KR100400056B1 - Soft decision method of multilevel modulation signal for soft decision Viterbi decoding - Google Patents
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Abstract
본 발명은 채널오류 정정부호로 길쌈부호를 사용하는 8PSK/16QAM/64QAM 고차변조 통신시스템에서 수신 심벌의 I, Q 성분으로부터 해당 심벌을 구성하는 각 비트들에 대한 연판정을 통해 연판정 비터비 복호를 함으로써, 코딩이득을 향상 시킬 수 있는 연판정 비터비 복호를 위한 고차 변조 신호의 연판정 방법에 관한 것이다.According to the present invention, soft decision Viterbi decoding is performed through soft decision on each bit constituting a corresponding symbol from I and Q components of a received symbol in an 8PSK / 16QAM / 64QAM high-order modulation communication system using a convolutional code as a channel error correction code. By the following, the present invention relates to a soft decision method of a higher order modulated signal for soft decision Viterbi decoding that can improve coding gain.
Description
본 발명은 채널오류 정정부호로 길쌈부호를 사용하는 8PSK/16QAM/64QAM 고차변조 통신시스템에서 수신 심벌의 I, Q 성분으로부터 해당 심벌을 구성하는 각 비트들에 대한 연판정을 통해 연판정 비터비 복호를 함으로써, 코딩이득을 향상 시킬 수 있는 연판정 비터비 복호를 위한 고차 변조신호의 연판정 방법에 관한 것이다.According to the present invention, soft decision Viterbi decoding is performed through soft decision on each bit constituting a corresponding symbol from I and Q components of a received symbol in an 8PSK / 16QAM / 64QAM high-order modulation communication system using a convolutional code as a channel error correction code. By the following, the present invention relates to a soft decision method of a higher order modulated signal for soft decision Viterbi decoding that can improve coding gain.
최근 들어 디지털 통신 시스템은 한정된 주파수 대역내에서 고속의 데이터 전송을 위해 고차 변조방식을 적용하는 추세이다. 그 예로 유럽의 지상파 디지털 TV 시스템에서는 많은 양의 영상정보와 오디오 정보를 압축하고, 이를 한정된 대역폭을 이용하여 전송하기 위해 QPSK, 16QAM, 64QAM의 다양한 고차변조를 통한 신호 전송으로 높은 주파수 이용효율을 얻고 있다. 향후 대용량의 멀티미디어 정보를 한정된 주파수 대역내에서 전송하기 위해서는 원정보에 대한 탁월한 압축과 더불어 고차변조는 필연적이라 볼 수 있다. 디지털 통신 시스템에서는 전송 채널상의 다중 경로 페이딩 혹은 임펄스 잡음 등에 의해 전송되는 정보가 왜곡되는 현상을 방지하기 위해 오류 정정 부호를 사용한다. 이와 같은 오류 정정 부호로 길쌈부호가 많이 사용되고 있으며, 길쌈부호는 랜덤하게 발생하는 에러에 대하여 우수한 성능을 보인다. 길쌈부호의 복호를 위해서는 비터비 디코더가 사용되며, 비터비 디코더의 입력으로 심벌을 구성하는 각 비트의 경판정 혹은 연판정되어 얻어진 값이 입력될 수 있다. 연판정 비터비 디코더는 경판정에 비해 우수한 코딩이득을 얻을 수 있으며, 복호과정은 가지 메트릭(Branch Metric)과 경로 메트릭(Path Metric) 계산을 통해 이루어진다. 수신된 심벌과 각 상태천이시 발생하는 코드워드 사이의 유사도를 나타내는 가지 메트릭의 계산 방법으로 유클리디언 거리계산이 주로 이용된다. 이와같은 유클리디언 거리계산을 적용하기 위해서는 수신 심벌을 구성하는 각각의 정보비트에 대한 연판정 값을 찾아내야 한다. 그러나 지금까지 대부분의 디지털 통신시스템에 대한 연판정 방법은 BPSK 혹은 QPSK 변조에 대한 연판정 방법만이 제시되었다.In recent years, digital communication systems have tended to apply higher-order modulation schemes for high-speed data transmission within a limited frequency band. For example, in European terrestrial digital TV systems, high frequency utilization efficiency is obtained by compressing a large amount of video information and audio information and transmitting signals using various high-order modulations of QPSK, 16QAM, and 64QAM to transmit them using a limited bandwidth. have. In order to transmit a large amount of multimedia information in a limited frequency band in the future, high-order modulation as well as excellent compression on the original information can be considered inevitable. In a digital communication system, an error correction code is used to prevent distortion of information transmitted by multipath fading or impulse noise on a transmission channel. As the error correction code, convolutional codes are used a lot, and convolutional codes show excellent performance against random occurrences of errors. A Viterbi decoder is used to decode the convolutional code, and a value obtained by hard decision or soft decision of each bit constituting a symbol may be input to the Viterbi decoder. The soft decision Viterbi decoder can obtain better coding gain than the hard decision, and the decoding process is performed through branch metric and path metric calculation. Euclidean distance calculation is mainly used as a method of calculating the metric representing the similarity between the received symbol and the codeword occurring at each state transition. In order to apply the Euclidean distance calculation, it is necessary to find the soft decision value for each information bit constituting the received symbol. However, until now, only the soft decision method for BPSK or QPSK modulation has been proposed as the soft decision method for most digital communication systems.
따라서, 본 발명은 채널오류 정정부호로 길쌈부호를 사용하는 8PSK/16QAM/64QAM 고차변조 통신시스템에서 수신 심벌의 I, Q 신호 성분으로부터 해당 심벌을 구성하는 각 정보비트들에 대한 연판정을 통해 연판정 비터비 복호를 함으로써, 코딩이득을 향상 시킬 수 있는 연판정 비터비 복호를 위한 고차 변조 신호의 연판정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, in the 8PSK / 16QAM / 64QAM high-order modulation communication system using convolutional code as a channel error correction code, the present invention is performed through soft decision on each information bit constituting the corresponding symbol from the I and Q signal components of the received symbol. It is an object of the present invention to provide a soft decision method for higher order modulated signals for soft decision Viterbi decoding that can improve coding gain by performing decision Viterbi decoding.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 채널오류 정정 부호로 길쌈부호를 사용하는 8PSK/16QAM/64QAM 고차변조 통신시스템에서 수신 심벌의 I, Q 성분으로부터 해당 심벌을 구성하는 각 정보비트들에 대한 연판정을 통해 연판정 비터비 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is an association of each information bit constituting the corresponding symbol from the I, Q components of the received symbol in the 8PSK / 16QAM / 64QAM high-order modulation communication system using a convolutional code as a channel error correction code The soft decision Viterbi decoding is performed through the determination.
본 발명은 디지털 고차 변조 시스템에서 채널오류 정정부호로 길쌈부호를 사용하는 경우, 연판정 비터비 복호를 위한 수신 신호의 연판정 방법에 관한 것이다. 길쌈부호의 복호는 신호의 경판정 혹은 연판정에 의해 이루어지며, 신호를 연판정하여 비터비 복호를 하면 경판정에 비해 높은 코딩이득을 얻을 수 있다. 지금까지 대부분의 통신 시스템들은 BPSK 혹은 QPSK 계열의 변조방식을 이용하였으나, 최근 디지털 방송 및 무선 멀티미디어 서비스를 위해 제안된 시스템들은 그 이상의 고차 변조방식을 사용한다. 이와 같은 고차 변조방식에 대한 수신 신호의 연판정 방법은시스템의 성능 개선을 위해 필수적이다. 연판정 비터비 복호를 위한 가지 메트릭 계산은 각 상태에 연결된 가지의 코드워드 값과 수신 비트열과의 상태 천이 확률을 구함으로써 이루어진다. 이와 같은 상태천이 확률은 심벌을 구성하는 각 비트에 대한 연판정을 통해서만 얻어질 수 있으며, 수신된 I와 Q 신호를 이용하여 심벌을 구성하는 각 비트에 대한 연판정을 행한다. 이 때 전송 채널에 따른 비트 '1'과 비트 '0'의 확률 분포로부터 각 상태천이 확률을 구할 수 있게 된다. 8 PSK의 경우, 심벌을 구성하는 처음 두 비트의 연판정은 각각 Q와 I 신호만을 이용하여 이루어지며, 나머지 한 비트에 대한 연판정은 I와 Q 신호로 구성되는 위상정보를 이용한다. 16 QAM 이상의 고차 변조방식의 경우, 심벌을 구성하는 홀수번째 비트들은 I 신호를 이용하여 연판정하고, 짝수번째 해당되는 비트들은 Q 신호를 이용하여 연판정 할 수 있다. 본 발명은, 이와 같이 고차 변조 시스템의 연판정 비터비 복호를 위해 필요한 수신 신호의 연판정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soft decision method of a received signal for soft decision Viterbi decoding when a convolutional code is used as a channel error correction code in a digital higher order modulation system. Decoding of convolutional code is performed by hard decision or soft decision of the signal. When the signal is soft decision and Viterbi decoding is performed, higher coding gain can be obtained than hard decision. Until now, most communication systems have used the BPSK or QPSK series of modulation schemes, but recently proposed systems for digital broadcasting and wireless multimedia services use higher order modulation schemes. The soft decision method of the received signal for the higher-order modulation method is essential for improving the performance of the system. The branch metric calculation for soft decision Viterbi decoding is performed by obtaining the state transition probability between the codeword value of the branch connected to each state and the received bit string. The state transition probability can be obtained only through soft decision on each bit constituting the symbol, and soft decision on each bit constituting the symbol is performed using the received I and Q signals. In this case, the probability of each state transition can be obtained from the probability distributions of bits '1' and '0' according to the transmission channel. In the case of 8 PSK, the soft decision of the first two bits constituting the symbol is made using only the Q and I signals, respectively, and the soft decision of the other bit uses the phase information consisting of the I and Q signals. In the higher order modulation scheme of 16 QAM or more, odd bits constituting a symbol may be softly determined using an I signal, and even bits may be softly determined using a Q signal. The present invention thus relates to a soft decision method for a received signal necessary for soft decision Viterbi decoding of a higher order modulation system.
도 1은 본 발명에서 제안하는 연판정 비터비 복호를 필요로 하는 일반적인 고차변조 통신시스템중 OFDM 전송방식을 이용하는 통신시스템의 송/수신기 블록도.1 is a block diagram of a transmitter / receiver of a communication system using an OFDM transmission method in a general higher-order modulated communication system requiring soft decision Viterbi decoding proposed in the present invention.
도 2는 연판정 비터비 복호를 위한 8 PSK 심벌 맵핑을 나타낸 도면.2 shows 8 PSK symbol mapping for soft decision Viterbi decoding.
도 3은 8 PSK 변조심벌을 구성하는 각 비트의 상관관계를 나타낸 도면.3 is a diagram showing the correlation of each bit constituting 8 PSK modulation symbols.
도 4는 연판정 비터비 복호를 위한 16 QAM 심벌 맵핑을 나타낸 도면.4 shows 16 QAM symbol mapping for soft decision Viterbi decoding.
도 5는 연판정 비터비 복호를 위한 64 QAM 심벌 맵핑을 나타낸 도면.5 shows 64 QAM symbol mapping for soft decision Viterbi decoding.
도 6은 8 PSK의 경판정/연판정 비터비 복호에 대한 성능비교 특성도.6 is a performance comparison characteristic chart for hard decision / soft decision Viterbi decoding of 8 PSK.
도 7은 16 QAM의 경판정/연판정 비터비 복호에 대한 성능비교 특성도.7 is a performance comparison characteristic chart for hard decision / soft decision Viterbi decoding of 16 QAM.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1은 OFDM 전송방식을 이용하는 일반적인 고차변조 통신시스템의 송/수신기를 나타낸다. 적용할 서비스와 채널환경에 따라 길쌈부호기(101)의 구속장(Constraint Length)과 코드율(Code Rate)이 결정되며, 길쌈부호기(101)를 통해 부호화된 일련의 코드워드들은 전송채널에서 발생되는 연집 에러를 랜덤 에러로 바꿔주기 위해 비트 인터리버(102)를 통과한다. 하나의 OFDM 심벌을 구성하는서브캐리어들을 심벌 인터리빙(103)한 후, 심벌 맵퍼(104)를 이용하여 각 심벌에 해당하는 I, Q 신호값을 결정한다. 전송채널에서 발생하는 다중경로 페이딩, 도플러 효과, 임펄스 잡음 등에 의한 신호 왜곡을 보상하기 위해 적절한 방법에 의해 파일럿 신호를 삽입(105)한다. 마지막으로 송신기는 IFFT(106)와 보호구간을 삽입(107)함으로써 OFDM 신호를 생성(106,107)하고, RF부를 거쳐 안테나를 통해 신호를 전송한다. 수신기에서는 OFDM 신호로부터 보호구간을 제거(115)하고 FFT(114)를 취함으로써 I, Q 신호를 추출한다. 또한 파일럿 신호를 이용하여 채널에서의 왜곡을 보상(113)하고 파일럿 신호를 제거(112)한다. 지금까지 설명한 내용은 OFDM 전송방식을 이용하는 고차변조 통신시스템에서 연판정 이전까지 이루어지는 일반적인 신호처리 과정이다. 고차변조 신호에 대한 연판정(111)은 각 변조방식에 따라 다음과 같이 이루어진다.1 shows a transmitter / receiver of a general high-order modulation communication system using an OFDM transmission scheme. The constraint length and code rate of the convolutional encoder 101 are determined according to the service to be applied and the channel environment, and a series of codewords coded through the convolutional encoder 101 are generated in the transport channel. Pass the bit interleaver 102 to turn the concatenation error into a random error. After the symbol interleaving 103 of the subcarriers constituting one OFDM symbol, the symbol mapper 104 is used to determine I and Q signal values corresponding to each symbol. The pilot signal is inserted 105 by an appropriate method to compensate for signal distortion caused by multipath fading, Doppler effect, impulse noise, etc. occurring in the transmission channel. Finally, the transmitter generates an OFDM signal 106 and 107 by inserting an IFFT 106 and a guard interval 107 and transmits the signal through the antenna via the RF unit. The receiver extracts I and Q signals by removing the guard interval 115 from the OFDM signal and taking the FFT 114. In addition, the pilot signal is used to compensate for distortion in the channel (113) and to remove the pilot signal (112). The description so far is a general signal processing process performed until soft decision in a high-order modulation communication system using an OFDM transmission method. The soft decision 111 for the higher-order modulated signal is made as follows according to each modulation scheme.
도 2의 8PSK 심벌 맵핑(201)으로부터 알 수 있듯이 하나의 심벌은 세개의 비트로 구성된다.As can be seen from the 8PSK symbol mapping 201 of FIG. 2, one symbol is composed of three bits.
도 3은 심벌을 구성하는 각 비트들의 상관관계(303)를 나타낸다. 사각형(301)으로 표시된 비트는 '0'을 나타내며, 원(302)으로 표시된 비트는 '1'을 의미한다. 연판정을 수행하기 전에 해당 채널에 대하여 BPSK 변조신호의 확률분포를 구하고, 이를 테이블로 구성하여 연판정 수행시 참조한다. 심벌의 첫번째 정보비트의 연판정은 Q 신호를 -sin(π/8)로 정규화하여 얻어진 값에 대하여 비트 '0'과 비트 '1'이 나타날 확률값을 이미 구성한 테이블로부터 얻음으로써 이루어진다. 두번째 정보비트는 I 신호를 -sin(π/8)로 정규화하여 얻어진 값에 대하여 비트'0'과 비트 '1'이 나타날 확률값을 테이블로부터 구함으로써 연판정이 이루어진다. 세번째 정보비트의 연판정은 I와 Q 신호로부터 얻어지는 위상값(atan(Q/I))이 존재하는 사분면에 따라 아래와 같이 정규화된 값에 대하여 비트 '0'과 비트 '1'이 나타날 확률값을 테이블로부터 각각 구함으로써 이루어진다.3 shows a correlation 303 of each bit constituting a symbol. The bits indicated by the rectangle 301 represent '0', and the bits indicated by the circle 302 mean '1'. Before the soft decision is performed, the probability distribution of the BPSK modulated signal is obtained for the corresponding channel. The soft decision of the first information bit of the symbol is made by obtaining a probability value from which a bit '0' and a bit '1' appear for a value obtained by normalizing the Q signal to -sin ([pi] / 8). In the second information bit, soft decision is made by obtaining a probability value from which a bit '0' and a bit '1' appear from a table with respect to a value obtained by normalizing an I signal with -sin ([pi] / 8). The soft decision of the third information bit is a table of probability values of bit '0' and bit '1' for the normalized values according to the quadrant where the phase value (atan (Q / I)) obtained from the I and Q signals exist. By obtaining from
ⅰ) 1, 3사분면, {(atan(Q/I) - π/4)/(π/8)}Iii) 1, 3 quadrants, {(atan (Q / I)-π / 4) / (π / 8)}
ii) 2, 4사분면, {(atan(-Q/I) - π/4)/(π/8)}ii) quadrants 2 and 4, {(atan (-Q / I)-π / 4) / (π / 8)}
도 4는 16QAM의 심벌 맵핑(401)을 나타내며, 심벌을 구성하는 각 정보비트에 대한 연판정은 아래의 조건을 만족하는 정규화된 I, Q 신호값에 대하여 비트 '0'과 비트 '1'이 나타날 확률을 테이블을 통해 구함으로써 이루어진다. 첫 번째와 두 번째 비트에 대한 연판정은 아래와 같이 I와 Q 신호의 정규화된 값을 이용하여 구한다.4 shows a symbol mapping 401 of 16QAM, in which the soft decision for each information bit constituting a symbol is obtained by bit '0' and bit '1' for normalized I and Q signal values satisfying the following conditions. This is done by looking at the table for the probability of appearance. The soft decision on the first and second bits is obtained using the normalized values of the I and Q signals as follows.
ⅰ) 첫번째 비트, (-I)Iii) first bit, (-I)
ii) 두번째 비트, (-Q)ii) second bit, (-Q)
iii) 세번째 비트,iii) third bit,
I ≥0, {(-1) * (I - 2)}I ≥0, {(-1) * (I-2)}
I < 0, (I + 2)I <0, (I + 2)
iv) 네번째 비트,iv) fourth bit,
Q ≥0, {(-1) * (Q - 2)}Q ≥0, {(-1) * (Q-2)}
Q < 0, (Q + 2)Q <0, (Q + 2)
도 5는 64QAM의 심벌 맵핑(501)을 나타내며, 심벌을 구성하는 각 정보비트에 대한 연판정은 아래의 조건을 만족하는 정규화된 I, Q 신호값에 대하여 비트 '0'과 비트 '1'이 나타날 확률을 테이블을 통해 구함으로써 이루어진다. 이중 첫 번째와 두 번째 비트에 대한 연판정은 아래와 같이 I와 Q 신호의 정규화된 값을 이용하여 구한다.FIG. 5 shows a symbol mapping 501 of 64QAM, in which the soft decision for each information bit constituting a symbol has bit '0' and bit '1' for normalized I and Q signal values satisfying the following conditions. This is done by looking at the table for the probability of appearance. The soft decision on the first and second bits is obtained using the normalized values of the I and Q signals as follows.
ⅰ) 첫번째 비트, (-I)Iii) first bit, (-I)
ii) 두번째 비트, (-Q)ii) second bit, (-Q)
iii) 세번째 비트,iii) third bit,
I ≥0, {(-1) * (I - 4)}I ≥0, {(-1) * (I-4)}
I < 0, (I + 4)I <0, (I + 4)
iv) 네번째 비트,iv) fourth bit,
Q ≥0, {(-1) * (Q - 4)}Q ≥0, {(-1) * (Q-4)}
Q < 0, (Q + 4)Q <0, (Q + 4)
v) 다섯번째 비트,v) fifth bit,
I ≥0,I ≥0,
I < 4, (I - 2)I <4, (I-2)
I ≥4, {(-1) * (I - 6)}I ≥4, {(-1) * (I-6)}
I < 0,I <0,
I ≥-4, {(-1) * (I + 2)}I ≥-4, {(-1) * (I + 2)}
I < -4, (I + 6)I <-4, (I + 6)
vi) 여섯번째 비트vi) sixth bit
Q ≥0,Q ≥0,
Q < 4, (Q - 2)Q <4, (Q-2)
Q ≥4, {(-1) * (Q - 6)}Q ≥4, {(-1) * (Q-6)}
Q < 0,Q <0,
Q ≥-4, {(-1) * (Q + 2)}Q ≥-4, {(-1) * (Q + 2)}
Q < -4, (Q + 6)Q <-4, (Q + 6)
상술한 바와 같이 본 발명은 길쌈부호를 사용하는 고차변조 통신시스템에 대하여 연판정 비터비 복호를 수행함으로써, 도 6과 도 7에서와 같이 경판정에 비해 적어도 2 dB 이상의 코딩 이득 개선 효과가 나타남을 수 있다.As described above, according to the present invention, by performing soft decision Viterbi decoding on a high-order modulation communication system using convolutional code, at least 2 dB or more coding gain improvement effect is shown compared to hard decision as shown in FIGS. 6 and 7. Can be.
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