CN113965438A - 16apsk高阶调制方式下求解软信息的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，旨在实现16APSK调制方式下高效译码，充分提高频谱的利用率。本发明通过下述技术方案予以实现：首先，将16APSK调制方式下的星座图均匀地分布在不同区域的坐标系平面内，根据16APSK解调信号进行均值估计和不同区域求解软信息，完成帧同步；统计值求解星座图区域划分图单位坐标系同心圆组成的内外圈的分界阈值，解调属于星座图中16个不同区域中的某一个区域解调信号；计算高阶调制16APSK信号的软输出解调信息，结合密度奇偶校验码LDPC高速译码方式进行LDPC译码，将收端收到的码字用相应监督关系去校验，发现并纠正传输中引入错误，实现16APSK调制方式下海量数据传输的LDPC译码。

Description

16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法
技术领域
本发明是关于数字通信中解调译码技术领域，涉及一种16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法。
背景技术
随着卫星通信系统的飞速发展，海量的数据传输需求越来越高。由于卫星传输信道的可用频带资源有限，面临如此庞大的信息量传输需求，频谱的利用率就需要大幅度地提升。由于卫星信道既是带宽和功率受限信道，又是非线性信道，需要具有已调载波功率谱密度比较集中的调制方式，因此通常采用恒包络调制。但随着无线通信需求的不断增长,频率资源变得日益紧张,如何在有限带宽内高速率地传输大量数据是亟需解决的问题，其中一个有效的解决途径是提高调制阶数,即把更多比特调制到一个符号上，传统的高阶方形QAM星座图在平均功率受限的情况下,星座点变得更加密集,此时振荡器等频率处理设备带来的相位噪声使星座点发生偏转,导致系统误码率上升。对于采用高阶高速编码调制结构的现代通信系统，解映射输出的软解调信息直接关系到信道译码的优劣。为了提高系统性能，高阶调制方式需要与高效的编译码方式结合，既能够获得较高的编码增益，又可以有效地提高频谱的利用率，大幅度地改善通信性能，达到高质量传输海量数据的需求，确保有效数据的可靠性传输。虽然在现代通信系统中,软译码可有效提升译码性能,高阶调制如MQAM、MPSK和MAPSK能够在不增加带宽的同时获得高的传输速率。高阶调制是一种提高频谱效率的有效手段。但高阶调制解调模式下软信息的精确求解过于复杂,目前已有的近似算法性能损失过大。在相位噪声影响下,传统方形QAM调制技术易受相位噪声影响。高阶幅度相移键控(amplitude phase shift keying,APSK)解映射复杂度,不易硬件实现。为实现APSK调制与LDPC码结合的高功率和高效率调制编码系统,需要解码软信息的提取。所谓软信息，是指不能按标准化办法收集和处理从而无法通过书面方式进行传递的信息。硬信息通过组织的计划、数据处理等得到，是正式的、确实的、一定的、明了的。如：增长率、采购量、投资额等；软信息不能用准确的硬指标来表示，是非正式的、模糊的、推断的、知觉的。如：分析报告、业绩评估、前景预测等。
类似于其它数字调制方式，16APSK不同于一般的QAM的信号，它也可以用星座图方便地表示，是由内外2个同心圆组成，星座图上每一个星座点对应发射信号集中的那一点，这样的星座图设计，可以减少信号幅度的变化，利于放大器的非线性进行补偿，适合非线性信道传输。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，前提是信号的平均功率相同。16APSK信号在星座图上具有16个样点，每个样点表示一种矢量状态，16APSK有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16APSK的每个符号时间传送4比特映射。APSK调制方式是QAM和PSK之间的一个很好的折中，抗非线性的性能接近PSK。16APSK在接收机端的低密度奇偶校验LDPC译码前对数据解映射时采用软判决方法。最大对数似然比(LLR)为接收端度量软信息，是反映判决可靠性的重要信息。16APSK调制系统基于LDPC和积算法思想,与其他简化状态SISO算法相比,具有更为一般的形式。信道编码技术低密度奇偶校验LDPC78是接近香农容量的好码，鉴于奇偶校验矩阵的稀疏特性，便于硬件的实现，但是，LDPC译码是一种迭代译码，整个译码过程中需要输入信号比特的软信息，即解映射之后的比特信息的软信息值，而不是简单的硬判决结果。信号比特的软信息的优劣对于整个译码结果起着至关重要的作用，错误的软信息会导致译码结果完全错误，不能够实现信道纠错的功能，导致整个通信系统失效。软信息的求解通常采用的是对数似然比算法LLR((Log-Likelihood Ratio)),使用对数似然比(LLR)作为解调器的软信息输出。该算法公式中涉及了较多的对数和指数运算，硬件设计中运算量大复杂度高，不利于工程的实现。由于最大对数似然比LLR为接收端度量软信息，计算LLR的复杂度与计算量巨大，在实际工程应用中难以实现。目前实际应用中普遍采用的解映射算法Log-Likelihood比值法、Log-Map算法以及Max-Log-Map算法的计算复杂度都比较高，特别是当调制阶数较高时，给FPGA的资源占用和逻辑的复杂度都提出了巨大的挑战。高复杂度的算法不但消耗系统资源、延长开发周期，而且在复杂逻辑下，更容易寄生信号的竞争和冒险。分析可知，TWTA-HPA的非线性会使得卫星通信的质量严重下降，星座图要尽量减少信号幅度的起伏变化。由于高阶调制系统不可避免会带来比特可靠性不同的问题，在该采用兼顾QAM和PSK调制方式的16APSK的星座图中也不例外。对于16APSK调制，考虑TWTA-HPA的非线性会使信号星座图的内外环信号点发生相对旋转和半径的缩放，16APSK高阶调制方式下求解软信息复杂度高。16APSK解调信号在所有传输符号具有相同概率的情况下，使用相同的星座图比特的可靠性保持不变，通过重传比特可靠性仍然不平衡。发送端和接收端需要存储这四种不同的映射方式，发送端要选择正确的映射方式，接收端需要运用相应的解映射方式，并且，由于经过星座图重排后的重传数据不能在符号级合并，软合并只能在比特级进行，即在每一次接收到重传数据后，需要实现对16APSK调制方式下4个比特的软信息合并后再进入LDPC译码器译码。目前常用的16APSK的解映射算法有最大似然法、MaxLLR、相位和幅度结合硬判决法。但是它们的计算量较大，且涉及到除法和反正切运算，其硬件实现复杂度高，处理速度缓慢，不适合在FPGA中实现。因此，简化16APSK高阶调制方式下的软信息的求解算法是十分有必要的。
发明内容
本发明针对现有16APSK高阶调制方式下求解软信息复杂度高的问题，提出一种海量数据传输可靠，能够降低运算复杂度,提升频谱利用率，显著减少16APSK解软信息所需的硬件资源,并且译码性能满足高速数传的实际需要的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，根据接收的信号在星座图坐标系中的位置特点和16APSK调制方式的星座图特征，将16APSK调制方式下的星座图均匀地分布在16个不同区域的坐标系平面内，解调信号划分在不同的星座图区域；在接收到高速通信系统16APSK调制方式的I,Q两路解调数据星座点幅度值的解调信号之后，根据16APSK调調信号进行均值估计和不同区域求解软信息，完成帧同步；统计值求解星座图区域划分图单位坐标系同心圆组成的内外圈的分界阈值，解调属于星座图中16个不同区域中的某一个区域解调信号；计算高阶调制16APSK信号的软输出解调信息，针对不同区域求解软信息，解映射之后的比特信息，计算其每个区域中的接收信号软信息；根据不同的区域特性接收信号在单位坐标系中的解调幅度值与近似半径值做简单的加减运算，求解第一个象限的四个区域的软信息值，对16APSK解调信号4个比特bit的软判决，得到坐标系内的所有信号的软信息值；帧同步之后数据，结合密度奇偶校验码LDPC高速译码方式进行LDPC译码，将收端收到的码字用相应监督关系去校验，发现并纠正传输中引入错误，实现16APSK调制方式下海量数据传输的LDPC译码。
本发明相比现有技术，具有如下有益效果：
本发明从工程实现的角度考虑，以简化实用的软解调算法为基础，根据接收的信号在星座图坐标系中的位置特点和16APSK调制方式的星座图特征，将16APSK调制方式下的星座图均匀地分布在16个不同区域的坐标系平面内，解调信号划分在不同的星座图区域；简化了16APSK高阶调制方式下的软信息的求解方式，可以根据接收的解调信号在单位坐标系中的星座图位置特点，只采用已知的两个幅度值，划分不同的星座图区域，方便了工程项目实现，可以充分提高频谱的利用率，实现高质量传输海量数据的需求，确保有效数据的可靠性传输。这是由于16APSK调制方式星座图的对称性，只需要求解第一个象限的四个区域即可得到坐标系内的所有信号的软信息值，然后结合高效译码LDPC78,实现海量数据的传输需求。能有效提取译码所需软信息,与LDPC码的SPA译码算法相结合,实现了LDPC码的软判决译码,得到了好的译码性能。
本发明在接收到高速通信系统16APSK调制制方式的I,Q两路解调数据星座点幅度值的解调信号之后，进行均值估计和不同区域求解软信息，完成帧同步，能够在不增加带宽的同时获得高的传输速率，实现星地间数据的传输，提高了处理速度，可以克服实现中出现的计算复杂度的问题，达到高质量传输海量数据的需求，确保有效数据的可靠性传输。采用FPGA实现算法功能时，逻辑分析运算少，减少资源的开销。
本发明对于每个区域中的接收信号计算其软信息，根据不同的区域特性接收信号在单位坐标系中的解调幅度值与近似半径值做简单的加减运算，求解第一个象限的四个区域，实现对16APSK解调信号4个bit的软判决，得到坐标系内的所有信号的软信息值，求解的软信息值以低密度奇偶校验码LDPC高速译码方式实现16APSK调制方式下LDPC译码。利用简单的加减法运算，实现对16APSK解调信号的4个bit软判决信息，降低了硬件实现复杂度，大大减少了运算复杂度，结合高效译码能力的LDPC78译码方式，可以有效提高通信系统的传输速率，显著减少了算法实现的硬件资源，并且，译码性能满足高速数传的实际需求。根据优化目标下的解映射性能仿真，实验分析表明,本发明大大降低运算复杂度,能够显著减少16APSK解软信息所需的硬件资源,并且译码性能满足高速数传的实际需要。
本发明适合应用于高速数字通信系统中海量数据的传输需求，能够广泛应用于各种数据传输设备的16APSK高阶调制方式下的高速译码。
附图说明
下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
图1是本发明16APSK高阶调制方式下求解软信息的流程图；
图2是图1的星座图区域划分图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，首先，根据接收的信号在星座图坐标系中的位置特点和16APSK调制方式的星座图特征，将16APSK调制方式下的星座图均匀地分布在16个不同区域的坐标系平面内，解调信号划分在不同的星座图区域；在接收到高速通信系统16APSK调制方式的I,Q两路解调数据星座点幅度值的解调信号之后，根据16APSK解调信号进行均值估计和不同区域求解软信息，完成帧同步；统计值求解星座图区域划分图单位坐标系同心圆组成的内外圈的分界阈值，解调属于星座图中16个不同区域中的某一个区域解调信号；计算高阶调制16APSK信号的软输出解调信息，针对不同区域求解软信息，解映射之后的比特信息，计算其每个区域中的接收信号软信息；根据不同的区域特性接收信号在单位坐标系中的解调幅度值与近似半径值做简单的加减运算，求解第一个象限的四个区域的软信息值，对16APSK解调信号4个比特bit的软判决，得到坐标系内的所有信号的软信息值；帧同步之后数据，结合密度奇偶校验码LDPC高速译码方式进行LDPC译码，将收端收到的码字用相应监督关系去校验，发现并纠正传输中引入错误，实现16APSK调制方式下海量数据传输的LDPC译码。
根据16APSK星座映射特征，在星座图坐标系中，基于接收信号到判决区域边界的最小距离生成比特软信息，采用解映射电路生成关于横纵轴对称的16APSK映射星座分界图，根据16APSK调制方式下每个比特的0/1取值，生成每个比特对应的判决区域，为每个比特的硬判区域划分不受其它比特影响的比特的判决区域；解映射电路根据判决区域的对称特性，以星座图上的最小欧氏距离最大化概率为目标函数的优化设计映射星座图，划分为多个同心圆区域共同组成16APSK调制方式的区域划分星座图。
以阈值控制值一个参数thre近似值为划分区域虚线圆的半径值，该参数根据统计计算求得星座图内外圈半径的分割半径值，采用虚线的四个区域象限划分内外圈半径的星座图，四个区域象限按M-PSK进行排列划分为16个不同的区域，内圈划分为四个象限区域的四个信号点，外圈划分为四个象限区域的12个信号点。16APSK高阶调制方式下求解的软信息与LDPC78结合的译码率统计结果。不同的信噪比下的误码率统计如下表所示
信噪比Eb/NO(dB) 7.50 8.10 8.30 8.80 8.89 8.99
误码率 3.9e-3 2.9e-4 3.0e-5 2.1e-6 4.7e-8 1.4e-9
根据实际的测试结果和误码率统计，建立误码经验数据库，根据统计置信度原理，利用统计误码率判断通信距离。
参阅图2。在星座图区域划分图中，16APSK调制信号的星座图包括2个同心圆环，内圆环和外圆环均匀地分布着4+12星座点的相移键控PSK信号，内圆环包括四个星座点，外圆环包括12个星座点，内圆的星座点表示为
Figure BDA0003289465200000051
外圆的星座点表示为
Figure BDA0003289465200000061
其中，r1为内圆的半径，r2为外圆的半径，Φ1和Φ2指内外两个圆上面的星座点的初相。
以阈值控制值一个参数thre近似值为划分区域虚线圆的半径值，该参数根据统计计算求得星座图内外圈半径的分割半径值，采用虚线的四个区域象限划分内外圈半径的星座图，四个区域象限按M-PSK进行排列划分为16个不同的区域，内圈内环划分为四个象限区域的四个信号点，外圈外环划分为四个象限区域的12个信号点。结合16APSK的星座图的约束，外环相对于内环的相移；外环相对于内环的半径比＝r2/r1。
根据与四个象限区域中的点最大相关概率原则，利用阈值控制值的近似值和划分区域虚线圆的半径值，运算不同区域中的星座点软信息接收信号与阈值控制值，16APSK解调之后4个比特的软信息dout4,dout3,dout2,dout1，对落到每个区域的接收符号比特软信息进行计算,得到具有低计算量的解映射公式，分别计算出四个区域的四个比特值：
第一区域信号的软信息为：
Figure BDA0003289465200000062
第二区域信号的软信息为：
Figure BDA0003289465200000063
第三区域信号的软信息为：
Figure BDA0003289465200000064
第四区域信号的软信息为：
Figure BDA0003289465200000065
其中，(I,Q)是16APSK解调之后的星座点幅度值。
根据16APSK调制方式的星座图，求解出4个区域的软信息(dout4,dout3,dout2,dout1)，根据星座图星座点对称性就可以得到其它象限区域的软信息值。
信道编码技术低密度奇偶校验LDPC78是接近香农容量的好码，它是一种迭代译码。16APSK解映射之后，进行帧同步，帧同步之后的数据与LDCP78相结合，进行迭代译码，按检错码规则确定错误所在位置并予以纠正，实现纠错译码功能。纠错并恢复原码字的过程称为译码。可以看到在不同的信噪比下的LDPC78译码性能的误码率统计值，可以满足工程应用中高速数传的译码性能需求。
以星座图上所有信号点距离解映射门限的最小距离的最大化为目标函数，提取接收端接收符号的绝对值,分别得到同相分量的绝对值和正交分量的绝对值.优化星座映射下解映射的绝对值。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中，对于本领域的工程技术人员而言，可以有各种更改和变化，凡是利用本发明所作的任何修改，等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，根据接收的信号在星座图坐标系中的位置特点和16APSK调制方式的星座图特征，将16APSK调制方式下的星座图均匀地分布在16个不同区域的坐标系平面内，解调信号划分在不同的星座图区域；在接收到高速通信系统16APSK调制方式的I,Q两路解调数据星座点幅度值的解调信号之后，根据16APSK调調信号进行均值估计和不同区域求解软信息，完成帧同步；统计值求解星座图区域划分图单位坐标系同心圆组成的内外圈的分界阈值，解调属于星座图中16个不同区域中的某一个区域解调信号；计算高阶调制16APSK信号的软输出解调信息，针对不同区域求解软信息，解映射之后的比特信息，计算其每个区域中的接收信号软信息；根据不同的区域特性接收信号在单位坐标系中的解调幅度值与近似半径值做简单的加减运算，求解第一个象限的四个区域的软信息值，对16APSK解调信号的4个比特bit的软判决，得到坐标系内的所有信号的软信息值；帧同步之后数据，结合密度奇偶校验码LDPC高速译码方式进行LDPC译码，将收端收到的码字用相应监督关系去校验，发现并纠正传输中引入错误，实现16APSK调制方式下海量数据传输的LDPC译码。
2.如权利要求1所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：根据16APSK星座映射特征，在星座图坐标系中，基于接收信号到判决区域边界的最小距离生成比特软信息，采用解映射电路生成关于横纵轴对称的16APSK映射星座分界图，根据16APSK调制方式下每个比特的0/1取值，生成每个比特对应的判决区域，为每个比特的硬判区域划分不受其它比特影响的比特的判决区域。
3.如权利要求2所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：解映射电路根据判决区域的对称特性，以星座图上的最小欧氏距离最大化概率为目标函数的优化设计映射星座图，划分为多个同心圆区域共同组成16APSK调制方式的区域划分星座图。
4.如权利要求3所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：以阈值控制值一个参数thre近似值为划分区域虚线圆的半径值，该参数根据统计计算求得星座图内外圈半径的分割半径值，采用虚线的四个区域象限划分内外圈半径的星座图，四个区域象限按M-PSK进行排列划分为16个不同的区域，内圈划分为四个象限区域的四个信号点，外圈划分为四个象限区域的12个信号点。
5.如权利要求1所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：在星座图区域划分图中，16APSK调制信号的星座图包括2个同心圆环，内圆环和外圆环均匀地分布着4+12星座点的相移键控PSK信号，内圆环包括四个星座点，外圆环包括12个星座点，内圆的星座点表示为
Figure FDA0003289465190000021
外圆的星座点表示为
Figure FDA0003289465190000022
其中，r1为内圆的半径，r2为外圆的半径，Φ1和Φ2指内外两个圆上面的星座点的初相。
6.如权利要求1所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：根据与四个象限区域中的点最大相关概率原则，利用阈值控制值的近似值和划分区域虚线圆的半径值，运算不同区域中的星座点软信息接收信号与阈值控制值和16APSK解调之后4个比特的软信息dout4,dout3,dout2,dout1，对落到每个区域的接收符号比特软信息进行计算,得到具有低计算量的解映射公式，分别计算出四个区域的四个比特值：
第一区域信号的软信息为：
Figure FDA0003289465190000023
第二区域信号的软信息为：
Figure FDA0003289465190000024
第三区域信号的软信息为：
Figure FDA0003289465190000025
第四区域信号的软信息为：
Figure FDA0003289465190000026
其中，I,Q是16APSK解调之后的星座点幅度值。
7.如权利要求1所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：1根据16APSK调制方式的星座图，求解出4个区域的软信息dout4,dout3,dout2,dout1，根据星座图星座点对称性就可以得到其它象限区域的软信息值。
8.如权利要求7所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：16APSK调制之后进行帧同步，帧同步之后的数据与LDCP78相结合，进行迭代译码，利用解调信号求解软信息，得到译码所需的软信息dout4,dout3,dout2,dout1。
9.如权利要求1所述的16APSK高阶调制方式下求解软信息的方法，其特征在于：以星座图上所有信号点距离解映射门限的最小距离的最大化为目标函数，提取接收端接收符号的绝对值,分别得到同相分量的绝对值和正交分量的绝对值,优化星座映射下解映射的绝对值。
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