CN114978848B

CN114978848B - 一种用于无线通信系统中的qam编码方法及系统

Info

Publication number: CN114978848B
Application number: CN202210553903.7A
Authority: CN
Inventors: 牛英滔; 周展阳; 李勇
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2042-05-20
Also published as: CN114978848A

Abstract

本发明公开了一种用于无线通信系统中的QAM编码方法及系统，包括：基于QAM，获取目标原点，并根据目标原点所在复平面横坐标，构建第一星座图；获取第一星座图的六个第一星座点，并依据每个第一星座点之间的连线中点，生成六个第二星座点，以及根据目标原点到每个第一星座点的连线中点，生成六个第三星座点；根据目标原点、第一星座点、第二星座点、第三星座点，生成第二星座图；通过I/Q分量值，对第一星座点、第二星座点、第三星座点进行表达后，对第二星座图进行编码，并根据第二星座图的编码规则，对二进制信源进行编码，生成用于基带调制和解调的通信信号；本发明与现有的矩形QAM星座图设计方法相比，提高了传输的有效性和可靠性。

Description

一种用于无线通信系统中的QAM编码方法及系统

技术领域

本发明涉及QAM编码技术领域，尤其涉及一种用于无线通信系统中的QAM编码方法及系统。

背景技术

在无线通信系统中，基带调制和解调是信息传输处理中的主要环节之一(见附图1中的实线框)。为获得更高的传输速率，更大的噪声容限，人们提出了各种数字调制方式，其中PSK和QAM调制方式是应用非常广泛的两类调制方式。在MPSK调制方式中，随着M(即星座点数量)的增大，相邻相位的星座点距离逐渐减小，噪声容限随之减小，误比特性能将趋于恶化。为改善在M值增大时的噪声容限，人们提出了QAM调制方式。在QAM调制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到控制。但现有QAM星座图多采用矩形星座点设计方案，不同相邻星座点间的欧氏距离并不相等，降低了QAM的能效。为此，需进一步优化QAM星座图设计，进而改善QAM调制方式的能效。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，包括以下步骤：

基于QAM，获取目标原点，并根据目标原点所在复平面横坐标，构建用于表示正六边形6QAM的第一星座图；

获取第一星座图的六个第一星座点，并依据每个第一星座点之间的连线中点，生成六个第二星座点，以及根据目标原点到每个第一星座点的连线中点，生成六个第三星座点；

根据目标原点、第一星座点、第二星座点、第三星座点，生成用于表示正六边形18QAM的第二星座图；

通过I/Q分量值，对第一星座点、第二星座点、第三星座点进行表达后，对第二星座图进行18进制编码，并根据第二星座图的编码规则，对二进制信源进行编码，生成用于基带调制和解调的通信信号。

优选地，在生成第一星座图的过程中，目标原点与复平面横坐标正方向夹角为0°，60°，120°，180°，240°，300°；

目标原点与第一星座点的距离为1，其中，距离用于表示峰值发射功率归一化的结果，峰值发射功率用于表示星座点所表示的最大发射功率。

优选地，在对第二星座图进行18进制编码的过程中，通过I/Q分量值，获取第一星座点的第一坐标；

基于第一坐标，根据第一星座点和第三星座点之间连线作为模长，获取第三星座点的第二坐标；

将相邻的两个第三星座点的第二坐标进行矢量加法，获取第二星座点的第三坐标；

其中，第一坐标为1、0.5-0.866i、-0.5-0.866i、-1、-0.5+0.866i、0.5+0.866i；

第二坐标为0.5、0.25-0.433i、-0.25-0.433i、-0.5、-0.25+0.433i、0.25+0.433i；

第三坐标为0.75-0.433i、-0.866i、-0.75-0.433i、-0.75+0.433i、0.866i、0.75+0.433i。

优选地，在获取第一坐标的过程中，第一坐标的表达式为：

优选地，在对第二星座图进行18进制编码的过程中，将二进制信源的每32bit作为一个编码单元，记为c₀c₁...c₃₁；

引入1位奇偶校验位，作为第33个bit位，记为c₃₂，其中，若32位中，1的个数为奇数，则c₃₂＝1，否则为0；

将33位的2进制数转换为8位18进制数，获得编码完成的18进制编码。

优选地，在将33位的2进制数转换为8位18进制数的过程中，将二进制转换为十进制，采用加权求和的方法，第0位二进制权重为2⁰＝1，第1位二进制权重为2¹＝2，第j位二进制权重为2^j，直到第33位，求和得到一个十进制结果；

将得到的十进制结果采用整除取余的方法转换为8位18进制数，其中，转换方法的数学表达式为：

C_j＝mod(Dec\18^j,18),j＝0,1,…,7

其中，\表示整除运算，mod(·)表示取余运算。

优选地，在生成用于基带调制和解调的通信信号的过程后，通信信号的解调包括以下步骤：

将每8位18进制数转换为33位2进制数，并进行奇偶校验，其中，奇偶校验的过程为：计算前32位中1的个数，并且与第33位进行对比，若前32位有奇数个1且第33位为1或前32位有偶数个1且第33位为0，则认为信息传输没有出错，否则认为信息传输出现了错误，则需进行重传并舍弃该32bit信息。

本发明还公开了一种用于无线通信系统中的QAM编码系统，其特征在于，包括：

第一星座图构建模块，用于基于QAM，获取目标原点，并根据目标原点所在复平面横坐标，构建用于表示正六边形6QAM的第一星座图；

星座点生成模块，用于获取第一星座图的六个第一星座点，并依据每个第一星座点之间的连线中点，生成六个第二星座点，以及根据目标原点到每个第一星座点的连线中点，生成六个第三星座点；

第二星座图构建模块，用于根据目标原点、第一星座点、第二星座点、第三星座点，生成用于表示正六边形18QAM的第二星座图；

编码模块，用于通过I/Q分量值，对第一星座点、第二星座点、第三星座点进行表达后，对第二星座图进行18进制编码，并根据第二星座图的编码规则，对二进制信源进行编码，生成用于基带调制和解调的通信信号。

本发明公开了以下技术效果：

本发明与现有的矩形QAM星座图设计方法相比，其显著优点是：正六边形18QAM误符号率性能优于传统矩形16QAM，且每码元所传信息量也要多于传统矩形16QAM，提高了传输的有效性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的无线通信系统框图；

图2是本发明所述的正六边形18QAM星座图；

图3是本发明所述的正六边形18QAM编解码流程图。

具体实施方式

下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-2所示，本发明提供了一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，包括以下步骤：

进一步优选地，在生成第一星座图的过程中，目标原点与复平面横坐标正方向夹角为0°，60°，120°，180°，240°，300°；

进一步优选地，在对第二星座图进行18进制编码的过程中，通过I/Q分量值，获取第一星座点的第一坐标；

进一步优选地，在获取第一坐标的过程中，第一坐标的表达式为：

进一步优选地，在对第二星座图进行18进制编码的过程中，将二进制信源的每32bit作为一个编码单元，记为c₀c₁...c₃₁；

进一步优选地，在将33位的2进制数转换为8位18进制数的过程中，将二进制转换为十进制，采用加权求和的方法，第0位二进制权重为20＝1，第1位二进制权重为2¹＝2，第j位二进制权重为2^j，直到第33位，求和得到一个十进制结果；

C_j＝mod(Dec\18^j,18),j＝0,1,…,7

其中，\表示整除运算，mod(·)表示取余运算。

进一步优选地，在生成用于基带调制和解调的通信信号的过程后，通信信号的解调包括以下步骤：

本发明提供的一种用于无线通信系统中的QAM编码方法及系统，目的是改善QAM调制方式的传输可靠性和有效性，可用于无线通信系统中的基带调制和解调(见附图1中的实线框)。

实现本发明的技术方案为：一种正六边形18QAM星座图及其编码设计方法，其步骤为：

第一步，对正六边形18QAM星座图分布进行设计；

第二步，对正六边形18QAM星座图坐标数值进行计算；

第三步，对正六边形18QAM进行编码；

第四步，对正六边形18QAM进行调制；

第五步，对正六边形18QAM进行解调；

第六步，对正六边形18QAM进行解码。

1、对正六边形18QAM星座图分布进行设计

首先，分别在原点与复平面横坐标正方向夹角为0°，60°，120°，180°，240°，300°，距离原点为1的地方绘制六个星座点，分别记为s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅，这样就得到了正六边形6QAM的星座图。这里的距离1是对峰值发射功率归一化的结果，峰值发射功率代表的是星座图设计中星座点所表示的最大发射功率。

然后，如附图1所示，在相邻两星座点之间的中点绘制六个星座点，分别记为s₆、s₇、s₈、s₉、s₁₀、s₁₁。

最后，在原点与星座点s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅之间连线的中点绘制星座点，分别记为s₁₂、s₁₃、s₁₄、s₁₅、s₁₆、s₁₇。这样，就得到了正六边形18QAM的星座图，如附图1所示。

2、对正六边形18QAM星座图坐标数值进行计算

按照常规QAM调制方法，将平面分为同相分量(I分量，横坐标)和正交分量(Q分量，纵坐标)，通过I/Q分量的值，就可以来描述平面上的一个星座点。为方便表述与计算，用复数来代表这个点，其中实部为I分量，虚部为Q分量。例如0.5+0.866i就表示同相分量为0.5，正交分量为0.866的点，其与复平面横坐标正方向夹角为60°，与原点距离为1。

第一步，根据复平面的有关数学性质，s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅的坐标分别为

即分别为1，0.5-0.866i、-0.5-0.866i、-1、-0.5+0.866i，0.5+0.866i。

第二步，在正六边形六个顶点与原点中点处的星座点，即s₁₂、s₁₃、s₁₄、s₁₅、s₁₆、s₁₇，其方向与顶点处星座点一致，模长为顶点处的1/2，因此其坐标分别为：0.5、0.25-0.433i、-0.25-0.433i、-0.5、-0.25+0.433i、0.25+0.433i。

第三步，在正六边形六条边中点处的星座点，即s₆、s₇、s₈、s₉、s₁₀、s₁₁，可根据复数加法的有关结论，可由第二步中相邻两个的星座点进行矢量加法得到，即s₆＝s₁₂+s₁₃、s₇＝s₁₄+s₁₃、s₈＝s₁₄+s₁₅、s₉＝s₁₆+s₁₅、s₁₀＝s₁₆+s₁₅、s₁₁＝s₁₂+s₁₇，计算结果分别为：0.75-0.433i、-0.866i、-0.75-0.433i、-0.75+0.433i、0.866i、0.75+0.433i。

最终，正六边形18QAM星座点坐标如表1所示。

表1正六边形18QAM星座点坐标

星座点	18进制数字	复平面坐标	星座点	18进制数字	复平面坐标
						<![CDATA[s<sub>0</sub>]]>	0	1	<![CDATA[s<sub>9</sub>]]>	9	-0.75+0.433i
<![CDATA[s<sub>1</sub>]]>	1	0.5-0.866i	<![CDATA[s<sub>10</sub>]]>	A	0+0.866i
						<![CDATA[s<sub>2</sub>]]>	2	-0.5-0.866i	<![CDATA[s<sub>11</sub>]]>	B	0.75+0.433i
<![CDATA[s<sub>3</sub>]]>	3	-1	<![CDATA[s<sub>12</sub>]]>	C	0.5
						<![CDATA[s<sub>4</sub>]]>	4	-0.5+0.8660i	<![CDATA[s<sub>13</sub>]]>	D	0.25-0.433i
<![CDATA[s<sub>5</sub>]]>	5	0.5+0.866i	<![CDATA[s<sub>14</sub>]]>	E	-0.25-0.433i
						<![CDATA[s<sub>6</sub>]]>	6	0.75-0.433i	<![CDATA[s<sub>15</sub>]]>	F	-0.5
<![CDATA[s<sub>7</sub>]]>	7	0-0.866i	<![CDATA[s<sub>16</sub>]]>	G	-0.25+0.433i
						<![CDATA[s<sub>8</sub>]]>	8	-0.75-0.433i	<![CDATA[s<sub>17</sub>]]>	H	0.25+0.433i

星座点的序号也可按其它方式编制。

3、对正六边形18QAM进行编码

正六边形18QAM进行调制时，每个码元的信息量为

I_N＝log₂18＝4.1699(bit)

若每4bit对应一个码元，则每个码元就有0.1699(bit)的信息浪费。这样一来，正六边形18QAM相较于矩形16QAM的优势并不突出。n个正六边形18QAM码元包4.1699n(bit)信息。为计算及实际应用方便，取n＝8，此时8个码元包含33.3594bit信息。基于该结论进行编码流程的设计。为方便表述，将第一个bit称为第0位。

第一步，将二进制信源的每32bit作为一个编码单元，记为c₀c₁...c₃₁。

第二步，引入1位奇偶校验位，作为第33个bit位，记为c₃₂。若32位中，1的个数为奇数，则c₃₂＝1，否则为0。其数学表达为：

其中

为模二加法。

第三步，将33位的2进制数转换为8位18进制数。在转换过程中，以日常使用的十进制作为中介。首先，将二进制转换为十进制，采用加权求和的方法，第0位二进制权重为2⁰＝1，第1位二进制权重为2¹＝2，第j位二进制权重为2^j，直到第33位，求和得到一个十进制结果。其数学表达为：

第四步，将得到的十进制结果采用整除取余的方法转换为8位18进制数，记为C₀C₁...C₇。其数学表达式为：

C_j＝mod(Dec\18^j,18),j＝0,1,…,7

式中“\”表示整除运算，mod(·)表示取余运算。

经过上述编码流程，最终能够得到编码完成后的8位18进制的数字。

4、对正六边形18QAM进行调制

将上一步骤得到的8位18进制数字按照表1分别对应得到其基带复信号。将基带复信号进行中频调制、上变频、功率放大等通信信号处理步骤后，从天线发射出去，这一过程属于本领域专业技术人员公知的现有技术，故具体实现过程不再赘述。

5、对正六边形18QAM进行解调

经信道传输后，接收机收到信号后，首先对接收信号进行放大、滤波、下变频、中频解调、基带解调等步骤，将接收信号变换为由实部和虚部组成的基带复信号。上述过程属于本领域专业技术人员公知的现有技术，故具体实现过程不再赘述。

将得到基带复信号根据表1对应就可得出相应的18进制数。

6、解码流程设计

首先，将每8位18进制数转换为33位2进制数。和编码流程相反，在转换过程中，首先采用加权求和的方法将18进制转换为十进制。具体来说，第0位二进制权重为18⁰＝1，第1位二进制权重为18¹＝18，第j位二进制权重为18^j，直到第8位，然后求和得到一个十进制数字Dec，即

然后，将得到的十进制数字Dec采用整除取余的方法转换为2进制数。其数学表达为：

C_j＝mod(Dec\2^j,2),j＝0,1,…,32

式中“\”表示整除运算，mod为取余预算。

最后，进行奇偶校验。计算前32位中1的个数，并且与第33位进行对比，若前32位有奇数个1且第33位为1或前32位有偶数个1且第33位为0，则认为信息传输没有出错，否则认为信息传输出现了错误，则需进行重传并舍弃该32bit信息。判断过程的数学表达为：

式中

为模二加法，

判断等号两边是否相等。

若奇偶校验无误，则取前32位，即为接收到的二进制信号。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于QAM，获取目标原点，并根据所述目标原点所在复平面横坐标，构建用于表示正六边形6QAM的第一星座图；

获取所述第一星座图的六个第一星座点，并依据每个第一星座点之间的连线中点，生成六个第二星座点，以及根据所述目标原点到每个所述第一星座点的连线中点，生成六个第三星座点；

根据所述目标原点、所述第一星座点、所述第二星座点、所述第三星座点，生成用于表示正六边形18QAM的第二星座图；

通过I/Q分量值，对所述第一星座点、所述第二星座点、所述第三星座点进行表达后，对所述第二星座图进行18进制编码，并根据所述第二星座图的编码规则，对二进制信源进行编码，生成用于基带调制和解调的通信信号。

2.根据权利要求1所述一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于：

在生成所述第一星座图的过程中，所述目标原点与复平面横坐标正方向夹角为0°，60°，120°，180°，240°，300°；

所述目标原点与所述第一星座点的距离为1，其中，所述距离用于表示峰值发射功率归一化的结果，峰值发射功率用于表示星座点所表示的最大发射功率。

3.根据权利要求2所述一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于：

在对所述第二星座图进行18进制编码的过程中，通过所述I/Q分量值，获取所述第一星座点的第一坐标；

基于所述第一坐标，根据所述第一星座点和所述第三星座点之间连线作为模长，获取所述第三星座点的第二坐标；

将相邻的两个所述第三星座点的第二坐标进行矢量加法，获取所述第二星座点的第三坐标；

其中，所述第一坐标为1、0.5-0.866i、-0.5-0.866i、-1、-0.5+0.866i、0.5+0.866i；

所述第二坐标为0.5、0.25-0.433i、-0.25-0.433i、-0.5、-0.25+0.433i、0.25+0.433i；

所述第三坐标为0.75-0.433i、-0.866i、-0.75-0.433i、-0.75+0.433i、0.866i、0.75+0.433i。

4.根据权利要求3所述一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于：

在获取第一坐标的过程中，所述第一坐标的表达式为：

5.根据权利要求4所述一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于：

在对所述第二星座图进行18进制编码的过程中，将所述二进制信源的每32bit作为一个编码单元，记为c₀c₁...c₃₁；

将33位的2进制数转换为8位18进制数，获得编码完成的所述18进制编码。

6.根据权利要求5所述一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于：

在将33位的2进制数转换为8位18进制数的过程中，将二进制转换为十进制，采用加权求和的方法，第0位二进制权重为2⁰＝1，第1位二进制权重为2¹＝2，第j位二进制权重为2^j，直到第33位，求和得到一个十进制结果；

将得到的十进制结果采用整除取余的方法转换为8位18进制数，其中，所述转换方法的数学表达式为：

C_j＝mod(Dec\18^j,18),j＝0,1,…,7

其中，\表示整除运算，mod(·)表示取余运算，Dec表示十进制结果。

7.根据权利要求1所述一种用于无线通信系统中的QAM编码方法，其特征在于：

在生成用于基带调制和解调的通信信号的过程后，所述通信信号的解调包括以下步骤：

将每8位18进制数转换为33位2进制数，并进行奇偶校验，其中，所述奇偶校验的过程为：计算前32位中1的个数，并且与第33位进行对比，若前32位有奇数个1且第33位为1或前32位有偶数个1且第33位为0，则认为信息传输没有出错，否则认为信息传输出现了错误，则需进行重传并舍弃该32bit信息。

8.一种用于无线通信系统中的QAM编码系统，其特征在于，包括：

第一星座图构建模块，用于基于QAM，获取目标原点，并根据所述目标原点所在复平面横坐标，构建用于表示正六边形6QAM的第一星座图；

星座点生成模块，用于获取所述第一星座图的六个第一星座点，并依据每个第一星座点之间的连线中点，生成六个第二星座点，以及根据所述目标原点到每个所述第一星座点的连线中点，生成六个第三星座点；

第二星座图构建模块，用于根据所述目标原点、所述第一星座点、所述第二星座点、所述第三星座点，生成用于表示正六边形18QAM的第二星座图；

编码模块，用于通过I/Q分量值，对所述第一星座点、所述第二星座点、所述第三星座点进行表达后，对所述第二星座图进行18进制编码，并根据所述第二星座图的编码规则，对二进制信源进行编码，生成用于基带调制和解调的通信信号。