CN1211986C - 基于增信删余卷积码与qam调制相结合的信道译码方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种信道译码的方法和设备，发端，对输入比特进行增信删余编码，对编码比特合成的符号交织后，进行QAM调制；收端，对接收信号进行解交织，解交织后的数据，用来对被编码的比特解码并输出其估计值，分支度量值是利用了调制方式和截位矩阵的信息，对接收信号的实部、虚部单独处理获得的，较其它译码方法，本发明计算简单，提高了通信系统的效率。

Description

基于增信删余卷积码与QAM调制相结合的 信道译码方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及通信系统的一种基于增信删余卷积码(Punctured Convolutional Code)与QAM调制相结合的信道译码方法和系统

背景技术

由于数字信号在传输过程中受到干扰的影响，使信号码元波形变坏，故传输到接收端后可能发生错误判决。为了解决干扰的影响，除了考虑合理地选择调制方式、解调方法以及发送功率等方面外，还应考虑差错控制措施。在现代通信系统中，调制解调器与纠错码编译码器是两个主要的组成部分，它们也是提高通信系统信息传输速率、降低误码率的两个关键设备，现有技术中，提出了将调制与信道编码相结合的方法，并显现了较优的增益特性。

数字通信系统关心如何在给定的信噪比(SNR)下提高传输数据的吞吐量。纠错码是提高通信系统传输信息可靠性的重要手段，纠错码的使用(比如卷积码)使系统能用更低的信噪比(SNR)或更高的数据速率达到相同的误码率(BER)。信噪比的降低通常被称为编码增益。编码增益能由误码率性能曲线决定。在一张误码率性能曲线中，不编码和各种编码速率的性能曲线都以Eb/NO为横坐标，其中Eb为比特的功率，NO为白高斯噪声的单边功率谱密度。编码增益是对于定的BER，编码与不编码曲线所对应的横坐标Eb/NO值之差。用编码速率和约束度定义卷积编码器和维特比译码器。编码速率(m/n)表示对应编码器产生输出的n个码字，输入端输入m个比特。约束度K为卷积编码器的寄存器个数加一。

维特比(VB)译码算法的基本思想是接收一含噪声的已编码的码字信息流，利用卷积码的状态转移格图，有效地计算和更新2^K-1种状态的条件概率从而搜索到一条最大似然路径，其中k为约束度。为了计算最大似然路径，每一组输入比特2^K-1种状态的条件概率都需要计算出来。对速率为1/2的编码，每次计算而得的判决值以一个比特存到路径存储器中。路径存储器的存储深度应足够大使得选择该条路径的概率趋向1。对码速率为1/2的编码，可选择的路径长度大约为5K。对一码速率为2/3的增信删余码较佳的路径长度应相应增大。

在文章“Development of Variable-Rate Viterbi Decoder and ItsPerformance Characteristics”(第六次数字卫星通信国际会议，PhoenixAriz.，September 1983，Y.Yasuda，Y.Hirata，K.Nakamura and S.Otani)中提到一种方法，即高速率二进制卷积编码能由一简单的低速率二进制卷积编码构造而成，也即是增信删余编码。它删除编码后的一部分比特数据从而达到高速率，除了提高系统传信率，相对同码率的直接编码方法没有性能上的下降，其优点在于：系统只需用一种速率(如1/2)的编码、译码器，却能获得各种高的码速率。

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交调幅调制是一种幅度调制，是技术成熟的高效窄带调制方式。随着移动通信的发展，要求高速率、高频谱效率的数字传输，QAM因其具有高频谱效率的特点引起人们的重视，特别是其中的16QAM和64QAM。

原有的增信删余卷积码的译码方法，是用接收到的含噪声的信号信息，根据已知的编码方式及截位矩阵，先计算出每一时刻的输入比特的分支度量值，再输入译码器中搜索出一条最大似然路径，即是发端比特序列的估计值。但在该方法的译码过程计算中，在计算对应比特被截掉位置处的分支度量时，穷举了所有情况，引入了较多不必要的计算，没有充分利用编码和调制方式所提供的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的基于增信删余卷积码与QAM调制相结合的信道译码方法和系统，通过充分考虑和利用编码和调制方式所提供的信息，特别是考虑了QAM星座图的各种信息，简化现有技术中类似方法的计算复杂度。另外，通过采用本发明的这种信道编译码方法，能够有效减少相关硬件的设计的复杂度，节约了成本，保证了在高速传输速率和更高维调制方式的情况下，误码率不增加或增加很少。这对于现代移动通信系统来讲，是非常有益的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于增信删余卷积码与QAM调制相结合的信道译码方法，包括：

发送端输入信息比特；对输入比特进行增信删余卷积码编码；将编码比特转换为符号；对该符号进行交织；以QAM调制方式调制后发送；

在接收端利用与发送端交织方式相对应的方式将所接收到的调制信号进行解交织；确定译码时所需的分支度量值；利用该分支度量值对解交织后的调制信号进行译码；输出发送端输入比特的估计值；

其特征在于利用预知的截位矩阵和调制信号空间坐标信息，在计算截位处的分支度量值时，对实部、虚部分别计算。

根据本发明的另一个方面，提供了一种实现上述信道译码方法的信号发送接收系统，包括信号的发送装置和接收装置，其中所述发送装置包括信号输入装置，增信删余卷积码编码器，截位器，符号转换器，交织器，QAM调制器；接收装置包括解交织器，分支度量计算器，VB软判决译码器，其特征在于：

发送装置的信息比特在增信删余卷积码编码器中编码，并在符号转换器中转换为符号；在交织器中对该符号进行交织，在QAM调制器中调制，并发送；

接收装置将所接收到的调制信号在对应于发送端交织器的交织器中解交织，解交织后的数据用于在分支度量计算器中计算分支度量值，输出的结果用于在VB软判决译码器译码，以便搜索发送端编码比特序列的最大似然路径，并输出发送端输入比特的估计值，

其中在所述分支度量计算器中确定译码时所需的分支度量值时，利用预知的截位矩阵和调制信号空间坐标信息，在计算截位处的分支度量值时，对实部、虚部分别计算。

根据本发明的信道译码方法和系统，在相同条件下(相同低速率编码器，相同编码速率，相同的截位矩阵，相同调制方式)能比其他方法(如上所描述的常用方法)和系统带来更多的编码增益，同时计算的复杂度有所下降，并且简化了相关设备的设计复杂度，提高了通信系统的效率。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1：较佳实施例发射机结构；

图2：较佳实施例接收机结构；

图3：本发明较佳实施例中采用的R-16QAM调制星座图；

图4：在完全相同的条件下，本发明方法与以往方法在AWGN信道下的性能比较；

图5：本发明较佳实施例中采用的R-64QAM的调制星座图。

具体实施方式

下面通过实施例及附图对本发明进行详细阐述。

本发明的这种基于增信删余卷积码与QAM调制相结合的信道译码方法，是通过充分利用编码和调制方式所提供的信息来确定在译码过程中所需的分支度量值，在计算分支度量值时，对信号信息的实部值和虚部值进行单独处理，减少了不必要的计算，简化了相应设备的设计复杂度，提高了通信系统的传输效率。

本发明的这种基于增信删余卷积码与QAM调制相结合的信道译码方法，在发送端：比特流输入到增信删余卷积编码器中，编码比特合成符号，进行符号交织，再输入QAM调制器中以特定的方式进行调制。

收端将接收到的信号实部、虚部值解交织后输入到分支度量计算器中，VB软判决译码器(按照预先已知的截位方式)利用分支度量计算所输出的度量值逐步译码，输出发端比特的估计值。

参考附图1，附图1示出了本发明一个较佳实施例的发射机结构。在本较佳实施例中，来自信号输入装置(未示出)的输入比特流b₁b₂...b_K经编码器1进行编码。编码器1是一编码速率为R＝1/2的卷积编码器，截位器2按照预定的矩阵PM对编码比特(或称码字)进行增信删余，能使编码速率提高到K/N。其中对应输入的每K个比特(对应2K个编码比特)，只有N-K对编码比特是由编码器1同时输出的两个编码比特(称为一对编码比特)合成的，有2K-N对编码比特是由编码器1输出的两对编码比特中经截位后剩下的两个编码比特合成的。在本具体实施例中，增信删余卷积编码的速率为2/3。

输出的编码比特每B个比特合成一个符号。对应本实施例的R-16QAM调制方式B＝4。

交织的作用是提高发送的相关信号间的相邻间距。当出现一段突发错误时，交织能将这些突发错误扩散到不相关的符号上，从而提高维特比译码器的纠错能力。一组经交织器4的符号送入到R-16QAM调制器5中，产生已调信号，较佳实施例中采用的星座图如图3所示。已调信号的横、纵坐标值与被编码的比特存在一定的映射关系，该关系由增信删余矩阵P和调制方式决定，在下面的译码过程中有具体的利用和体现。

参考附图2，附图2示出了本发明较佳实施例的接收机结构。在接收机的收端，接收机将接收到的含噪信号的实、虚部值解交织后直接输入到分支度量计算器中。VA译码器(按照预先已知的截位方式)对分支度量计算所输出的度量值做处理，逐步译码，输出发端比特的估计值。

还参考附图2，接收机将收到的含噪信号分别输入到解交织器7和8中。截位矩阵PM(周期为P)表示为：(P₁₁，P₁₂)，(P₂₁，P₂₂)...(P_P1，P_P2)。对于任意的截位矩阵可作它的等效列变换，使一列中只有一个0的两列相邻。在本实施例中，截位矩阵为(1011，1101)，分别对应1/2速率卷积编码两输出端口截位的方式。其中0表示删除，1表示保留。

将解交织后的接收信号

送入分支度量计算器9中，计算而得的分支度量值再输入到VB软判决译码器10中。

对如图3所示的R-16QAM调制，译码器所用的分支度量值di是基于以下的考虑。

16QAM调制信号矢量端点在信号空间的坐标，由输入信息数据决定。调制星座图中实部、虚部相互独立。由编码器产生的两个编码比特与星座图的实部或虚部值的对应关系如下表1所示：

                             00----3.0a

                             01----1.0a

                             10----(-3.0a)

                             11----(-1.0a)

                                   表1

由表1可知，两码字中第一个码字对应坐标值的符号值，(0对应为正，1对应为负)；第二个码字对应坐标值的绝对值大小(0对应为3.0a，1对应为1.0a)。其中参数a由信号的平均功率决定。

由此，结合本发明的较佳实施例(编码速率为R＝2/3，截位矩阵为(1011，1101))，详细说明分支度量值的计算方法。

设此时收到的信号值为(r_ix，r_iy)，本发明的较佳实施例的处理周期为3。

(1)如果时刻i％3＝0

1)计算(c1，c2)的分支度量，分别为这两个编码比特与坐标对应值之间差值的平方。

P1(0，0)＝(r_ix-3.0a)²    P1(0，1)＝(r_ix-1.0a)²

P1(1，0)＝(r_ix+3.0a)²    P1(1，1)＝(r_ix+1.0a)²

2)计算(*，0)和(*，1)的分支度量：

P2(0)＝min{(r_iy-3.0a)²，(r_iy-1.0a)²}

P2(1)＝min{(r_iy+3.0a)²，(r_iy+1.0a)²}

3)计算(0，*)和(1，*)的分支度量：

P3(0)＝min{(r_iy-3.0a)²，(r_iy+3.0a)²}

P3(1)＝min{(r_iy-1.0a)²，(r_iy+1.0a)²}

4)此时在译码器中，输入三个比特所对应状态转移图上分支度量值依次分别为：

d_j＝P1(M₁(b_mj)，M₂(b_mj))

d_j＝P2(M₂(b_mj))

d_j＝P3(M₁(b_mj))

其中M₁(b_mj)、M₂(b_mj)表示在编码器寄存器状态为m(m＝0，1...，2^M-1，M为寄存器个数)时，输入比特j所输出的两个比特值，为0或1。(j＝0，1)

(2)如果时刻i％3＝1

1)计算(c1，c2)的分支度量：

P1(0，0)＝(r_ix-3.0a)²    P1(0，1)＝(r_ix-1.0a)²

P1(1，0)＝(r_ix+3.0a)²    P1(1，1)＝(r_ix+1.0a)²

2)计算(c1，c2)的分支度量：

P1(0，0)＝(r_iy-3.0a)²     P1(0，1)＝(r_iy-1.0a)²

P1(1，0)＝(r_iy+3.0a)²     P1(1，1)＝(r_iy+1.0a)²

3)此时在译码器中，输入三个比特所对应状态转移图上分支度量值依次分别为：

d_j＝P1(M₁(b_mj)，M₂(b_mj))

d_j＝P1(M₁(b_mj)，M₂(b_mj))

(3)如果时刻i％3＝2

1)计算(*，0)和(*，1)的分支度量：

P1(0)＝min{(r_ix-3.0a)²，(r_ix-1.0a)²}

P1(1)＝min{(r_ix+3.0a)²，(r_ix+1.0a)²}

2)计算(0，*)和(1，*)的分支度量：

P2(0)＝min{(r_ix-3.0a)²，(r_ix+3.0a)²}

P2(1)＝min{(r_ix-1.0a)²，(r_ix+1.0a)²}

3)计算(c1，c2)的分支度量：

P3(0，0)＝(r_iy-3.0a)²    P3(0，1)＝(r_iy-1.0a)²

P3(1，0)＝(r_iy+3.0a)²    P3(1，1)＝(r_iy+1.0a)²

4)此时在译码器中，输入三个比特所对应状态转移图上分支度量值依次分别为：

d_j＝P1(M₂(b_mj))

d_j＝P2(M₁(b_mj))

d_j＝P3(M₁(b_mj)，M₂(b_mj))

由以上的分支度量计算式中可以看到本发明的优势在于：

(1)预先计算出来的分支度量个数与现有译码方法相同，但每一个分支度量的计算在比较距离的个数方面大大降低，仅为原来的1/4。这是由于在计算分支度量值时，充分利用了调制方式和截位矩阵的信息，从而使得相对于常用的译码方法，计算相当简单且有效，同时所需的比较次数也降低了，增加了计算的运算速度。

(2)计算每一个分支度量值时，不再采用原有的欧氏距离(实际含噪声信号与应该得到的信号实、虚部之差的平方和)，而只是对实部或虚部的单独处理，为含噪声信号的实部或虚部值与星座图上的坐标值之差的平方，这就使得每一时刻的分支度量值的计算可以并行处理，从而提高了计算的速度，减少了时延。

VB软判决译码器10中的处理也相当简单，只需已知各种状态输入0或1后的两个编码比特，这与硬判决的存储器要求相同。每一译码时刻，对应每个当前状态和输入比特，结合截位的规律，从分支度量值存储器中读出所需的分支度量值，搜索出一条最优路径，给出发端编码比特的估计值。具体读入数据的方式如上方法所示。

参考附图5，附图5所示的R-64QAM的调制星座图，其译码器所用的分支度量值di是基于以下的考虑。

64QAM调制信号矢量端点在信号空间的坐标，由输入信息数据决定。调制星座图中实部、虚部相互独立。由编码器产生的三个编码比特与星座图的实部或虚部值的对应关系如下表2所示：

                         000----7.0a

                         001----5.0a

                         011----3.0a

                         010----1.0a

                         110----(-1.0a)

                         111----(-3.0a)

                         101----(-5.0a)

                         100----(-7.0a)

                               表2

由表2可知，三码字中第一个码字对应坐标值的符号值，(0对应为正，1对应为负)；后二个码字对应坐标值的绝对值大小(00对应为7.0a，01对应为5.0a，11对应为3.0a，10对应为1.0a)。其中参数a由信号的平均功率决定。用上述相同的方法，同样可以简单地计算出所需的分支度量值。

附图5所示星座图的其它形式的Gray排列显然也是可以的，更高维的调制方式可用同样的方法推广。变换截位矩阵，变换调制星座图都同样能够利用该发明的方法得到既简单又有效的译码方法，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，更高维的调制方式以及各种修改也是容易实现的。

Claims (13)

1、一种基于增信删余卷积码与QAM调制相结合的信道译码方法，包括步骤：

发送端输入信息比特；

对输入比特进行增信删余卷积码编码；

将编码比特转换为符号；

对该符号进行交织；

以QAM调制方式调制后发送；

在接收端利用与发送端交织方式相对应的方式将所接收到的调制信号进行解交织；

确定译码时所需的分支度量值；

利用该分支度量值对解交织后的调制信号进行译码；

输出发送端输入比特的估计值；

其特征在于，在所述确定译码时所需的分支度量值步骤中，利用预知的截位矩阵和调制信号空间坐标信息，在计算截位处的分支度量值时，对实部、虚部分别计算。

2、如权利要求1所述的信道译码方法，其特征在于，所述的编码比特与调制信号空间坐标有如下映射关系：两码字中第一个码字对应坐标值的符号值，其中0对应为正，1对应为负；第二个码字对应坐标值的绝对值大小，其中0对应为3.0a，1对应为1.0a，参数a由信号的平均功率决定。

3、如权利要求1或2所述的信道译码方法，其特征在于，在所述利用该分支度量值对解交织后的调制信号进行译码的步骤中，利用分支度量值进行译码时按如下方式取值：

(1)如果时刻i％3＝＝0，则

1)计算(c1，c2)的分支度量，分别为这两个编码比特与坐标对应值之间差值的平方：

P1(0，0)＝(r_ix-3.0a)²       P1(0，1)＝(r_ix-1.0a)²

P1(1，0)＝(r_ix+3.0a)²       P1(1，1)＝(r_ix+1.0a)²

2)计算(*，0)和(*，1)的分支度量：

P2(0)＝min{(r_iy-3.0a)²，(r_iy-1.0a)²}

P2(1)＝min{(r_iy+3.0a)²，(r_iy+1.0a)²}

3)计算(0，*)和(1，*)的分支度量：

P3(0)＝min{(r_iy-3.0a)²，(r_iy+3.0a)²}

P3(1)＝min{(r_iy-1.0a)²，(r_iy+1.0a)²}

4)此时在译码器中，输入三个比特所对应状态转移图上分支度量值依次分别为：

d_j＝P1(M₁(b_mj)，M₂(b_mj))

d_j＝P2(M₂(b_mj))

d_j＝P3(M₁(b_mj))

(2)如果时刻i％3＝＝1，则

1)计算(c1，c2)的分支度量：

d_j＝P1(M₂(b_mj))

d_j＝P2(M₁(b_mj))

d_j＝P3(M₁(b_mj)，M₂(b_mj))

其中M₁(b_mj)、M₂(b_mj)表示在编码器寄存器状态为m时，输入比特j所输出的两个比特值为0或1，这里m＝0，1...，2^M-1，M为寄存器个数，j＝0，1。

4、如权利要求1所述的信道译码方法，其特征在于对所述截位矩阵可作它的等效列变换，使一列中只有一个0的两列相邻。

5、如权利要求1或4所述的信道译码方法，其特征在于所述截位矩阵为(1011，1101)，其中0表示删除，1表示保留。

6、如权利要求1或4所述的信道译码方法，其特征在于所述的QAM调制是R-16QAM调制或者R-64QAM调制。

7、如权利要求1或4所述的信道译码方法，其特征在于所述的卷积编码速率为1/2，增信删余卷积编码的速率为2/3。

8、一种实现如权利要求1所述信道译码方法的信号发送接收系统，包括信号的发送装置和接收装置，其中所述发送装置包括信号输入装置，增信删余卷积码编码器，截位器，符号转换器，交织器，QAM调制器；接收装置包括解交织器，分支度量计算器，VB软判决译码器，其特征在于：

所述发送装置通过信道与所述接收装置连接；所述发送装置中，信号输入装置与所述增信删余卷积码编码器连接，所述编码器与所述截位器连接，所述截位器与所所述符号转换器连接，所述符号转换器与所述交织器连接，所述交织器与所述QAM调制器连接；在所述接收装置中，所述解交织器与所述分支度量计算器连接，所述分支度量计算器与所述VB软判决译码器连接；

发送装置的信息比特在增信删余卷积码编码器中编码，并在符号转换器中转换为符号；在交织器中对该符号进行交织，在QAM调制器中调制，并发送；

接收装置将所接收到的调制信号在对应于发送端交织器的交织器中解交织与发送端对应的解交织器中解交织，解交织后的数据用于在分支度量计算器中计算分支度量值，输出的结果用于在VB软判决译码器译码，以便搜索发送端编码比特序列的最大似然路径，并输出发送端输入比特的估计值，

其中在所述分支度量计算器中确定译码时所需的分支度量值时，利用预知的截位矩阵和调制信号空间坐标信息，在计算截位处的分支度量值时，对实部、虚部分别计算。

9、如权利要求8所述的系统，其特征在于所述的分支度量值是利用预知的截位矩阵和调制信号空间坐标信息来确定的。

10、如权利要求8所述的系统，其特征在于所述分支度量值在对应截位矩阵截位处的分支度量值是分别对接收信号的实部值、虚部值单独处理。

11、如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述编码器是一1/2卷积码编码器，增信删余卷积编码器的速率为2/3。

12、如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述QAM调制器是R-16QAM调制器。

13、如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述QAM调制器是R-64QAM调制器。

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