EP1329070A2 - Verfahren zur erzeugung von soft-bit-informationen aus gray-codierten signalen - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von soft-bit-informationen aus gray-codierten signalen

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EP1329070A2
EP1329070A2 EP01987987A EP01987987A EP1329070A2 EP 1329070 A2 EP1329070 A2 EP 1329070A2 EP 01987987 A EP01987987 A EP 01987987A EP 01987987 A EP01987987 A EP 01987987A EP 1329070 A2 EP1329070 A2 EP 1329070A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bit information
phase
soft bit
gray
channel
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01987987A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Aue
René NUESSGEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NXP Semiconductors Germany GmbH
Original Assignee
Systemonic AG
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Publication date
Application filed by Systemonic AG filed Critical Systemonic AG
Publication of EP1329070A2 publication Critical patent/EP1329070A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/06—Dc level restoring means; Bias distortion correction ; Decision circuits providing symbol by symbol detection
    • H04L25/067—Dc level restoring means; Bias distortion correction ; Decision circuits providing symbol by symbol detection providing soft decisions, i.e. decisions together with an estimate of reliability

Definitions

  • the invention relates to a method for generating soft bit information from gray-coded signals.
  • TCM trellis coded modulation
  • BICM Bit-Interleaved Coded Moulation
  • gray coding plays a crucial role here. Adjacent symbols in the constellation diagram only differ by one different bit.
  • the soft information per bit results from the maximum conditional probability that a data symbol was received under the condition that a specific data symbol was sent.
  • the high computational effort consists on the one hand of calculating several conditional probabilities and on the other hand of an additional division with the channel transmission function. This additional division must be applied if one assumes BICM (Bit Interleaved Coded Modulation) and fading. In practice, the individual bits are also interleaved using different symbols.
  • BICM Bit Interleaved Coded Modulation
  • the invention is based on the object, the soft bit information with at least the same performance in terms of bit or. Calculate symbol error rates with less computing and hardware expenditure in order to be able to implement them in real-time systems with high time requirements.
  • the object in a method for generating soft bit information from Gray-coded signals is achieved on the process side by utilizing the Gray coding used in most cases and generating the soft bit information per bit by simple amount formation and subtraction he follows.
  • the complex receive symbols Y are multiplied by the conjugate complex value of the estimated channel transmission function H * (for transmission in the frequency domain) in order to eliminate a possible phase shift caused by the channel.
  • Time domain contains H * the channel coefficient, which results from the attenuation of the signal and phase shift.
  • Y is the received symbol.
  • S is the transmitted signal
  • H is the transfer function
  • N is the corresponding noise term.
  • the received symbol is corrected in the phase and weighted with the amplitude of the channel
  • a QAM signal can be interpreted as two ASK signals due to the orthogonality of the in-phase and quadrature components.
  • the soft bit information D (R, S) ⁇ for the in-phase or quadrature components for an m -value QAM symbol become after
  • Rt ⁇ R ⁇ denotes the real part of a complex number, Ira ⁇ i. ⁇ Denotes the imaginary part.
  • the shift factor s results from the threshold value for a hard decision for the corresponding bit and the channel transfer function H and is calculated as follows.
  • the threshold v ⁇ . is calculated as follows.
  • M is the number of constellation points in the complex signal level.
  • Id denotes the logarithm of duales.
  • FIG. 1 shows a gray coding in which the following gray code was used for the in-phase component of a 64-QAM symbol. The individual calculation steps for bit 2 and bit 3 are illustrated.
  • the Gray code is documented in the following table.
  • FIG. 2 shows a further gray coding in which a different gray code was used for the in-phase component of a 64-QAM symbol.
  • the Gray code is documented in the following table.
  • the first soft bit D (R, S) 1.4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Error Detection And Correction (AREA)

Abstract

Der Erfindung, die ein Verfahren zur Erzeugung von Soft-Bit-Informationen aus Gray-Codierten Signalen betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, die Soft-Bit-Informationen bei zumindest gleicher Performance bzgl. Bit- bzw. Symbolfehlerraten mit geringerem Rechen- und Hardwareaufwand zu berechnen, um eine entsprechende Implementierung in Echtzeitsystemen mit hohen Zeitanforderungen realisieren zu können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass unter Nutzung der Gray-Codierung eine Generierung der Soft-Bit-Information pro Bit durch einfache Betragsbildung und Subtraktion erfolgt, wobei vor der eigentlichen Soft-Bit-Berechnung die komplexen Empfangssymbole Y mit Y = S.H+N, mit dem konjugiert komplexen Wert H<*> der Kanalübertragungsfunktion H multipliziert werden und damit eine durch den Kanal bedingte Phasendrehung eliminiert wird, das sich nach der komplexen Multiplikation und der Annahme idealer Kanalschätzung das in der Phase korrigierte und mit der Amplitude des Kanals gewichtete Empfangssymbol R = S.¦H¦<2> + NH<*> ergibt, und das die Soft-Bit-Information D(R,S)i für Inphase- bzw. Quadraturkomponten für ein m-wertiges QAM-Symbol nach D(R,S)1 = Re{R} für die Inphasenkomponenten und nach D(R,S)1 = Im{R} für die Quadraturkomponenten und D(R,S)i = -abs(D(R,S)i-1)+Si für i>/=2, wobei Si Shiftfaktoren mit Si = VTi¦H¦<2> und VTi Schwellwerte mit Vti = 2<ld(m)/2-(i-1)> darstellen, berechnet werden.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Soft-Bit-Informationen aus Gray-
Codierten Signalen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Soft- Bit-Informationen aus Gray-Codierten Signalen.
Für bandbegrenzte Kanäle kam in der Vergangenheit Trellis- Coded-Modulation (TCM) zum Einsatz. TCM verbindet Kodierung und Modulation, wobei die kodierten Bits entsprechenden Punkten im Konstellationsdiagramm zugewiesen werden. Damit wird die minimale Euklidische Distanz maximiert. Aufgrund wachsenden Interesses an Mobilfunkkanälen (z.B. Rayleigh fading) wurden bestehende Verfahren entsprechend weiterentwickelt. Ziel war es, neue Kodierungsverfahren für frequenzselektive Kanäle zu entwickeln, aber bestehende Standardalgorithmen, wie z.B. einen Viterbi Decoder weiterhin nutzen zu können. Dazu wurde der Ansatz, Kodierung und Modulation zu verbinden verlassen. Durch ein zusätzliches bitweises Interleaving am Encoderausgang und einer angepassten Softmetrikberechnung im Empfänger konnte dies erreicht werden. Das Verfahren wird Bit-Interleaved Coded Moulation (BICM) genannt. Die sogenannte Graykodierung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Benachbarte Symbole im Konstellationsdiagramm unterscheiden sich nur durch ein unterschiedliches Bit. Beim Erzeugen von Soft-Bit-Informationen aus Gray-Codierten Signalen ergibt sich die Soft-Information pro Bit aus der maximalen bedingten Wahrscheinlichkeit, dass ein Datensymbol empfangen wurde unter der Bedingung das ein bestimmtes Datensymbol gesendet wurde.
Nachteilig bei den bisher angewandten Verfahren zur Soft-Bit- Berechnung ist der hohe Rechenaufwand bei der eigentlichen Berechnung und gegebenenfalls ein zusätzlicher hoher Hardwareaufwand, um z.B. die bedingten Wahrscheinlichkeitsinformationen zu vergleichen. Der hohe Rechenaufwand besteht einerseits aus der Berechnung mehrerer bedingter Wahrscheinlichkeiten und andererseits aus einer zusätzlichen Division mit der Kanalübertragungsfunktion. Diese zusätzliche Division muss dann angewandt werden, wenn man von einer BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) und Schwund ausgeht. In der Praxis werden die einzelnen Bits zusätzlich über verschiedene Symbole interleaved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Soft-Bit- Informationen bei zumindest gleicher Performance bzgl. Bitbzw. Symbolfehlerraten mit geringerem Rechen- und Hardwareaufwand zu berechnen, um eine entsprechende Implementierung in Echtzeitsystemen mit hohen Zeitanforderungen realisieren zu können.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Erzeugung von Soft-Bit-Informationen aus Gray-Codierten Signalen verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die in den meisten Fällen angewandte Gray-Codierung ausgenutzt wird und eine Generierung der Softbitinformation pro Bit durch einfache Betragsbildung und Subtraktion erfolgt. Vor der eigentlichen Softbitberechnung werden die komplexen Empfangssymbole Y mit dem konjugiert komplexen Wert der geschätzten Kanalübertragungsfunktion H* (bei Übertragung im Frequenzbereich) multipliziert, um eine eventuelle durch den Kanal bedingte Phasendrehung zu eliminieren. Bei Übertragung im
Zeitbereich enthält H* den Kanalkoeffizienten, der sich aus Abschwächung des Signals und Phasendrehung ergibt.
Y ist das empfangene Symbol.
F = S .H +N
S ist das gesendete Signal, H ist die Übertragungsfunktion und N ist der entsprechende Rauschterm.
Nach der komplexen Multiplikation und der Annahme idealer Kanalschätzung ergibt sich das in der Phase korrigierte und mit der Amplitude des Kanals gewichtete Empfangssymbol
Ein QAM-Signal kann, aufgrund der Orthogonalität der Inphasen- und Quadraturkomponente als zwei ASK-Signale aufgefasst werden.
Die Soft-Bit-Information D(R,S){ für die Inphase- bzw. Quadraturkomponten für ein m -wertiges QAM-Symbol werden nach
- t{R} -für die Inphasenkomponenten und nach
- Im{/?} -für die Quadraturkomponenten und D(R,S)l = -abs(D(R,S)i_l) + sl für i > 2 berechnet.
Rt{R} bezeichnet den Realteil einer komplexen Zahl, Ira{i.} bezeichnet den Imaginärteil. Der Shift-Faktor s; ergibt sich aus dem Schwellwert für eine harten Entscheidung für das entsprechende Bit und der Kanalübertragungsfunktion H und wird wie folgt berechnet.
Der Schwellwert vτ. wird wie folgt berechnet.
Dabei ist m die Anzahl der Konstellationspunkte in der komplexen Signalebene. „ Id " bezeichnet den Logarithmus Duales.
Bei diesem neuen Verfahren ist es unter den oben skizzierten Randbedingungen wie BICM und frequenzselektivem Schwund nicht notwendig eine aufwendige Division mit der Kanal- Übertragungsfunktion durchführen zu müssen. Die Entscheidungsgrenzen lassen sich ebenfalls wie die Shift- Faktoren rekursiv berechnen. Es gilt:
= vT; /2
S M = Sι /2
Damit lassen sich, nachdem der Shift-Faktor für das erste Bit bekannt ist, alle weiteren Softbits auf einfache Weise berechnen. Das neue Verfahren spart Rechen- und ggf. Hardwareaufwand .
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Figur 1 zeigt eine Gray-Codierung, bei der der folgende Graycode für die Inphasenkomponente eines 64-QAM-Symbols angewendet wurde. Dabei sind die einzelnen Berechnungsschritte für Bit 2 und Bit 3 veranschaulicht .
Der Gray-Code ist in folgender Tabelle dokumentiert.
In diesem Beispiel sei angenommen, dass H =1 sei, vr=8. Der Realteil des mit dem konjugiert komplexen Übertragungsfaktor H * empfangenen Symbols betrage 1,4.
Demnach ist das erste Soft-Bit D R,S)Ϊ =1,4. Für das zweite Soft-Bit ergibt sich mit vr. =4, s2 = 4 gemäss der Vorschrift
D(R,S), = -αb-s(1.4)+4 = 2.6.
Für das dritte Softbit ergibt sich mit ^- = 2 , ->3=2 gemäss der Vorschrift D(R,S = -abs (2,6) + 2 = -0,6. Figur 2 zeigt eine weitere Gray-Codierung, bei der ein anderer Graycode für die Inphasenkomponente eines 64-QAM-Symbols angewendet wurde. Der Gray-Code ist in folgender Tabelle dokumentiert.
In diesem Beispiel sei angenommen, dass H =l sei, vr =8. Der Realteil des mit dem konjugiert komplexen Übertragungsfaktor H* empfangenen Symbols betrage 1,4.
Demnach ist das erste Softbit D(R,S) =1,4. Für das zweite Soft-Bit ergibt sich mit vTι = 4 , s2 - 4 gemäss der Vorschrift D(R, S)2 = abs(l,4) -4 = -2,6. Für das dritte Soft-Bit ergibt sich mit vτ = 2 , s3 = 2 gemäss der Vorschrift D(R,S)2 = abs(-2,6) ~ 2 = 0,6.
Verfahren zur Erzeugung von Soft-Bit-Informationen aus Gray- Codierten Signalen
Formelzeichenliste
Y Empfangssymbol
H Kanalübertragungsfunktion
H konjugiert komplexer Wert der
Kanalübertragungsfunktion S gesendetes Signal N Rauschterm
R in Phase korrigiertes und mit der Amplitude des Kanals gewichtetes Empfangssymbol
D(R,S); Soft-Bit-Information st Shift-Faktor VA-. Schwellwert m Anzahl der Konstellatiospunkte in der komplexen Signalebene Bitindex

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Soft-Bit-Informationen aus Gray- Codierten SignalenPatentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Soft-Bit-Informationen aus Gray-Codierten Signalen dadurch gekennzeichnet, dass unter Nutzung der Gray-Codierung eine Generierung der Soft-Bit- Information pro Bit durch einfache Betragsbildung und Subtraktion erfolgt, wobei vor der eigentlichen Soft-Bit- Berechnung die komplexen Empfangssymbole Y mit Y - S » H + N , mit dem konjugiert komplexen Wert H* der Kanalübertragungsfunktion H multipliziert werden und damit eine durch den Kanal bedingte Phasendrehung eliminiert wird, das sich nach der komplexen Multiplikation und der Annahme idealer Kanalschätzung das in der Phase korrigierte und mit der Amplitude des Kanals gewichtete Empfangssymbol
R = S » + NH* ergibt, und das die Soft-Bit-Information D(R,S)t für Inphase- bzw. Quadraturkomponten für ein m-wertiges QAM- Symbol nach
D(R,S)l = Re(ft} für die Inphasenkomponenten und nach
D(R,S){ = Im{R} für die Quadraturkomponenten und
D(R,S)i = -abs(D(R,S)i_l) + si für i ≥ 2
wobei Sj Shift-Faktoren mit s,- = vτ. \H\ und
vτ. Schwellwerte mit v 2 W(Λ,)/2-('-1)
darstellen, berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass statt einem QAM-Signal ASK-Signale verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem Empfangssignal geschätzte
Übertragungsfunktion H eingesetzt wird, und sich
R = SHH* + NH ' ergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine andere Gray-Codierung verwendet wird und
D(R,S) = abs(D(R,S)l_i) -s: für i ≥ 2 berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei anderen Gray-Konstellationen abhängig vom Bitindex entweder
D(R,S) = abs(D(R,S)!_l) -sl für i > 2 oder
D(R,S) = -abs(D(R,S)l_l) + sl für i > 2
berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass R und s, mit einer reellen Konstanten skaliert werden und dass diese Skalierung mit einer Zahl kleiner Eins insbesondere für die Werte vorgenommen wird, für die i HP größer als eine obere vom Empfänger festgelegte Grenze ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass R mit einer reellen Zahlen skaliert wird und dass alle s> mit einer weiteren reellen Zahl skaliert werden.
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