CN112968858B - 一种qam软判决解映射的fpga实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，本发明采用基于近似最大似然估计软判决方式，利用QAM星座映射的正方形对称结构，对QAM软判决解映射的FPGA实现过程进行了优化，减少了QAM软判决解映射过程中消耗的逻辑资源，降低了对FPGA器件的资源需求；降低了QAM软判决解映射时逻辑设计的复杂度，缩短开发周期；在降低资源消耗的同时，并未增加运算延时；在降低资源消耗的同时，软判决的增益与传统的近似最大似然估计软判决的增益相同。

Description

一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法
技术领域
本发明属于QAM通信领域，具体涉及一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法。
背景技术
调制与解调是当前各种无线通信系统中的一项核心技术，其中QAM(正交幅度调制)被广泛应用于各类无线通信系统，提高无线通信速率以及频谱利用率。在各类无线通信系统中，通常采用最大似然估计或近似最大似然估计的方式进行软判决星座解映射，用于提高信道译码的增益。
当前QAM通信系统中，采用传统的最大似然估计软判决解映射方式会产生大量的数学运算，利用FPGA进行工程实现时，逻辑设计复杂度高，不利于缩短开发周期，同时为保证通信的实时性需减小运算延时，采用全并行运算会消耗大量的逻辑资源，即使使用相对简化的近似最大似然估计算法，软判决解映射时依然会消耗大量的逻辑资源。逻辑资源的消耗致使工程实现时需选用较大规模的FPGA器件，大规模的FPGA器件会提高成本，同时FPGA的运行功耗会增加；若为了减少逻辑资源而采用串行运算结构，会导致运算延时的增大，进而提高了通信系统整体延时，无法满足当代无线通信系统的实时性要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，能够简化软信息approxLLR的求解过程。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，设QAM调制阶数为偶数m，在星座图中共2m个星座点，根据QAM星座对称结构可知，I支路和Q支路分别包含种幅度信息，记为/>对输入的I支路和Q支路的数据分别与幅度An做差，并对差值求绝对值，记为距离信息/>与/>
步骤二，设QAM星座映射符号位Bn，n＝0,1,…m-1，根据QAM调制星座图得到，QAM调制星座映射符号位Bn为0或为1的概率为2m-1；
步骤三，利用查表法查得QAM星座映射符号位Bn为0与为1时所对应的星座点信息提取相对应的距离信息与/>提取信息共/>种；
步骤四，通过比较器求解星座映射符号位Bn为0时I支路和Q支路中距离信息中最小的点的平方和；
通过比较器求解星座映射符号位Bn为1时I支路和Q支路中距离信息中最小的点的平方和；
步骤五，根据QAM星座图为正方形对称结构，并利用除法器求解近似最大似然估计软信息，完成QAM软判决。
步骤一中，QAM调制阶数为大于2的偶数m。
步骤二中，m阶QAM调制可映射m个符号位。
若I支路幅度信息共种，Q支路幅度信息为/>种；同理，当Bn为1时，若I支路幅度信息共/>种时，Q支路幅度信息共/>种，反之若I支路幅度信息共/>种，Q支路幅度信息为/>种。
步骤四中，星座映射符号位Bn为0时I支路和Q支路中距离信息中最小的点为与/>其中，I和Q为输入信息坐标，I为横坐标，Q为纵坐标，S0为星座映射符号为0的集合，s用于表征星座图中的星座点，即(sI、sQ)，sI为横坐标，sQ为纵坐标。
步骤四中，星座映射符号位Bn为1时I支路和Q支路中距离信息中最小的点为与/>其中，S1为星座映射符号为1的集合。
步骤五中，根据QAM星座图为正方形对称结构可知 同理，/> 通过减法运算得到/>
步骤五中，近似最大似然估计软信息为：
其中，σ为噪声方差。
与现有技术相比，本发明采用基于近似最大似然估计软判决方式，利用QAM星座映射的正方形对称结构，对QAM软判决解映射的FPGA实现过程进行了优化，减少了QAM软判决解映射过程中消耗的逻辑资源，降低了对FPGA器件的资源需求；降低了QAM软判决解映射时逻辑设计的复杂度，缩短开发周期；在降低资源消耗的同时，并未增加运算延时；在降低资源消耗的同时，软判决的增益与传统的近似最大似然估计软判决的增益相同。
附图说明
图1是16QAM星座图；
图2是64QAM星座图；
图3是本发明的64QAM软判决解映射FPGA逻辑设计实现框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图3，本发明包括以下步骤：
步骤一：设QAM调制阶数为偶数m(m＝4,6,8…)，故星座图中共2m个星座点，根据QAM星座对称结构可知，I支路和Q支路分别包含种幅度信息，记为/>对输入的I支路和Q支路数据分别与幅度An做差，并对差值求绝对值，记为距离信息/>与
步骤二：设QAM星座映射符号位Bn(n＝0,1,…m-1)，即m阶QAM调制可映射m个符号位。根据QAM调制星座图可知，QAM调制星座映射符号位Bn为0或为1的概率为2m-1；当Bn为0时，若I支路幅度信息共种时，Q支路幅度信息共/>种，反之若I支路幅度信息共/>种，Q支路幅度信息为/>种；同理，当Bn为1时，若I支路幅度信息共/>种时，Q支路幅度信息共种，反之若I支路幅度信息共/>种，Q支路幅度信息为/>种；
步骤三：利用查表法查得QAM星座映射符号位Bn为0与为1时所对应的星座点，由步骤二可知，Bn为0或为1所对应的星座点共2m-1种，且I支路与Q支路距离信息共种，根据查表所得的星座点信息提取相对应的距离信息/>与/>提取信息共/>种；
步骤四：通过比较器求解星座映射符号位Bn为0时I支路和Q支路中距离信息中最小的点，即与/>求解I支路和Q支路距离信息最小点的平方和，即通过比较器求解星座映射符号位Bn为1时I支路和Q支路中距离信息中最小的点，即/>与/>求解I支路和Q支路距离信息最小点的平方和，即/>其中，I和Q为输入信息坐标，I为横坐标，Q为纵坐标，S0为星座映射符号为0的集合，s用于表征星座图中的星座点，即(sI、sQ)，sI为横坐标，sQ为纵坐标，S1为星座映射符号为1的集合；
步骤五：根据QAM星座图为正方形对称结构可知 同理可知/> 通过减法运算求出/>
步骤六：利用除法器求解近似最大似然估计软信息 完成QAM软判决，其中，σ为噪声方差。
本发明对比传统近似最大似然估计软判决运算与本发明提供的运算，若采用m阶QAM调制，软判决解映射所需运算如下表所示：
可以看出本发明提供的优化方法在减法、乘法、加法、比较运算中均优于传统方法，仅比传统方法多出取绝对值运算，而取绝对值运算在FPGA中可通过判断数据正负，对负数取反实现，消耗资源少且易于逻辑实现。
实施例：
第一步，提取QAM星座图中星座点幅度信息，64QAM调制阶数m＝6，故幅度信息共＝8种，记为An，其中n＝0,1，…7，将8种幅度信息以参数的形式在逻辑设计中定义即可。
第二步，利用减法器分别求解I支路和Q支路输入信息与8种星座点幅度信息的差值，对差值求绝对值，计算输入信息与星座点幅度的距离信息，即距离信息与 其中n＝0,1，…7；将16种距离信息存储至寄存器中，待查表提取。
第三步，根据查找表提取每个星座映射符号Bn(n＝0,1，…，m-1)为0或为1时所对应的距离信息。以B5为例，由图2可以看出，B5为0时，星座图中横轴幅度信息共8种，故I支路距离信息共8种星座图中纵轴幅度信息共4种，故Q支路距离信息共4种B5为1时，星座图中横轴幅度信息共8种，故I支路距离信息共8种星座图中纵轴幅度信息共4种，故Q支路距离信息共4种/>利用相同方法可以提取符号B0～B5为0或为1时I支路和Q支路相对应的距离信息。为提高运算速度，距离信息的提取采用全并行结构，即同时提取B0～B5为0或为1时I支路和Q支路相对应的距离信息，利用寄存器将提取的距离信息进行存储。
第四步，利用比较器求解符号Bn为0时I支路和Q支路最小的距离信息，记为与/>利用比较器求解符号Bn为1时I支路和Q支路最小的距离信息，记为/> 与/>以B5为例，由图2可以看出，B5为0时，Q支路距离信息共4种，需采用3个比较器求解Q支路最小的距离信息，I支路距离信息共8种，需采用7个比较器求解I支路最小的距离信息；同样的，B5为1时，Q支路距离信息共4种，需采用3个比较器求解Q支路最小的距离信息，I支路距离信息共8种，需采用7个比较器求解I支路最小的距离信息。由上述可以得出，求解B5为0与1时最小距离信息时共采用20个比较器，采用全并行求解Bn(n＝0,1，…5)为0与1时最小距离信息共需要120个比较器。
第五步，利用加法器与乘法器求解符号Bn为0时I支路和Q支路最小的距离信息的平方和即求得/>利用加法器与乘法器求解符号Bn为1时I支路和Q支路最小的距离信息的平方和/>即求得/> 以B5为例，求解B5为0与1时最小距离平方和共消耗4个乘法器以及2个加法器，采用全并行求解Bn(n＝0,1，…5)为0与1时最小距离平方和共需24个乘法器以及12个加法器。
第六步，利用减法器计算 由于n＝0,1，…5，故上述运算共消耗6个减法器。
第七步，利用除发器求解软信息 由于n＝0,1，…5，故上述运算共消耗6个除法器。
根据上述具体运算过程对比64QAM软判决优化方法与传统方法的资源消耗，如下表所示：
减法运算 乘法运算 加法运算 取绝对值 比较运算 除法运算
传统方法 774 768 284 无 372 6
优化方法 17 24 12 16 120 6
由上表可以看出采用本发明进行软判决运算所消耗的资源远远小于传统方法。

Claims (8)

1.一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设QAM调制阶数为偶数m，在星座图中共2m个星座点，根据QAM星座对称结构可知，I支路和Q支路分别包含种幅度信息，记为/>对输入的I支路和Q支路的数据分别与幅度An做差，并对差值求绝对值，记为距离信息/>与/>
步骤二，设QAM星座映射符号位Bn，n＝0,1,…m-1，根据QAM调制星座图得到，QAM调制星座映射符号位Bn为0或为1所对应的星座点共2m-1种；
步骤三，利用查表法查得QAM星座映射符号位Bn为0与为1时所对应的星座点信息提取相对应的距离信息与/>提取信息共/>种；
步骤四，通过比较器求解星座映射符号位Bn为0时I支路和Q支路中距离信息中最小的点的平方和；
通过比较器求解星座映射符号位Bn为1时I支路和Q支路中距离信息中最小的点的平方和；
步骤五，根据QAM星座图的正方形对称结构，并利用除法器求解近似最大似然估计软信息，完成QAM软判决。
2.根据权利要求1所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，步骤一中，QAM调制阶数为大于2的偶数m。
3.根据权利要求1所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，步骤二中，m阶QAM调制可映射m个符号位。
4.根据权利要求1所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，若I支路幅度信息共种，Q支路幅度信息为/>种；同理，当Bn为1时，若I支路幅度信息共/>种时，Q支路幅度信息共/>种，反之若I支路幅度信息共/>种，Q支路幅度信息为/>种。
5.根据权利要求1所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，步骤四中，星座映射符号位Bn为0时I支路和Q支路中距离信息中最小的点为与/>其中，I和Q为输入信息坐标，I为横坐标，Q为纵坐标，S0为星座映射符号为0的集合，s用于表征星座图中的星座点，即(sI、sQ)，sI为横坐标，sQ为纵坐标。
6.根据权利要求5所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，步骤四中，星座映射符号位Bn为1时I支路和Q支路中距离信息中最小的点为与/>其中，S1为星座映射符号为1的集合。
7.根据权利要求6所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，步骤五中，根据QAM星座图的正方形对称结构可知 同理，/> 通过减法运算得到/>
8.根据权利要求6所述的一种QAM软判决解映射的FPGA实现方法，其特征在于，步骤五中，近似最大似然估计软信息为：
其中，σ为噪声方差。
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