CN111277536A - Dvb-s2x系统软解映射方法、数字信号处理系统 - Google Patents

Dvb-s2x系统软解映射方法、数字信号处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种DVB‑S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统，DVB‑S2X系统包括发射机、信道和接收机，位于接收机的软解映射模块是发射机中星座映射模块的逆过程，用于将接收机的星座点进行解析，得到该星座点的每个比特的对数似然比，所述DVB‑S2X系统软解映射方法包括：确定调制方式、编码速率及星座图；根据所述编码速率计算星座图内圆半径与外圆半径比值，根据星座图中各星座点确定相位坐标值；所述星座映射模块根据所述星座图特性，将编码得到的二进制向量映射到星座点，其中每个星座点对应一个4比特向量；所述软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，N≥1。

Description

DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，特别涉及一种DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统。
背景技术
2005年，第二代数字卫星电视广播标准DVB-S2发布，该标准在DVB-S的基础上采用了新的纠错编码方式(BCH)结合低密度奇偶校验码(LDPC)，增加了新的调制体制16APSK(Amplitude Phase Shift Keying简称为APSK)和32APSK和新的工作模式，即可变编码及调制方式(VCM)和自适应编码方式(ACM)等。通过以上新技术的应用，DVB-S2能显著改善卫星传输的带宽利用率，并提高传输功率效率。经过十几年的发展，该标准已经成为全球应用最为广泛的下一代卫星电视广播标准。
随着数字卫星电视广播行业和其他媒体传输需求的增加，高容量卫星技术的进步和硬件平台的飞速发展，DVB组织从2011年底开始研究DVB-S2的扩展标准，并于2014年3月发布了DVB-S2X。DVB-S2标准采用了四种调制方式：QPSK，8PSK，16APSK，32APSK。其中16APSK星座图模式为4+12APSK，32APSK星座图模式为4+12+16APSK,16APSK和32APSK在广播服务中属于可选选项。而DVB-S2X采用了更多高阶的调制方式：BPSK，QPSK，8PSK，8APSK，16APSK，32APSK，64APSK，128APSK，256APSK。其中16APSK，32APSK星座图在DVB-S2标准的基础上，增加了8+8APSK，4+8+4+16APSK星座图，64APSK为可选项。DVB-S2X标准通过引入更高阶的调制方式，进一步提高了现行标准的频谱利用率。DVB-S2X系统主要由发射机，信道和接收机构成。位于接收机的软解映射模块是发射机中星座映射模块的逆过程，意图在于将接收机的接收点进行解析，得到该点的每个比特的对数似然比。
高阶调制技术的采用使得卫星通信系统的传输能力得到极大提高，但是计算复杂度也有很大增加。目前，在实际的卫星接收中，64APSK及更高的调制方式实现难度极高，降低高阶调制解调方式的计算复杂度成为了当前研究热点。DVB-S2X标准中，高阶调制技术与LDPC编译码结合使用，解调不再采用传统的硬解调方式，而是采用软解调方式，即解调端输出编码比特的软信息至译码器，再由译码器进行硬判决译码。软输出解调器通常采用基于最大对数后验概率准则的对数似然比(Log-Likelihood Ratio,LLR)算法计算高阶调制信号的软输出解调信息，但计算复杂度较高，在卫星硬件平台实现比较困难，因此其简化算法的研究很有实用意义。目前针对DVB-S2标准的16APSK、32APSK调制信号的软解调算法已经有很多人做过研究，但针对DVB-S2X标准新采用的调制方式的研究还较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统，以解决现有的软解调算法计算复杂度较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种DVB-S2X系统软解映射方法，DVB-S2X系统包括发射机、信道和接收机，位于接收机的软解映射模块是发射机中星座映射模块的逆过程，用于将接收机的星座点进行解析，得到该星座点的每个比特的对数似然比，所述DVB-S2X系统软解映射方法包括：
确定调制方式、编码速率及星座图；
根据所述编码速率计算星座图内圆半径与外圆半径比值，根据星座图中各星座点确定相位坐标值；
所述星座映射模块根据所述星座图特性，将编码得到的二进制向量映射到星座点，其中每个星座点对应一个4比特向量；
所述软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，N≥1。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述星座映射模块输出的星座点表示为s_k＝s_I+j*s_Q，
所述星座点的相位坐标值经过高斯白噪声信道，所述软解映射模块接收到的信号表示为：
r_k＝I_k+j*Q_k。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述DVB-S2X系统中，所述调制方式为8+8APSK，所述编码速率为90/180、96/180、100/180、18/30或20/30。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，调制方式8+8APSK所对应的星座图由两个同心圆组成，内圆含有8个星座点，外圆含有8个星座点，其中R1代表内圆半径，R2代表外圆半径，γ＝R2/R1，不同的编码速率对应不同的γ值。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，得到该星座点的每个比特的对数似然比包括：
LDPC编译码或Turbo编译码与8+8APSK调制方式联合使用，将接收机输出的软信息送入译码器，在译码器逐比特硬判决出数字符号0或1；
计算每比特符号的概率似然比，根据似然比进行判决；
基于最大后验概率准则，映射比特的对数似然比。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的最低位比特b_0进行判决，
b_0位信息关于I轴、Q轴都对称，将b_0位信息的判决放在第一象限进行；
第一象限中，在直线Y＝X上方，b_0均为1，在直线Y＝X下方，b_0均为0；
根据b_0位的图形特征，判断当|r_I|≥|r_Q|时，b_0＝0，当|r_I|<|r_Q|时，b_0＝1；
接收机输出的第一软信息在译码器是根据软信息的正负性进行硬判决，第一软信息LLR(b_0)为：
LLR(b_0)＝abs(r_I)-abs(r_Q)。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的第二低位比特b_1进行判决，
当r_I≥0时，b_1＝0，当r_I<0时，b_1＝1，第二软信息LLR(b_1)与r_Q无关；使第二软信息LLR(b_1)等于r_I；
LLR(b_1)＝r_I。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的第三低位比特b_2进行判决，
当r_Q≥0时，b_2＝0，当r_Q<0时，b_2＝1，第三软信息LLR(b_2)与r_I无关；使第三软信息LLR(b_2)等于r_Q；
LLR(b_2)＝r_Q。
可选的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的最高位比特b_3进行判决，
b_3位信息关于I轴、Q轴都对称，b_3位信息的判决在第一象限进行；当|r_I|≥|r_Q|时，LLR(b_3)＝P0-P8，当|r_I|＜|r_Q|时，LLR(b_3)＝P1-P9，
Figure BDA0002384873300000041
本发明还提供一种应用上述任意一项的所述DVB-S2X系统软解映射方法的数字信号处理系统。
在本发明提供的DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统中，软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，从而无需计算便可排除一些概率值的计算，降低了计算复杂度。
在本发明提供的DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统中，在计算b_0位、b_1位、b_2位的软信息时是根据星座图的图形特点求解的，并没有复杂的代数运算，相比于现有技术中的优化算法，计算复杂度得到进一步降低。
具体的，DVB-S2X标准在DVB-S2标准的基础上增加了多种高阶APSK调制方式，其中16APSK调制增加了8+8APSK星座图。本发明根据16APSK星座图的特点，并提出了一种新的软解调优化算法。该算法与LLR算法和Max-log-MAP算法相比，计算复杂度降低显著。三种算法的仿真结果表明，优化算法性能损失代价小，在工程应用中具有较好的实用性。
附图说明
图1是本发明一实施例DVB-S2X系统软解映射方法中8+8APSK星座图示意图；
图2是本发明另一实施例DVB-S2X系统软解映射方法b_0位信息坐标示意图；
图3是本发明另一实施例DVB-S2X系统软解映射方法b_1位信息坐标示意图；
图4是本发明另一实施例DVB-S2X系统软解映射方法b_2位信息坐标示意图；
图5是本发明另一实施例DVB-S2X系统软解映射方法b_3位信息坐标示意图；
图6是本发明另一实施例数字信号处理系统示意图；
图7是本发明另一实施例DVB-S2X系统软解映射方法BER仿真示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统，以解决现有的软解调算法计算复杂度较大的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统，DVB-S2X系统包括发射机、信道和接收机，位于接收机的软解映射模块是发射机中星座映射模块的逆过程，用于将接收机的星座点进行解析，得到该星座点的每个比特的对数似然比，所述DVB-S2X系统软解映射方法包括：确定调制方式、编码速率及星座图；根据所述编码速率计算星座图内圆半径与外圆半径比值，根据星座图中各星座点确定相位坐标值；所述星座映射模块根据所述星座图特性，将编码得到的二进制向量映射到星座点，其中每个星座点对应一个4比特向量；所述软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，N≥1。
<实施例一>
本实施例提供一种DVB-S2X系统软解映射方法，DVB-S2X系统包括发射机、信道和接收机，位于接收机的软解映射模块是发射机中星座映射模块的逆过程，用于将接收机的星座点进行解析，得到该星座点的每个比特的对数似然比，所述DVB-S2X系统软解映射方法包括：确定调制方式、编码速率及星座图；根据所述编码速率计算星座图内圆半径与外圆半径比值，根据星座图中各星座点确定相位坐标值；所述星座映射模块根据所述星座图特性，将编码得到的二进制向量映射到星座点，其中每个星座点对应一个4比特向量；所述软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，N≥1。
具体的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述星座映射模块输出的星座点表示为s_k＝s_I+j*s_Q，所述星座点的相位坐标值经过高斯白噪声信道，所述软解映射模块接收到的信号表示为：
r_k＝I_k+j*Q_k。
如图1所示，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述DVB-S2X系统中，所述调制方式为8+8APSK，所述编码速率为90/180、96/180、100/180、18/30或20/30。在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，调制方式8+8APSK所对应的星座图由两个同心圆组成，内圆含有8个星座点，外圆含有8个星座点，其中R1代表内圆半径，R2代表外圆半径，γ＝R2/R1，不同的编码速率对应不同的γ值。DVB-S2X标准采用的4+12APSK星座图相比于DVB-S2标准增加了多种编码速率以及多种γ值，具体的对应关系见表1a和1b。
表1a nldpc＝64800不同码率对应的γ值
Figure BDA0002384873300000071
表1b nldpc＝16200不同码率对应的γ值
Figure BDA0002384873300000072
表2 nldpc-64800不同码率对应的γ
Figure BDA0002384873300000073
DVB-S2X标准中，8+8APSK调制方式与五种不同的编码速率相结合,分别对应了具体的五种星座图。其中三种编码速率(90/180、96/180、100/180)相对应的γ值，如表2所示，相位
Figure BDA0002384873300000075
值如表3所示。编码速率为18/30、20/30，DVB-S2X标准给出了具体的坐标值。调制器根据如上星座图特性，将编码得到的二进制向量映射到星座点，其中每个信号点对应一个4bit向量{b_3b_2b_1b_0}，其中b_3，b_2，b_1，b_0∈{0,1}，b_3表示最高位，b_0表示最低位。
表3 码率90/180、96/180、100/180对应的相位角
Figure BDA0002384873300000074
Figure BDA0002384873300000081
进一步的，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，得到该星座点的每个比特的对数似然比包括：LDPC编译码或Turbo编译码与8+8APSK调制方式联合使用，将接收机输出的软信息送入译码器，在译码器逐比特硬判决出数字符号0或1；计算每比特符号的概率似然比，根据似然比进行判决；基于最大后验概率准则，映射比特的对数似然比。
为了降低软解调算法的计算复杂度，目前应用比较广泛的是对数似然比算法，以及简化算法Max-log-MAP算法。8+8APSK星座图的LLR算法首先计算出每比特的软信息LLR(bi)，具体计算公式如下：
Figure BDA0002384873300000082
分子中的Pi代表bi＝0的星座点，分母中的Pi代表bi＝1的星座点，其中
Figure BDA0002384873300000083
表达式中si是调制后对应的星座点，rk是接收到的信号。公式(1)中包含了较多的对数和指数运算，计算复杂度偏高。为了降低计算复杂度，目前应用比较广泛的是Max-log-MAP算法。
Max-log-MAP算法主要采用了数学公式(2)的近似算法，可大大降低LLR算法的计算复杂度。由于该算法对系统性能的影响很小，得到了很好的工程应用。
Figure BDA0002384873300000084
8+8APSK星座图的Max-log-MAP算法计算每比特的软信息LLR(bi)表示如下：
LLR(b3)＝max(P0，P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7)-max(P8，P9，P10，P11，P12，P13，P14，P15)
LLR(b2)＝max(P0，P1，P2，P3，P8，P9，P10，P11)-max(P4，P5，P6，P7，P12，P13，P14，P15)
LLR(b1)＝max(P0，P1，P4，P5，P8，P9，P12，P13)-max(P2，P3，P6，P7，P10，P11，P14，P15)
LLR(b0)＝max(P0，P2，P4，P6，P8，P10，P12，P14)-max(P1，P3，P5，P7，P9，P11，P13，P15)
(3)
其中：
Figure BDA0002384873300000091
Max-log-MAP算法计算复杂度比LLR算法降低了很多，但对于高阶的调制解调算法，还存在很大的计算量。
如图2所示，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：对4比特向量的最低位比特b_0进行判决，b_0位信息关于I轴、Q轴都对称，将b_0位信息的判决放在第一象限进行；第一象限中，在直线Y＝X上方，b_0均为1，在直线Y＝X下方，b_0均为0；根据b_0位的图形特征，判断当|r_I|≥|r_Q|时，b_0＝0，当|r_I|<|r_Q|时，b_0＝1；接收机输出的第一软信息在译码器是根据软信息的正负性进行硬判决，第一软信息LLR(b_0)为：
LLR(b_0)＝abs(r_I)-abs(r_Q)。
如图3所示，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：对4比特向量的第二低位比特b_1进行判决，当r_I≥0时，b_1＝0，当r_I<0时，b_1＝1，第二软信息LLR(b_1)与r_Q无关；使第二软信息LLR(b_1)等于r_I；
LLR(b_1)＝r_I。
如图4所示，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：对4比特向量的第三低位比特b_2进行判决，当r_Q≥0时，b_2＝0，当r_Q<0时，b_2＝1，第三软信息LLR(b_2)与r_I无关；使第三软信息LLR(b_2)等于r_Q；
LLR(b_2)＝r_Q。
如图5所示，在所述的DVB-S2X系统软解映射方法中，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：对4比特向量的最高位比特b_3进行判决，b_3位信息关于I轴、Q轴都对称，b_3位信息的判决在第一象限进行；当|r_I|≥|r_Q|时，LLR(b_3)＝P0-P8，当|r_I|＜|r_Q|时，LLR(b_3)＝P1-P9，
Figure BDA0002384873300000101
综上，上述实施例对DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种应用上一实施例所述的DVB-S2X系统软解映射方法的数字信号处理系统。
设输入信号为随机信号，信道采用加性高斯白噪声信道，LDPC的码长为64800，码率为90/180，8+8APSK外圆半径与内圆半径的比值γ＝2.19，迭代次数为50，系统模型如图6所示。
表4计算复杂度比较
Figure BDA0002384873300000102
通过仿真将本发明软解调映射方法BER仿真4与LLR算法BER仿真2、Max-log-MAP算法BER仿真3及无编码的硬解调算法BER仿真1进行比较，如图7所示。本发明软解调映射方法与LLR算法，Max-log-MAP算法计算复杂度比较如表4所示。由图7可得，当误码率达到10-6，本发明提出的DVB-S2X系统软解映射方法BER仿真4与Max-log-MAP算法BER仿真3相比，只有0.1dB编码增益的差距，与LLR算法BER仿真2相比，则存在0.4dB编码增益的差距。由表4可得，新算法与Max-log-MAP算法，LLR算法相比，计算复杂度有了明显的下降。
在本发明提供的DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统中，软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，从而无需计算便可排除一些概率值的计算，降低了计算复杂度。
在本发明提供的DVB-S2X系统软解映射方法、数字信号处理系统中，在计算b_0位、b_1位、b_2位的软信息时是根据星座图的图形特点求解的，并没有复杂的代数运算，相比于现有技术中的优化算法，计算复杂度得到进一步降低。
DVB-S2X标准在DVB-S2标准的基础上增加了多种高阶APSK调制方式，其中16APSK调制增加了8+8APSK星座图。本发明根据16APSK星座图的特点，并提出了一种新的软解调优化算法。该算法与LLR算法和Max-log-MAP算法相比，计算复杂度降低显著。三种算法的仿真结果表明，优化算法性能损失代价小，在工程应用中具有较好的实用性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种DVB-S2X系统软解映射方法，DVB-S2X系统包括发射机、信道和接收机，位于接收机的软解映射模块是发射机中星座映射模块的逆过程，用于将接收机的星座点进行解析，得到该星座点的每个比特的对数似然比，其特征在于，所述DVB-S2X系统软解映射方法包括：
确定调制方式、编码速率及星座图；
根据所述编码速率计算星座图内圆半径与外圆半径比值，根据星座图中各星座点确定相位坐标值；
所述星座映射模块根据所述星座图特性，将编码得到的二进制向量映射到星座点，其中每个星座点对应一个4比特向量；
所述软解映射模块根据星座图中每个比特所具有的特性，先比较该比特对应16个星座点的概率值大小，排除概率值最小的N个星座点，N≥1。
2.如权利要求1所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，所述星座映射模块输出的星座点表示为s_k＝s_I+j*s_Q，
所述星座点的相位坐标值经过高斯白噪声信道，所述软解映射模块接收到的信号表示为：
r_k＝I_k+j*Q_k。
3.如权利要求2所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，所述DVB-S2X系统中，所述调制方式为8+8APSK，所述编码速率为90/180、96/180、100/180、18/30或20/30。
4.如权利要求3所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，调制方式8+8APSK所对应的星座图由两个同心圆组成，内圆含有8个星座点，外圆含有8个星座点，其中R1代表内圆半径，R2代表外圆半径，γ＝R2/R1，不同的编码速率对应不同的γ值。
5.如权利要求4所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，得到该星座点的每个比特的对数似然比包括：
LDPC编译码或Turbo编译码与8+8APSK调制方式联合使用，将接收机输出的软信息送入译码器，在译码器逐比特硬判决出数字符号0或1；
计算每比特符号的概率似然比，根据似然比进行判决；
基于最大后验概率准则，映射比特的对数似然比。
6.如权利要求5所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的最低位比特b_0进行判决，
b_0位信息关于I轴、Q轴都对称，将b_0位信息的判决放在第一象限进行；
第一象限中，在直线Y＝X上方，b_0均为1，在直线Y＝X下方，b_0均为0；
根据b_0位的图形特征，判断当|r_I|≥|r_Q|时，b_0＝0，当|r_I|<|r_Q|时，b_0＝1；
接收机输出的第一软信息在译码器是根据软信息的正负性进行硬判决，第一软信息LLR(b_0)为：
LLR(b_0)＝abs(r_I)-abs(r_Q)。
7.如权利要求5所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的第二低位比特b_1进行判决，
当r_I≥0时，b_1＝0，当r_I<0时，b_1＝1，第二软信息LLR(b_1)与r_Q无关；使第二软信息LLR(b_1)等于r_I；
LLR(b_1)＝r_I。
8.如权利要求5所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的第三低位比特b_2进行判决，
当r_Q≥0时，b_2＝0，当r_Q<0时，b_2＝1，第三软信息LLR(b_2)与r_I无关；使第三软信息LLR(b_2)等于r_Q；
LLR(b_2)＝r_Q。
9.如权利要求5所述的DVB-S2X系统软解映射方法，其特征在于，所述的DVB-S2X系统软解映射方法还包括：
对4比特向量的最高位比特b_3进行判决，
b_3位信息关于I轴、Q轴都对称，b_3位信息的判决在第一象限进行；当|r_I|≥|r_Q|时，LLR(b_3)＝P0-P8，当|r_I|＜|r_Q|时，LLR(b_3)＝P1-P9，
Figure FDA0002384873290000031
10.一种应用权利要求1～9任意一项的所述DVB-S2X系统软解映射方法的数字信号处理系统。
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