中，bi是调制符号所包含的某个比特，x是星座点，
Figure FDA0002650462610000212
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure FDA0002650462610000213
为解调比特bi为1的搜索空间集。
5.根据权利要求1所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，其特征在于：在NU-256QAM中高码率下各个子集对应的搜索空间如下表：
Figure FDA0002650462610000221
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Figure FDA0002650462610000351
Figure FDA0002650462610000361
其中，bi是调制符号所包含的某个比特，x是星座点，
Figure FDA0002650462610000362
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure FDA0002650462610000363
为解调比特bi为1的搜索空间集。
6.根据权利要求1所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法，其特征在于：所述无线广播通信系统为下一代广播电视网无线系统。
7.一种无线广播通信系统中非均匀调制解调系统，其特征在于：包括第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块；
所述第一计算模块用于将星座点分成四组不同的子集，分别对应接收信号落入的四个不同象限，并计算各个子集对应的搜索空间；
所述第二计算模块用于根据接收信号所属的象限，计算所述象限对应的搜索空间的星座点与所述接收信号之间的欧氏距离；
所述第三计算模块用于基于计算所得的欧氏距离，通过Log_Map或Max_Log_Map算法获取对数似然比信息；
在NU-16QAM中各个码率下各个子集对应的搜索空间如下表：
Figure FDA0002650462610000371
其中，bi是调制符号所包含的某个比特，x是星座点，
Figure FDA0002650462610000372
为解调比特bi为0的搜索空间集，
Figure FDA0002650462610000373
为解调比特bi为1的搜索空间集。
8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。
9.一种终端，其特征在于：包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行权利要求1至6中任一项所述的无线广播通信系统中非均匀调制解调方法。
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