CN1261491A - 处理正交调幅信号的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用后向兼容分层编码方案接收QAM信号的设备(130)和方法,其采用更精细的构象增加数据传输,同时保持与现有直接广播卫星(DBS)系统的兼容性。该设备采用多级解码器(146,170),从而在不同级解开QAM信号的更精细的构象。

Description

处理正交调幅信号的设备和方法
本发明涉及一种用高阶码元构象对正交调幅(QAM)信号进行解码的方法和设备。
功率和带宽是数字传输系统通过正确选择调制和纠错方案注意保存的资源。正交调幅(QAM)是一种在数字通信中频繁采用的多电平幅度和相位调制的形式。QAM系统将一源信号调制为具有变化的幅度和相位的输出波形。
QAM是一种两维编码调制，它由两个PAM(脉冲幅度调制)信号的正交(直角)组合构成。将要传输的数据映射到一个两维、四象限信号空间，或构象(constellation)，其具有多个信号(相量)点，每个点表示一个可能的电平。每个构象信号点通常称为一个“码元”并用一个唯一的二进利码来定义。QAM构象采用“I”和“Q”分量来分别表示同相和正交分量，其中QAM数据字或码元用I和Q分量两者来表示。
QAM信号可采用不同长度和/或构象形状(例如，圆形、正方形、矩形、十字形、六边形或任意形状)的字或码元。虽然本发明用一种正方形QAM构象进行的描述，本领域技术人员将会意识到本发明可修改为其他QAM构象形状或不同长度的QAM信号字。
通常，QAM构象内相量点(更精细的、高阶构象)的数量的增加允许QAM信号携带更多信息，但相量点密度的增加产生传输功率不再恒定的缺点。事实上，如果平均传输信号功率是有限的，则对于所有QAM电平来说，最大I和Q值几乎是相同的，从而使构象点随着QAM电平的增大而靠近。由于QAM构象上相量点之间的距离通常利用附加相量点减小，它增大了不同相邻相量点的复杂性，并转化为更昂贵而复杂的接收机。
因此，许多老的或现有的DBS(直接广播卫星)系统采用四相相移键控(QPSK)调制系统。对于QPSK，在通过卫星通道传输之前，同步数据流被调制到载波频率上，这里载波可具有四个(相位)状态，例如，45°，135°，225°或315°。因此，与QAM、QPSK类似，采用四相或正交调制，其中相量点可用两个正交坐标轴来唯一地描述。
然而，与QAM相反，QPSK具有“恒定包络”，即坐标由对可与一对具有恒定幅度的正交载波相关，由此产生一种四层的构象(具有90°相位关系的四个相量点)。这种间距大的相量点减小在接收机处执行载波恢复操作的复杂性，并且恒定包络对于功率敏感卫星传输系统是极为需要的。此外，恒定功率电平使卫星放大器能够工作于饱和状态。
尽管如此，增加卫星通道上数据吞吐量的愿望迫切要求考虑用其他传输方案代替QPSK。由于存在许多QPSK系统，所以本发明的目的是提供一种利用后向兼容分层编码方案来处理像QAM信号一类的信号的方法和设备，以利用更精细的构象增加数据传输，同时保持与包括DBS系统的现有系统的兼容性。
本发明采用多级解码器，从而在不同级解开(unravel)QAM信号一类的高阶构象信号的更精细的构象。更具体地说，在每一级，一个维特比解码器一类的解码器相对于低阶构象、如QPSK构象工作。通过连接多个维特比解码器，将QPSK解调扩展为分别利用1、2和3额外维特比解码器等处理16、64和256QAM。
附图简要说明：
图1示出实施本发明的通信系统的方框图；
图2示出相对于实施本发明的系统的16-QAM构象图；
图3示出相对于实施本发明的系统的64-QAM构象图；
图4是表示映射数据流为I和Q分量的方框图；以及
图5示出便于更好理解按照本发明原理的系统的构象图。
在附图中，相同标号用于表示各图共有的相同部件。
以后向兼容分层(QAM)信号编码系统的范围描述了本发明的实施例，该系统特别适用于但并不限于像DBS一类的卫星传输系统。该系统允许附加特征或业务加到数据流上，而不会导致现有直接广播卫星和其他通信系统的兼容性问题。
例如，将一个“X-QAM”构象表示为另一构象如QPSK的N个分层的层级，以产生与现有DBS系统的后向兼容性，导致一透明系统，从而现有QPSK接收机能够按原始计划工作。构象图最好是分层对称的，以便每个解码器(例如，维特比)的构象(例如，QPSK)是相同的。然而，非对称构象也是可能的。
更具体地，一个64-QAM信号包括嵌套QPSK构象。用现有DBS接收机可接收最初的构象(64-QAM信号的一个象限)。如果从64-QAM信号作减法计算，一个16-QAM信号保持在低于所接收信号的功率电平6db。16-QAM余数的象限被考虑为另一DBS类型信号。解码处理继续，直到所有电平的QAM信号被解码，正如下面更详细描述的。本发明的16-QAM系统将DBS系统的容量增大一个因子2，将64-QAM系统的容量增大一个因子3，将256-QAM系统的容量增大一个因子4。
图1示出采用本发明的通信系统100的方框图。如同在许多常规通信系统中，通信系统100将输入数据、在发射机110内执行某些形式的处理和频率变换。通过传输通道120将数据传送到接收机130，接收机130执行逆操作以恢复输入数据。
然而，不像常规通信系统，本发明利用后向兼容分层编码方法传送QAM信号，以利用更精细的、高阶构象增加数据传输，同时保持与现有DBS系统的兼容，例如接收机130中的虚线框140所示出。下面共同参考图1-3进行详细描述，以理解本发明。
众所周知，通信系统必须解决传输期间信号衰减的问题。然而，卫星系统一类的数字系统必须解决传输路径延迟、干扰、非线性和多目标特性的额外问题。幸而，可通过实施各种编码方法使这些问题最少。由此，编码策略的正确选择对于通信系统、比如卫星系统是决定性的。
图1示出采用链接码的通信系统。一个链接码由两个组合形成更大代码的分离代码组成。这两个代码如图1所示进行链接，其中发射机110包括一个外部编码器112和内部编码器114。一般，输入信号被安排为一系列k位(比特)的码元，内部编码器114对每个码元的k位编码，而外部编码器112则对一个k位码元块编码。
链接编码不仅增强所传输信号的纠错，而且支持多种业务和多种速率传输。由于其有利特性，许多现有DBS系统被设计来对链接代码进行解码。
具体地，外部编码器112可实现称为“字块编码”的编码方法。简单地说，在将k个信息位的每块从一组M＝2k(其中k＜n)的码字映射为长度为n的码字的情况下，产生一个字块代码。字块编码方法的实例包括但不限于Hamming(加重平均)码、Hadamard码、Cyclic(循环)码、以及Reed-Solomon(RS)码。
接着，内部编码器114可实现称为“卷积编码”的编码方法。简单地说，通过让要传输的数据序列通过一个线性有限状态移位寄存器来产生卷积码。该移位寄存器(未示出)通常包括K(k位)级和n个线性函数发生器。虽然下面采用“字块”编码器和内部“卷积编码器来描述本发明，本领域技术人员会意识到本发明不受此限制且存在其他编码器组合(例如，一个与内部二进制字块编码器组合的外部非二进制字块编码器)。
返回参见图1，来自内部编码器的编码信号被传送到映射器116，在其中将编码信号位映射至调制正交I和Q载波的流上。可将映射器实现为一个查询表，在其中将编码信号的位集合变换为表示构象点或码元的I和Q分量(电平)。在该优选实施例中，构象点是按照1 6-QAM正方形构象，其中每个相量(phasor)用具有同相位i1、i2和正交位q1和q2的四位码元表示。然而，应理解，本发明可适用于64-QAM和256-QAM构象(等等)，如下面讨论的。
最后，用QAM调制器MOD 118调制I和Q分量，其中I通道与相对于载波为同相的中频(IF)信号混频。Q通道与相位相差90°的中频混频。该过程使两个信号都能够利用正交载波在同一带宽内在传输通道120上传输。
在接收机130处，将I和Q分量恢复并解调。由于重要的是本编码方法是与现有DBS系统后向兼容的，图1以虚线示出常规(DBS)接收机140。虽然所接收的编码位流可包含附加信息，较老的接收机将继续正常地工作，即作为一QPSK系统起作用。附加信息是不被恢复的，但是编码位流仍与较老接收机兼容。这带来的重要优点是嵌入附加信息(例如，屏幕显示消息，增大的编码图像分辩率，或更多通道)，其可用多种更先进的编码器来解决，如下面将要讨论的，同时不会降低现有接收机的性能。消费者可选择升级为新接收机，以能够访问添加的信息或特征，或者保持较老的接收机而放弃添加的特征和花费。
参见图1，用解调器142解调已调制的信号，以产生I和Q分量。逆映射器144试图将I和Q分量(电平)变换为编码信号。
如上所述，当信号通过传输通道120时卫星系统可能受到严重的信号衰减。由此，接收机解码器的任务是适当地从可能出错的位流译码被编码的信息。来自逆映射器144的编码位流由第一维特比解码器146接收，第一维特比解码器146是一个“软判定”维特比解码器。该维特比解码器实现概率统计的解码方法，其中也通过考虑传输通道统计而不是通过固定集合的依据编码的算术操作来将位流解码。即，解码器试图判定已被传输的最可能的值。
具体地，可用树形图、状态图、或者最常用的格构图来描述卷积代码。这些图响应特定输入位示出卷积码的输出序列，由此产生可预测的输出序列结构。卷积码呈现重要的特性，在特定级之后该结构重复其自身(另外称为路径合并)。一个结构的特殊特性取决于特定卷积码。简单地说，维特比解码采用卷积码的格构结构的路径合并并在每个格构电平周密地检查所有不同路径。然后维特比解码器从多个“继续存在”路径计算最可能的路径，这里所选路径通常是最小距离路径。以这种方式，维特比解码器能够对出错的位流纠错，这是以增加计算开销为代价。
虽然每内部解码器被描述为维特比解码器，也可使用其他解码器。在第一内部解码器中可实现像“顺序解码”或各种修改的维特比解码方法一类的其他解码方法(无论是软判定还是硬判定)。
在优选实施例中，第一维特比解码器146相对于QPSK构象工作，正如在较老的现有接收机中一样。即，第一维特比解码器仅能够将编码信号隔离(析出)到一个象限。具体地，图2示出一个具有16个构象点或占据四个象限的码元的16QAM构象图。每个码元的两个最低有效位(LSB)210将编码信号隔离到一个象限。即，一个象限中所有点的最低有效位是相同的。由此，第一维特比解码器146仅能够从编码信号解码出所接收码元的两个最低有效位210。
现有接收机内的第一维特比解码器146通常不被设计为产生码元本身，而是代之以产生一个用码元表示的卷积解码数据位。由此，在如下所述由再编码器160对解码数据位再编码之后，再生所接收码元的两个最低有效位210。
为说明，如果编码信号携带码元“1101”，则第一维特比解码器仅能够将编码信号隔离到象限205，从而产生位“01”。然而，该码元的两个最高有效位(MSB)“11”220不用第一维特比解码器进行解码，因为其能力限于QPSK构象。用第一维特比解码器简单忽略附加信息，接着用下述接收机中其他解码器将其解码。
返回参见图1，来自第一维特比解码器146的解码信号被传送到外部解码器(RS)148。即，将对应于字块编码字的的位传送到外部解码器(RS)148。外部解码器(RS)148的任务是检测并计算所接收码字中的错误模式，并产生适当的码字，即，发射机编码的原始输入或源信号。即，外部解码器(RS)148解开外层编码以产生原始输入信号。
通常，外部解码器(RS)148比较所接收码字与“M”个可能的传输码字(其取决于在发射机处实现的字块代码)并选择在Hamming距离下与所接收码字最近的码字。Hamming距离是两个码字不同的位位置数目的量度。
在优选实施例中，外部解码器(RS)148是一个Reed-Solomon(RS)解码器。Reed-Solomon(RS)码是一种线性非二进制字块代码，它是Bose-Chaudhuri-Hocquenghem(BCH)字块代码的子类。特别是当用在与交织策略的组合中时，RS解码器解决突发错误的能力是众所周知的。交织是一种在若干编码序列上分配错误的过程，以使长突发错误的影响最小，该错误使编码序列恶化超出代码纠错能力。因此，发射机可在调制编码信号之前包括一个交织器(未示出)，接着，这要求接收机在进行解调之后包括一个解交织器(未示出)。
虽然所公开的系统采用外部RS解码器，在外部解码器内也可实现各种其他字块解码方法。因此，如果接收机仅包括如图1所示的部分140，这种接收机仍能够解开并解码出相对于QPSK构象透明的编码位流。
返回参见图1，如果要解开更精细的构象，则采用第二维特比解码器170解码出分层码中的下一级或分辩率。具体地，第二维特比解码器170接收来自再编码器160和延迟器150的输入。再编码器从第一维特比解码器接收解码的位并将这些位再编码，以提供第二维特比解码器所需的象限信息。特别是，第一维特比解码器隔离到相对于QPSK构象的一个象限，然后利用该构象点除去卷积编码并产生一个解码数据位。来自第一维特比解码器146的解码数据位是通常受到字块编码的实际信号。该解码数据位对这种形式的第二维特比解码器无用，因此被再编码以定义其中第二维特比解码器工作的象限。
由于参照现有DBS系统描述了本发明，假定第一维特比解码器146仅能够产生一个解码数据位。然而，本领域技术人员会认识到可这样实现维特比解码器，即可通过路径155直接从第一维特比解码器146提取象限信息无需利用再编码器160。
延迟器150接收来自逆映射器(demapper)144的输入并延迟编码信号。由于第一维特比解码器146和再编码器160在进行它们的操作时产生一定量的延迟，为使来自再编码器160的数据与来自逆映射器144的适当数据同步需要该延迟。一旦达到同步，第二维特比解码器170就进一步将该信号隔离到第一维特比解码器146指定的象限内的一个象限。
为说明，返回图2，第一维特比解码器146可将信号隔离到象限“01”(两个LSB)210，但不能(或未设计为)纯化在这一象限中对两个MSB“11”220的隔离。由此，再编码器160通知第二维特比解码器170在这个上部最左边的象限中工作，在该象限中第二维特比解码器170将信号隔离到“11”220。第一维特比解码器有效地确定第二维特比解码器170工作在16QAM构象的那一个位置(子集)。以这种方式，第二维特比解码器170解开两个MSB并产生解码后的数据位到外部解码器(RS)148，在外部解码器(RS)148中执行字块解码以恢复发射机编码的原始输入信号。应注意由于后向兼容性的原因，以交织方式实现外部解码器(RS)148执行的字块解码。然而，存在许多可能的字块解码结构。每个附加的维特比内部码能够可想像地联系到外部交织/Reed-Solomon编码方案。除了最内部的卷积码(由于兼容性原因)，还可能设计一种单独的交织/字块外部编码方案。
如果将该结构扩展，则能够总是用附加的维特比解码级来解码更精细的构象，例如，延迟器150、再编码器160(可选的)和第二维特比解码器170构成单个解码级(维特比解码级)。例如，一个第三解码级(未示出)可加至接收机130以解码出64QAM信号。
为说明，图3示出一个64QAM构象。第一维特比解码器146能够将信号隔离为所接收码元的两个LSB“01”310，其在该构象图的上部最左边角落中定义16个可能的构象点。依次，第二维特比解码器170能够进一步将信号隔离为两个平均有效位(ASB)“11”320，其在第一维特比解码器146所定义的构象图的区域内的下部最左边角落中定义4个可能的构象点。最后，第三维特比解码器(未示出)能够最终将信号隔离到两个MSB“00”330，它根据四个剩余的可能构象点定义一个特殊的构象点。以这种方式，利用三个不同级的维特比解码器来解开码元“001101”。
因此，能够将一个“x-QAM”构象表示为“n”层级的(QPSK)构象。例如，一个16-QAM构象可被表示为两个层级的(QPSK)构象，一个64-QAM构象可被表示为三个层级的(QPSK)构象等等。
还应注意，构象图是分层对称的。即，每个维特比解码器的QPSK构象是相同的。例如，构象点“00”总是上部最右边的构象点，这样构象点“000000”对于64QPSK构象图是最右上部的构象点，对于256QPSK构象也是如此。这种对称简化了接收机的结构，其中在任何解码级可采用复杂性低的类似维特比解码器。然而，应理解，本发明不作这样的限制，并可采用其他构象顺序。
图4示出分别经由420将数据流405映射为路径430和440上的I和Q分量的方框图。为采用图1的接收机结构，将编码位流分层映射为I和Q分量，使得不同复杂性的接收机能够解码出编码的位流而不会遇到兼容性问题。
具体地，编码位流405包括被分组为多个码元410的多个位流。用上述顺序维特比解码级将每个码元内从LSB开始到MSB的每个顺序位流对解开。即，分别用第一、第二、第三和第四维特比解码级解开位412，414，416和418。每对位可表示一个不同的通道，一个不同的业务或一个不同的分辩率。这一有益的分层编码方法使附加特征或业务能够加到位流中而不会产生现有DBS系统的兼容性问题。
在图4中，每个码元是与256-QAM信号构象相关的一个八位码元。每个码元由四个2位对412、414、416和418构成，这里每个码元的每对位表示不同业务或特征的信息。所示出的8位码元10 00 01 11表示所示的256-QAM构象，嵌套的64-QAM构象(位00 01 11)，嵌套的16-QAM构象(位01 11)和嵌套的QPSK构象码元(位11)。从左到右为该码元位指定最高有效位(418)到最低有效位(412)。在这一分层排序的QPSK构象中，从LSB到MSB的每个接续对的码元位在接收机处由如前所述的顺序解码器顺序地解码或解开。从而高阶QAM构象被解码为QPSK。
图5详细示出了分层构象的一种可能布局。图5示出从一个2位/码元QPSK(在图5的上部最右角落中强调的)，到一个表示构象的第一层更精细解开的4位/码元16-QAM构象，然后到一个6位/码元的64-QAM构象，最后到一个256-QAM构象的分层渐进。仅示出了256-QAM构象的左下部象限的一部分。
在所示出的256-QAM构象左下部象限中的码元点具有xxxxxx11的形式，因此在这一象限中的所有64个构象点具有两个普通LSB“11”。同样，在256-QAM构象的其他每一个象限中的所有64个点，对于右上部象限来说具有xxxxxx00的形式，对于左上部象限来说具有xxxxxx10的形式，以及对于右下部象限来说具有xxxxxx01的形式。注意到位组合00，10，11和01分别与QPSK构象的四个象限中的信号点相关。
在下一层，16个构象点(在图5中示出其四个簇)在对应于16-QAM构象的相应象限中(除了上述LSB外)具有公共的第三和第四信号位。在第三层，4个构象点(其具有16个簇)在相应象限中具有公共的另外两个信号位。最后，在第四层，每个点表示一个唯一的256-QAM构象点。结合图4讨论的256-QAM信号点“10000111”在图5的右下部象限中以虚线轮廓强调。
应注意，虽然在码元边界上可进行校准，但也可在分组边界上实现校准。此外，能够按从MSB到LSB的次序映射这些位。
在一个优选实施例中，如果增加额外的业务，对于信号构象的每一加倍通常以附加的3dB速率发射附加功率。为获得同样的误差性能，对于信令字母的每一加倍SNR(信号噪声比)需要大约增加3dB。在卫星系统中尤其需要额外的补偿，从而使行波管(TWT)放大器如同QPSK系统常常所具有的情形不工作在饱和状态。这是因为QAM系统对于饱和放大器引起的非线性失真效应要敏感得多。另一方面，进行某些编码折衷能够使发射功率的增加最小。
而且，本分层编码/解码方法不限于卫星系统，还可扩展为在其他媒介上提供变化等级的业务。

Claims (15)

1.一种用于接收正交调幅(QAM)调制的位流的接收机，该位流包含以QAM构象表示的相量点，所述接收机(130)包括：
第一解码器(146)，用于相对于四相相移键控(QPSK)构象将QAM调制的位流解码以产生解码的位流；以及
第二解码器(170)，耦合到所述第一解码器，用于在所述第一解码器定义的QAM构象的子集区域内相对于QPSK构象将QAM调制的位流解码。
2如权利要求1所述的接收机，其中还包括：
一个延迟器，耦合到所述第二解码器，用于施加一延迟；以及
一个再编码器，耦合到所述第一解码器，用于产生与所述第一解码器定义的所述子集区域有关的信息。
3.如权利要求2所述的接收机，其中所述延迟器，所述再编码器和所述第二解码器构成一个解码级，向该解码级增加若干附加的解码级以将QAM调制位流的更精细构象解码。
4.如权利要求1所述的接收机，其中还包括：
一个外部第三解码器，耦合到所述第一解码器，用于将来自所述第一解码器的所述解码的位流解码。
5.一种用于将正交调幅(QAM)信号解码的方法，该信号具有多个用QAM构象图表示的QAM相量点，该QAM构象图具有“n”个层级的四相相移键控(QPSK)构象，所述方法包括步骤：
(a)利用第一解码器相对于QPSK构象将第一层级的QAM信号解码，以产生解码的信号；以及
(b)利用第二解码器在所述第一解码器定义的QAM构象的子集区域内相对于QPSK构象将第二层级的QAM信号解码。
6.如权利要求5所述的方法，包括步骤：
利用若干附加解码器对若干附加层级的QAM信号解码。
7.如权利要求2或5所述的发明，其中所述第一和第二解码器是卷积解码器。
8.如利用要求7所述的发明，其中所述卷积解码器是维特比解码器。
9.如权利要求5所述的方法，还包括步骤：
a1)将一延迟施加到QAM信号上；以及
a2)将来自所述第一解码器的所述解码信号编码，以产生与所述第一解码器定义的所述子集区域有关的信息。
10.如权利要求5所述的方法，还包括步骤：
c)利用一第三解码器将来自所述第一解码器的所述解码信号解码。
11.如权利要求4或10所述的发明，其中所述第三解码器是一个字块解码器。
12.如权利要求11所述的发明，其中所述字块解码器是一个里德-所罗门解码器。
13.在卫星信号接收机中，一种用于将正交调幅(QAM)信号解码的方法，该信号具有多个用QAM构象图表示的QAM相量点，该QAM构象图具有“n”个层级的四相相移键控(QPSK)构象，所述方法包括步骤：
将从卫星传输通道接收的输入QAM信号解调，以产生解码的QAM信号；以及
利用多个解码器顺序地将各个层级的所述解调QAM信号解码。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述顺序解码各个层级的所述步骤相对于QPSK构象。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述解码器是维特比解码器。
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