專利名稱：最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信息傳輸技術領域，具體涉及一種星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法。


圖1所示為線性調(diào)制解調(diào)模型。它將調(diào)制分為兩個基本功能模塊基帶處理和頻譜搬移。由于數(shù)字視頻通信是帶寬有效系統(tǒng)，所以通常采用M進制調(diào)制。此時基帶處理模塊從二進制序列{an}中一次提取k＝log2M個比特形成組，對每個組進行基帶成形濾波，再從M＝2k個與信道特性相匹配的模擬載波波形{si，i＝1，2，…M}中按確定的映射關系選擇其中之一完成頻譜搬移，使傳輸信號的帶寬限制在以載波頻率fc為中心的一個頻段上。
與線性代數(shù)中的向量空間概念一樣，信號波形集{si，i＝1，2，…M}構成一個信號空間。信號波形集中的每一個元素si(t)，都可以用一組Gram-Schmidt法產(chǎn)生的標準正交基函數(shù){φj(t)，j＝1，2…N}的線性組合得到，即si(t)=Σj=1Nsijφj(t)]]>這樣，就將M個信號波形{si(t)}與M個N維向量建立了一一映射關系，也就是說，將信號波形si(t)等效地映射成了N維信號空間的一個點si=[si1，si2，…，siN]。事實上，數(shù)字通信中采用的線性調(diào)制信號在矩形脈沖的條件下都可以方便地用兩個標準正交基函數(shù)φ1(t)=2Tscos2πfct]]>φ2(t)=-2Tssin2πfct]]>展開。式中Ts代表信號波形si(t)的持續(xù)時間。這樣，就可以把線性調(diào)制波形通過映射關系在一個二維平面圖中表示出來，這就是星座圖。圖2作出了64QAM調(diào)制的信號星座圖，習慣上將I軸稱為同相分量，將Q軸稱為正交分量，對于64QAM調(diào)制，I、Q分量分別表示3比特的數(shù)字信息。
因此，星座的符號映射是數(shù)字調(diào)制的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的64QAM調(diào)制常采用自然符號映射和格雷符號映射，如表1和2所示，因此，數(shù)字調(diào)制中的符號映射也可以看作是一種編碼，只是它沒有采用存儲器。
表1 64QAM自然符號映射及其歐氏距離

表2 64QAM格雷符號映射及其歐氏距離

經(jīng)過信道傳輸后，接收端的解調(diào)器完成調(diào)制器的逆過程，即首先對接收信號進行濾波和下變頻，將其恢復為基帶信號，再在基帶完成匹配濾波和信號判決等功能。
由于傳輸信道中存在干擾和噪聲，實際接收到的星座點會偏離理想的星座點位置，因此，需要進行信號判決。傳統(tǒng)的QAM解調(diào)是基于假設星座點是等概率出現(xiàn)的，而且不采用多次迭代處理方法，信號判決輸出結(jié)果只有符號信息(軟判決或硬判決輸出)，沒有此符號出現(xiàn)的概率信息。因此，傳統(tǒng)的QAM解調(diào)把接收到的信號判定為歐氏距離最近的星座點。
以圖3所示的64QAM的I分量為例(對Q軸同樣成立)，對于接收端來講，I分量所代表的3比特信息都是未知的，而且假設星座點A～H出現(xiàn)的概率是等概的，如果接收到的星座點位于R處，則根據(jù)歐氏距離最近的判決原則，把R判決為D處的星座點所代表的數(shù)據(jù)。
但是，實際中星座點的出現(xiàn)概率并不是等概的。
另外，在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，不論信號通過什么媒介類型的信道傳輸，由于信號的衰`減、失真和各種干擾，都會使接收到的數(shù)據(jù)不可避免地出現(xiàn)差錯。因此，任何實際的數(shù)字通信系統(tǒng)都需要采取誤碼糾錯措施，一般采用前向誤碼糾錯FEC(Forward ErrorCorrect)方法，它是在發(fā)送端將數(shù)據(jù)按一定規(guī)則附加容余碼元，組成具有糾錯能力的糾錯碼。接收端收到碼字后，按預先規(guī)定的規(guī)則進行譯碼，以確定接收碼字中有無差錯，若有錯誤則自動糾正。FEC根據(jù)出發(fā)點不同，可以有很多種分類。在數(shù)字傳輸中常用的糾錯編碼有分組碼(例如里德-所羅門RS碼、BCH碼)和卷積碼等。
其中，卷積碼的解碼方法主要有代數(shù)譯碼和概率譯碼兩種。代數(shù)譯碼根據(jù)卷積碼自身的代數(shù)結(jié)構進行譯碼，計算簡單；概率譯碼則在計算時考慮信道的統(tǒng)計特性，計算較復雜，但糾錯效果好得多，應用廣泛。
假設編碼序列為Cm＝(cm1，cm2…)，經(jīng)過信道傳輸，接收端收到的信號為R(模擬信號或數(shù)字信號，取決于對信道的定義)，那么接收端會順理成章地在所有可能的碼序列中尋找條件概率P(Cm|R)最大的一個，認為它是最可能的發(fā)送序列。即C~m=Arg{MAXCmP(Cm|R)}]]>這種判決準則稱為最大后驗概率(MAP)準則。然而，由于條件概率P(Cm|R)的值與發(fā)射端編碼序列Cm的發(fā)生概率有關，而編碼序列的發(fā)生概率難以獲得，所以最大后驗概率準則在傳統(tǒng)的卷積碼解碼算法中難以運用。
根據(jù)Bayes公式，有P(Cm|R)=p(R|Cm)P(Cm)p(R)]]>假設未知的P(Cm)為等概率，此時發(fā)現(xiàn)尋找最大的后驗概率P(Cm|R)等價于尋找最大的似然概率P(R|Cm)。這時的判決準則修正為C~m=Arg{MAXCmP(Cm|R)}]]>這就是最大似然準則(ML)。似然概率P(R|Cm)僅與信道特性有關，而與發(fā)送碼字的統(tǒng)計概率無關(假設是等概的)。
目前得到廣泛采用的基于最大似然準則的卷積碼解碼算法是1967年Viterbi提出的Viterbi算法。
但是，同樣的，實際中未知的P(Cm)也不是等概的。
上述是單個糾錯碼的情況，下面再看看級聯(lián)碼的情況。根據(jù)糾錯編碼理論，用編碼長度n足夠長的隨機編碼就可以無限逼近信道容量，但是隨著n的增加，譯碼器的復雜度和計算量指數(shù)增加，難以接受。1966年，F(xiàn)omey在其博士論文中提出了級聯(lián)編碼(由“RS碼+矩陣交織+卷積碼”構成)的思想。他的思路是如果把編碼器、信道和譯碼器整體看作一個廣義的信道，這個信道也會有誤碼，因此還可以對它作進一步的編碼。由此，他將兩個碼長較短的子碼串聯(lián)構成一個長碼，用復雜度的有限增加就可換取糾錯能力的極大提高。
隨著編碼技術的發(fā)展，近年提出了各種接近Shannon編碼性能極限的“好碼”，例如并聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)卷積碼PCCC(即法國人提出的Turbo碼)、串聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)卷積碼SCCC、Turbo乘積碼TPC和低密度校驗碼LDPC等。這些碼之所以成為“好碼”，是因為它們的解碼算法采用了迭代算法，在一次次迭代過程中，不斷獲得更多的發(fā)射端編碼序列Cm發(fā)生概率的知識，得到條件概率P(Cm|R)，即采用了上述提到的最大后驗概率(MAP)解碼算法。
其中，串聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)卷積碼SCCC編碼器構成如圖4所示，由外碼系統(tǒng)卷積碼編碼器、內(nèi)碼隨機交織器和內(nèi)碼系統(tǒng)卷積碼編碼器等組成，為了解決迭代解碼算法中串行級聯(lián)碼內(nèi)外碼之間信息傳遞問題，要求兩層碼均為系統(tǒng)碼。因此，SCCC采用了兩個系統(tǒng)卷積碼編碼器。同時，為了防止迭代解碼算法不收斂或收斂到遠離最優(yōu)解處，要求在進行第二次內(nèi)碼解碼時用到的反饋軟信息中不包含上次解此碼時用過的信息，所以，SCCC采用了一個隨機交織器，使得相鄰符號的相關性很低，消除正反饋，實現(xiàn)迭代解碼。
因此，和傳統(tǒng)的Forney提出的串行級聯(lián)碼相比，最大的不同是SCCC碼內(nèi)外碼都采用系統(tǒng)卷積碼和交織器采用了隨機交織器。
采用串聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)卷積碼SCCC提高了系統(tǒng)的抗誤碼性能，但由于增加了冗余度，降低了系統(tǒng)的傳輸效率。
本發(fā)明提供了一種最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于，包括以下步驟1)將輸入的數(shù)字信號進行系統(tǒng)卷積碼編碼；2)將系統(tǒng)卷積碼編碼后形成的數(shù)據(jù)進行隨機比特交織處理；3)對隨機交織后的數(shù)據(jù)進行mQAM調(diào)制，其符號星座映射編碼作為級聯(lián)糾錯編碼的內(nèi)碼，符號星座映射關系滿足相關碼字之間的最小歐氏距離最大化；上述三步驟構成串行級聯(lián)系統(tǒng)卷積碼，其輸出的信號為糾錯后的信號。
上述的mQAM調(diào)制可為64QAM調(diào)制，其符號星座映射關系為000→0；101→1；010→2；111→3；100→4；001→5；110→6；011→7。
所述的系統(tǒng)卷積碼可為多種碼率的系統(tǒng)卷積碼。
所述的系統(tǒng)卷積碼可為2/3碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼。
所述的2/3碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼可由1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼鑿孔得到的，把1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼序列每4位分為一組，刪除第4位得到所述的2/3碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼。
所述的1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼的分母生成多項式可為G1(x)＝1+x+x3，分子生成多項式可為G2(x)＝1+x2+x3。
所述的mQAM調(diào)制128QAM和256QAM。
本發(fā)明的特點本發(fā)明是針對mQAM調(diào)制系統(tǒng)中的級聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)卷積碼而提出了一種最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，使得星座點間的最小歐氏距離最大化。相比于自然碼映射和格雷碼映射，本發(fā)明只需要有限次的迭代就能獲得很好的糾錯性能。
本發(fā)明可應用于數(shù)字通信系統(tǒng)中，也可應用于地面和有線、衛(wèi)星等數(shù)字電視廣播中。
圖2為64QAM星座圖。
圖3為傳統(tǒng)的64QAM星座點判決示意圖。
圖4為串聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)卷積碼SCCC編碼器框圖。
圖5為本發(fā)明用于收發(fā)端的實施例總體構成圖。
圖6為本實施例中采用的1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼編碼器結(jié)構示意圖。
圖7為本實施例中64QAM星座點判決示意圖。
圖8為采用本實施例的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)的發(fā)射端框圖。
圖9為采用本實施例的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)的接收端框圖。
圖10為采用本實施例的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)的計算機仿真性能。
圖11為采用自然碼符號映射的系統(tǒng)的計算機仿真性能。
圖12為采用格雷碼符號映射的系統(tǒng)的計算機仿真性能。
本發(fā)明的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法用于發(fā)端實施例的實現(xiàn)步驟如下1.將輸入的數(shù)字信號進行可選的預處理(本實施例中為RS糾錯編碼)2.進行2/3碼率系統(tǒng)碼編碼；3.將2/3碼率系統(tǒng)卷積碼編碼后形成的數(shù)據(jù)進行隨機比特交織處理；4.對隨機交織后的數(shù)據(jù)進行QAM調(diào)制，其符號星座映射滿足最小歐氏距離最大化；5.QAM調(diào)制后的信號可進一步進行OFDM調(diào)制，然后再經(jīng)過成形濾波、基帶信號幀上變換等處理后送給信道傳輸。
本發(fā)明用于發(fā)收端實施例如圖5所示，如前面所述，mQAM調(diào)制的星座符號映射可以看作一種無存儲的編碼，把它當作SCCC編碼的內(nèi)碼，與作為外碼的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼構成串行級聯(lián)系統(tǒng)循環(huán)卷積碼SCCC。
在本發(fā)明的實施例中，圖5中的2/3碼率的系統(tǒng)卷積碼是通過有規(guī)律地刪除母碼輸出序列中一定數(shù)量的碼元符號而得到的。母碼采用1/2碼率循環(huán)系統(tǒng)卷積碼(recursive systematic convolutional code，RSC)，有8個狀態(tài)，其分子、分母生成多項式分別為G1(x)＝1+x+x3(分子15Octal)G2(x)＝1+x2+x3(分母13Octal)1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼生成器如圖6所示。一個輸入比特U生成兩個輸出比特信息比特I和校驗比特P。
對上述1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼進行有規(guī)律地刪除，從而有效地提高信道的傳輸效率。在本發(fā)明實施例中，2/3碼率卷積碼采用刪除(鑿孔)卷積碼。把上述1/2碼率的卷積碼序列每4位分為一組，刪除第4位得到刪除卷積碼。
設1/2碼率的碼序列為 則刪除卷積碼為 結(jié)果相當于輸入2比特信息，經(jīng)過此刪除卷積碼后輸出為3比特，即實現(xiàn)了2/3碼率系統(tǒng)循環(huán)卷積碼。
在進行符號星座圖映射之前，要對比特流進行比特隨機交織，比特交織按查表進行。交織器選擇偽隨機交織器，當交織器充分大時，交織前后的碼序列間相關性很小，使糾錯編碼具有近似于隨機長碼的特性，也避免了在迭代解碼時由于相關性強而形成正反饋。同時，交織器改變了碼字的重量分布，使編碼輸出序列中碼字重量的分布盡可能均勻，盡量減少重量很輕或很重的碼字，使產(chǎn)生的碼字具有相對來說非常少的近鄰，也即是說產(chǎn)生的碼字非常分散。
隨機交織后的信號送給后面的mQAM調(diào)制器，完成星座符號映射編碼，此部分看`作本發(fā)明糾錯編碼的內(nèi)碼。
在解碼端，本實施例采用了最大后驗概的迭代解碼(MAP-ID)算法。
首先解調(diào)映射譯碼先開始工作，此時對發(fā)送序列沒有先驗知識，經(jīng)映射解碼計算后，得到外信息LE1k。收到的信息符號序列{xk}和外信息LE1k經(jīng)過一個和發(fā)端一樣的隨機交織器調(diào)整為針對2/3碼率系統(tǒng)卷積碼編碼的順序，隨后送往2/3碼率系統(tǒng)卷積碼解碼器。2/3碼率系統(tǒng)卷積碼解碼器將解調(diào)映射解碼給出的外信息LE1k當作自己對發(fā)送序列的先驗知識完成譯碼，輸出發(fā)送序列的先驗知識和外信息LE2k，完成一次迭代。
LE2k經(jīng)過反交織后再送往解調(diào)映射解碼器，同樣被作為先驗知識，開始新一輪迭代。經(jīng)過若干次迭代或在輸出穩(wěn)定后，給出判決結(jié)果。
因此，在上述最大后驗概的迭代解碼(MAP-ID)過程中，得到軟輸出的符號信息，同時獲得條件概率信息。對于本發(fā)明實施例中的64QAM調(diào)制來講，在經(jīng)過MAP-ID解碼后，可以確定I(和Q)分量所攜帶的3比特信息中的2比特，即從I軸上8個星座點中選出2個，例如如圖7所示的C和D點，最后再由第3個比特確定2個星座點C和E中的哪一個是發(fā)端傳送的。
為了更可靠地判決是C點還是E點，那么這兩點之間的距離越大，則越不容易判錯。因此，那么對于64QAM的第3個bit判決就應該根據(jù)最大歐氏距離準則決定，即64QAM的映射編碼原則應該是在已知2個比特的情況下使相關兩個碼字之間的最小歐氏距離最大化，根據(jù)此原則，得到表3所示的本實施例的64QAM調(diào)制符號星座映射表，及其歐氏距離。從表中可以看到，本實施例的最小歐氏距離為2，而前面所述的自然碼符號映射和格雷碼符號映射如前面的表1和表2所示，它們的最小歐氏距離都為1。
表3 本實施例的64QAM符號映射及其歐氏距離


一個采用本實施例所述方法的地面數(shù)字多媒體電視廣播發(fā)射系統(tǒng)組成框圖如圖8所示。輸入的MPEG TS碼流可以是視頻、音頻、圖形、數(shù)據(jù)等多媒體信息，為了抵抗傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼，TS流首先經(jīng)過RS碼糾錯編碼，然后送給本發(fā)明所述的具有最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼器，調(diào)制器成為數(shù)字QAM調(diào)制信號，再送給OFDM多載波調(diào)制，最后與PN序列等復接后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為合適的模擬信號，射頻RF模塊接收此模擬信號，處理后的結(jié)果送給發(fā)射天線或其它信號發(fā)射機。
一個采用本實施例所述方法的地面數(shù)字多媒體電視廣播接收系統(tǒng)原理性組成框圖如圖9所示。天線或其它信號接收機接收調(diào)制信號，送給下變頻模塊進行頻率變換后，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，然后經(jīng)過OFDM多載波解調(diào)。OFDM解調(diào)后的數(shù)字信號經(jīng)過本發(fā)明所述的具有最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯碼解碼方法處理后，送給后面RS解碼器，最后恢復MPEG TS碼流。
對上述采用本實施例方法的地面數(shù)字多媒體電視廣播接收系統(tǒng)進行的計算機仿真測試，得出下面的結(jié)果，圖10為采用本實施例的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)的計算機仿真性能；圖11為采用自然碼符號映射的系統(tǒng)的計算機仿真性能；圖12為采用格雷碼符號映射的系統(tǒng)的計算機仿真性能。從圖中可以看到，在經(jīng)過4次迭代后，采用本實施例的系統(tǒng)的SNR～BER性能就已經(jīng)變得很好，曲線陡峭，經(jīng)過8次迭代后，SNR～BER曲線變得更加陡峭；而采用格雷符號星座映射的系統(tǒng)的SNR～BER性能最差，不管迭代幾次，其各條曲線基本上都集中在一起，而且下降緩慢；采用自然碼符號映射的系統(tǒng)的SNR～BER性能略好于格雷碼符號映射系統(tǒng)。
在計算機仿真結(jié)果的基礎上，已經(jīng)用FPGA實現(xiàn)了采用本實施例所述方法的地面數(shù)字多媒體電視廣播接收系統(tǒng)的功能樣機。
上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細說明，但本發(fā)明并不限制于上述實施例，在不脫離本申請的權利要求的精神和范圍情況下，本領域的技術人員可作出各種修改或改型，例如2/3碼率系統(tǒng)卷積碼修改為3/4系統(tǒng)卷積碼，64QAM調(diào)制修改為256QAM等，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于，包括以下步驟1)將輸入的數(shù)字信號進行系統(tǒng)卷積碼編碼；2)將系統(tǒng)卷積碼編碼后形成的數(shù)據(jù)進行隨機比特交織處理；3)對隨機交織后的數(shù)據(jù)進行mQAM調(diào)制，其符號星座映射編碼作為級聯(lián)糾錯編碼的內(nèi)碼，符號星座映射關系滿足相關碼字之間的最小歐氏距離最大化。
2.如權利要求1所述的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于所說的mQAM調(diào)制為64QAM調(diào)制，其符號星座映射關系為000→0；101→1；010→2；111→3；100→4；001→5；110→6；011→7。
3.如權利要求1所述的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于所述的系統(tǒng)卷積碼是多種碼率的系統(tǒng)卷積碼。
4.如權利要求3所述的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于，所述的系統(tǒng)卷積碼是2/3碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼。
5.如權利要求4所述的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于，所述的2/3碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼是由1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼鑿孔得到的，把1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼序列每4位分為一組，刪除第4位得到所述的2/3碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼。
6.如權利要求5所述的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于進一步包括所述的1/2碼率的循環(huán)系統(tǒng)卷積碼的分母生成多項式為G1(x)＝1+x+x3，分子生成多項式為G2(x)＝1+x2+x3。
7.如權利要求1所述的最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，其特征在于所述的mQAM調(diào)制為128QAM和256QAM。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種最小歐氏距離最大化的星座映射級聯(lián)糾錯編碼方法，屬于數(shù)字信息傳輸技術領域。本發(fā)明方法包括將輸入的數(shù)字信號進行系統(tǒng)卷積碼編碼，隨后對數(shù)據(jù)進行隨機比特交織處理，然后對數(shù)據(jù)進行mQAM調(diào)制，符號星座映射關系滿足相關碼字之間的最小歐氏距離最大化，其符號星座映射編碼作為級聯(lián)糾錯編碼的內(nèi)碼，與前面的系統(tǒng)卷積碼構成串行級聯(lián)系統(tǒng)卷積碼，提高了編碼碼率，本發(fā)明的符號星座映射關系相比于自然碼和格雷碼映射，只需要有限次的迭代就能得到很好的糾錯性能。
文檔編號H04J11/00GK1430353SQ0310206
公開日2003年7月16日 申請日期2003年1月30日 優(yōu)先權日2003年1月30日
發(fā)明者楊林, 楊知行 申請人:清華大學