專利名稱：抗相位噪聲的幅度相位聯(lián)合鍵控調(diào)制解調(diào)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種抗相位噪聲的幅度相位聯(lián)合鍵控(APSK)調(diào)制解調(diào)方案的具體設計方法，包括信號星座圖構造、星座圖選取、解調(diào)算法和比特映射算法。使用本方法設計的調(diào)制解調(diào)方案，其誤比特性能不僅可在相位噪聲下遠遠優(yōu)于使用了格雷碼的正交幅度調(diào)制(QAM)，而且在只考慮高斯白噪聲時與使用了格雷碼的QAM相比也沒有明顯損失。且該方案的解調(diào)復雜度低，非常適合應用到OFDM數(shù)字廣播等相位噪聲較為嚴重的通信系統(tǒng)中。又因為本發(fā)明簡便易行，很容易拓展到任何階數(shù)的抗相位噪聲APSK調(diào)制解調(diào)方案設計。

背景技術：
為了在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信的同時節(jié)省寶貴的帶寬資源，高階APSK的調(diào)制方式得到了廣泛的應用。這其中QAM因其結構規(guī)整和解調(diào)容易，更是成為了當前主流的調(diào)制解調(diào)方式。但是因為高階APSK星座圖的分布比起低階的情況更為緊密，它對各種噪聲的干擾就更為敏感。這里除了高斯白噪聲外，多普勒效應、多徑衰落、射頻前端非線性等因素還將在解調(diào)信號星座點上引入一個相位噪聲，如果不妥善處理將使得高階APSK系統(tǒng)的誤碼性能迅速惡化。而對于QAM，當相位噪聲較大時即使采用非常大的信噪比進行信號傳輸，其誤碼率仍可能無法接受。在當前廣泛采用的OFDM通信系統(tǒng)中，因存在更多引起相位噪聲的因素諸如采樣頻偏等，這個問題會更加嚴重(見文獻Pollet，T.，Spruyt，P.，Moeneclaey，M.，“The BER performanceof OFDM systems using non-synchronized sampling，”Proc.IEEE GLOBECOM，vol.1，pp.253-257，1994.)。于是為了保證系統(tǒng)性能，性能優(yōu)良的射頻前端以及高精度的采樣頻偏糾正算法、頻偏估計和糾正算法、相位均衡算法等補償算法就變得很有必要，這無疑會增加接收機成本和實現(xiàn)的復雜度。所以為了在保證系統(tǒng)誤碼性能的同時降低對接收機的要求，設計相位噪聲下魯棒性能高的高階APSK調(diào)制解調(diào)方案就會很有意義。
但是針對這個問題，相關的文獻卻很有限。這其中，有的文獻提出了抗相位噪聲的信號星座圖設計方法，但是得到的星座圖分布卻極其不規(guī)則(詳見文獻G.J.Foschini，R.D.Gitlin，and S.B.Weinstein，″On the selection of a two-dimensional signal constellation in the presence ofphase jitter and Gaussian noise，″BSTJ，vol.52，no.6，pp.927-967，July-August，1973；和文獻B.W.Kernighan and S.Lin，″Heuristic solution of a signal design optimization problem，″BSTJ，vol.52，no.7，pp.1145-1159，September，1973.；以及文獻K.Pahlavan，″Nonlinear Quantization and thedesign of coded and uncoded signal constellations，″IEEE Trans.Commun.，vol.39，no.8，pp.1207-1215，August，1991)。這樣在解調(diào)時如果用規(guī)則圖形近似各個星座點的解調(diào)區(qū)域，造成的誤差將會非常大；如果不劃分解調(diào)區(qū)域而直接計算接收信號與符號集中各個星座點的歐式距離，則解調(diào)的復雜度將又非常之高。所以雖然這些星座圖結構確實在相位噪聲下有很高的魯棒性能，卻仍不能應用于實際的接收機中。除此之外，有一項專利針對相位噪聲提出了一種可以方便解調(diào)的64點星座圖結構(Hulyalkar，Samir N，“64 QAM signal constellation which isrobust in the presence of phase noise and has decoding complexity，”U.S.Patent，No.5832041(Nov.3，1998).)，它在相位噪聲下的誤符號性能雖然比起QAM已有明顯改善，但是仍有很大的上升余地，而且在無相位噪聲時它的誤符號性能單就理論值就已明顯差于QAM，考慮到實際解調(diào)的影響，這個損失還將進一步加大。又因為沒有同時提出可以依據(jù)的設計方法，該專利也無法應用于其它階數(shù)比如128點星座圖的設計。
另外，在當今幾乎所有的相關文獻中，針對相位噪聲的調(diào)制方案設計都只停留在了星座圖結構的優(yōu)化方面，用來比較的也只有“誤符號率”這一項指標。但是考慮到實際應用，“誤比特率”這個指標才能更直接的反映一個系統(tǒng)誤碼性能的優(yōu)劣。即除了星座圖結構，同樣會影響系統(tǒng)最終誤比特性能的“比特映射方式”也是構成一個完整調(diào)制解調(diào)方案不可或缺的部分。但除了QAM這個極為規(guī)整的結構可以方便的使用格雷碼進行映射外，其它結構的星座圖卻很難完全按照格雷碼進行映射。于是如何在保證了“誤符號性能”的星座圖中盡量模擬格雷碼進行比特映射，成為了最終保證系統(tǒng)誤比特性能的關鍵。但在當今文獻中，關于這個比特映射方式的研究工作卻幾乎還是空白。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對相位噪聲提出了一套完整的高階APSK調(diào)制解調(diào)方案設計方法，包括“圓形星座圖構造方法”、“特定指標下圓形星座圖的選擇方法”、“扇環(huán)形解調(diào)方法”以及針對圓形星座圖而設計的“模擬格雷碼的比特映射算法”。使用該方法設計得到的調(diào)制解調(diào)方案，其誤比特性能不僅在相位噪聲下可以遠遠優(yōu)于使用了格雷碼的QAM，而且在高斯白噪聲下還達到了與使用格雷碼的QAM相當?shù)乃?。且解調(diào)方法可靠性高、復雜度低，這種調(diào)制解調(diào)方案非常適合應用于實際的通信系統(tǒng)中。
本發(fā)明的特征在于，所述方法是在計算機中依次按照以下步驟實現(xiàn)的 步驟(1)構造64點圓形星座圖，其步驟如下 步驟(1.1)設定要構造的圓形星座圖的環(huán)數(shù)L，i為環(huán)的序號， 步驟(1.2)設定各個環(huán)i上的星座點的個數(shù)Ni，且N1，N2…，NL需要滿足N1+N2+…NL＝64， 步驟(1.3)按下式求解各環(huán)半徑R1，R2…RL 步驟(1.4)從R1到RL按以下步驟順序處理 步驟(1.4.1)若R2-R1＜1，則使R2＝R1+1，否則不更新R2， 步驟(1.4.2)按步驟(1.4.1)所述方法處理R3和R2的關系，一直到RL為止， 步驟(1.5)把各個環(huán)i上的Ni個星座點均勻分布在半徑為Ri的環(huán)上，其初始相位取為π/Ni，構成一個64點圓形星座圖，記作環(huán)序列N1，N2，…，NL； 步驟(2)選擇相位噪聲下平均誤符號性能滿足設定需要的圓形星座圖，其步驟如下 步驟(2.1)將星座圖的平均功率歸一化，即按照下式對各個星座點Sn進行處理 n＝1，…64，S′n為更新值， 步驟(2.2)按下式計算星座圖在設定高斯白噪聲和相位噪聲下的平均誤符號率Pe(SNR，θ) 其中，SNR為高斯白噪聲下的信噪比， θ為相位噪聲下的星座點旋轉(zhuǎn)角度， ST為發(fā)射的復數(shù)信號，已知值， SR為ST被誤判為的信號，已知值， P(SR|ST)為SR被誤判為ST的概率， N0為高斯白噪聲平均功率的1/2， 步驟(2.3)為了兼顧星座圖在高斯白噪聲和相位噪聲下的誤符號性能，用下面的加權函數(shù)F對星座圖進行選擇 F＝WG×Pe(0，SNR)+WP×Pe(θ*，SNR) 其中，WG為高斯白噪聲下誤符號性能的權重，設定值， WP為相位噪聲下誤符號性能的權重，設WP＝1， SNR為高斯白噪聲下的信噪比，設定值， θ*為相位噪聲下的星座點旋轉(zhuǎn)角度，設定值； 步驟(3)在設定的扇環(huán)形解調(diào)區(qū)域內(nèi)，對接收信號z進行解調(diào)，而被誤判為的星座點SR即位于該解調(diào)區(qū)域的中心，所選扇環(huán)區(qū)域要滿足以下條件 內(nèi)環(huán)邊界r1＝(R1+R2)/2， 外環(huán)邊界r2＝(R2+R3)/2 其中，R2為圓形星座圖上SR所在環(huán)的半徑，R1為圓形星座圖上小于SR所在環(huán)的相鄰環(huán)半徑，R3為圓形星座圖上大于SR所在環(huán)的相鄰環(huán)半徑， 扇環(huán)的兩條直線邊界則分別平分SR所在環(huán)上連接SR和其相鄰點的圓弧， 步驟(3.1)計算接收信號z的幅度，用以確定該接收信號對應于星座圖的哪一個環(huán)， 步驟(3.2)計算接收信號z的相位余弦值，并結合z所在象限，判斷該信號對應于步驟(3.1)所述那一個環(huán)上的哪一個星座點； 步驟(4)對于圓形星座圖按照下述接近于格雷碼的方式進行比特串到符號的映射，其步驟如下 步驟(4.1)對64點方形QAM星座圖采用格雷碼映射方式，將星座點及其對應的比特表示式分別依次存貯為兩個矩陣A_QAM和B_QAM，再將圓形星座圖存為矩陣A_circle，并定義一個空矩陣B_circle用于存放接下來得到的與A_cirlce對應的比特表達式， 步驟(4.2)從各環(huán)上的初始相位點開始逆時針旋轉(zhuǎn)，并按照從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的順序重復以下步驟進行處理 步驟(4.2.1)每走到一個星座點p_circle時，計算該點與A_QAM中所有點的距離，找出最近的一個，記為p_qam， 步驟(4.2.2)從B_QAM中讀出與p_qam對應的比特表達式，并作為p_circle的比特表達式存貯到矩陣B_circle中的相應位置， 步驟(4.2.3)把p_qam從A_QAM中刪除。并使用這個新的A_QAM返回步驟(4.2.1)進行下個星座點的映射，直到圓形星座圖上的所有星座點都映射完畢。
本發(fā)明的優(yōu)點在于首先，由本發(fā)明設計得到的64點圓形星座圖的誤符號性能極為優(yōu)異。其理論值不僅在相位噪聲為0.1rad時分別遠遠超過QAM和現(xiàn)有專利5.5dB和1.5dB，而且在只考慮高斯白噪聲的情況下相比QAM也沒有任何損失；其次，針對圓形星座圖的解調(diào)方法不僅可靠性高而且復雜度低，非常適合在實際接收機內(nèi)實現(xiàn)。雖然考慮到解調(diào)區(qū)域做的扇環(huán)形近似，其實際解調(diào)后的誤符號率在單純的高斯白噪聲下比起理論值約有0.2dB的微小損失，但相比該星座圖在相位噪聲下誤符號性能的明顯改善，這個微小的損失可以忽略不計；另外，本發(fā)明針對圓形星座圖提出的模擬格雷碼的比特映射算法進一步在“誤比特率”這個指標上保證了系統(tǒng)的誤碼性能。配合使用本發(fā)明得到的64點圓形星座圖，該調(diào)制解調(diào)方案的實際誤比特性能不僅在相位噪聲為0.1時較之使用了格雷碼的QAM約有5dB的明顯改善，而且在單純的高斯白噪聲下比起格雷碼QAM也只有0.3dB的微小損失，這其中0.2dB來自解調(diào)區(qū)域扇環(huán)近似帶來的損失，0.1dB來自對圓形星座圖無法實施完全的格雷碼映射帶來的損失。最后，本發(fā)明的星座圖設計方法和比特映射算法實施簡單，很容易拓展到其它階數(shù)如128點APSK調(diào)制解調(diào)方案的設計。



圖1.是在相位噪聲下的信號誤判場景。其中ST為發(fā)射信號；S′T為ST在相位噪聲下旋轉(zhuǎn)θ后得到的信號；z為S′T在疊加了高斯白噪聲后的信號；SR為接收端對z進行解調(diào)后誤判為的信號；Ri為SR的解調(diào)區(qū)域；半平面R′i(陰影部分)為對Ri的放大，目的是為了得到誤符號率的解析表達式。XY坐標系為原信號平面；XrYr坐標系是為了計算誤符號率而引入的坐標平面，其中Xr軸平行于向量SR-ST。
圖2.是按照“選取標準函數(shù)”從5環(huán)的圓形星座圖中挑選出的(4，10，15，17，18)圓形星座圖結構。
圖3.是圓形星座圖的扇環(huán)形解調(diào)區(qū)域示意圖。
圖4.是本發(fā)明的調(diào)制方案設計流程圖，以及摘要附圖。
圖5.是對(4，10，15，17，18)圓形星座圖使用模擬格雷碼的比特映射算法得到的比特映射方案。

具體實施例方式 本發(fā)明提出的抗相位噪聲高階APSK調(diào)制解調(diào)方案設計方法主要有4個部分構成，分別是圓形星座圖構造，圓形星座圖選擇，解調(diào)算法和比特映射算法。這里針對64點調(diào)制方式，對各個部分的設計分別詳述如下 1.64點圓形星座圖的構造方法 我們希望得到圓形星座圖不僅要在相位噪聲下表現(xiàn)出色，而且還要保證其在高斯白噪聲下的誤碼性能。于是我們遵循的步驟是先構造出高斯白噪聲下性能良好的圓形星座圖，再按照下面介紹的星座圖選擇方法從這些圓形星座圖中挑選出相位噪聲下魯棒性能高的結構。針對高斯白噪聲，曾有文獻提出了一種圓形星座圖的構造方法(見文獻Luca Guigno，MarcoLuise，Vincenzo Lottici.，”Adaptive Pre-and Post-Compensation of Nonlinear Distortions forHigh-Level Data Modulations，”IEEE.Trans.Wireless Commun.，vol.3，pp.1490-1495，2004.)。該構造方法的核心思想是在平均功率限制下，使各個星座點間的距離盡量保持相等。并且指出其中的最優(yōu)解即為星座點間最小歐式距離(MED)最大的星座圖結構，也即為該構造方法下得到的在高斯白噪聲下性能最好的圓形星座圖。但是因為該方法更為關心的只是圓形星座圖幅度變化范圍小的特點，對64點星座圖就只考慮了4環(huán)情況。而且因為該方法的實現(xiàn)需要求解一個方程組，復雜度高，非常不適合擴展到更多環(huán)數(shù)如5、6、7環(huán)和更高階數(shù)如128點星座圖的構造。于是我們設計了一種全新的圓形星座圖構造方法，不僅可以構造出高斯白噪聲下性能優(yōu)良的星座圖結構，更因為算法本身不用求解方程組，復雜度很低，可以很便利的應用于更多壞數(shù)的圓形星座圖構造，從而能夠為得到相位噪聲下魯棒性能高的星座圖結構的提供更多的選擇機會。該方法的核心思想即在保持星座點圖的MED為常數(shù)的約束下構造圓形星座圖，其中平均功率較小者即為高斯白噪聲下性能較好的解。該算法的描述如下 1)設定要構造的圓形星座圖的環(huán)數(shù)L； 2)按照下面的約束條件設置各個環(huán)上的點數(shù)N1，N2，...，NL； N1+N2+…NL＝64 (1) 3)為了保證各個環(huán)上的MED為常數(shù)1，按照下式求解各環(huán)半徑 4)為了保證相鄰環(huán)之間的MED為1，需要從R1到RL按照順序進行如下處理如果R2-R1＜1，則更新R2＝R1+1，否則不更新R2；然后判斷R3和R2的關系，并作相同處理，并以此類推到RL； 5)求出各環(huán)半徑后，在第i個環(huán)上均勻分布Ni個星座點，并將其初始相位設置為π/N1，以此類對到所有的環(huán)上，最終構成這個圓形星座圖并記做(N1，N2，...，NL)。
遍歷所有的N1，N2，...，NL組合，即可構造出所有L環(huán)的64點圓形星座圖中，其中平均功率較小者即為高斯白噪聲下性能較好的解。下一步即可按照我們的星座圖選擇方法，從這些圓形星座圖中選取出相位噪聲下誤符號性能好的結構。
2.圓形星座圖的選擇方法 我們知道，對于平均功率較大的星座圖結構，因其分布更加分散，相同的噪聲功率造成的誤符號率顯然會低很多，但在相同信噪比下其性能卻不一定好。所以為了公平的比較各個星座圖結構的誤符號性能，我們需要對星座圖的平均功率進行歸一化，即對圓形星座圖中每一個星座點Sn進行如下處理 接下來為了進行星座圖選擇，我們還需要結合圖1推導出在相位噪聲下的誤符號解析式。設ST發(fā)射卻被誤判為SR的概率為P(SR|ST)，SR的實際解調(diào)區(qū)域為Ri，為了得到這個錯誤概率的解析表達式，將Ri放大到半平面R′i如圖1中陰影區(qū)域所示。設高斯白噪聲的平均功率為2N0，這個錯誤概率即可按照(4)來計算。

經(jīng)過積分和向量運算，可得到該錯誤概率的解析表達式如(5)所示。
再假設信號符號集中的每個符號等概率發(fā)送，則可以得到該星座圖結構的平均誤符號率如(6)所示。這里SNR表示高斯白噪聲下的信噪比，θ代表相位噪聲大小。又因為由(3)可知星座圖的平均功率為1，所以(5)中的N0可以用N0＝1/2SNR來計算。
雖然該解析表達式是在放大了積分區(qū)域的前提下得到的，但仿真表明，使用(5)(6)計算得到的誤符號率與實際統(tǒng)計得到的誤符號率非常接近，即該解析表達式是很可靠的。接下來，我們基于(5)(6)提出在選擇圓形星座圖時使用的“選擇標準函數(shù)”。很明顯，如果我們希望在步驟1中構造出來的圓形星座圖中選擇出高斯白噪聲下性能最好的結構，我們只需要選擇出Pe(SNR，θ＝0)最小的解即可；而如果我們更關心在相位噪聲為θ*下性能較好的解，則需要選擇出Pe(SNR，θ＝θ*)較小的結構。但是如果要兼顧高斯白噪聲和相位噪聲下的性能，我們提出使用下面這個加權函數(shù)進行星座圖的選擇。
F＝WG×Pe(0，SNR)+WP×Pe(θ*，SNR)(7) 這里WG，WP分別代表高斯白噪聲和相位噪聲下誤符號性能的權重。而關于參數(shù)的設置則可以根據(jù)具體使用場合靈活選擇。比如從仿真來看，當相位噪聲為0.1rad時QAM的性能非常惡劣，于是我們?yōu)榱吮ＷC在這個相位噪聲下依然能保證系統(tǒng)性能，此處將(7)中的θ*設置為0.1；而SNR的選擇則更為自由，因為從仿真來看，相同點數(shù)的不同星座圖其誤符號率曲線很少出現(xiàn)相交的情況，除非兩者非常接近。所以我們可以分別在各條誤符號率曲線上都選取SNR為某個常數(shù)的一點，來代表各條曲線的相互位置關系。這里我們設置SNR為26dB。而WG和WP的選擇則可根據(jù)我們對星座圖性能的具體要求-即究竟是更看中星座圖在相位噪聲下的性能而允許在單純的高斯白噪聲下有一定損失，還是更希望在獲取相位特性一定改善的同時兼顧在單純高斯白噪聲下的性能。這里我們選擇兼顧兩者，則相應的將WP設置為1，WG設置為500。于是我們對構造出來的5環(huán)星座圖進行選擇，得到的星座圖結構如圖2所示。其結構信息如表1所示。
表1.星座圖結構信息
仿真證明，該圓形星座圖的誤符號性能非常出色。其誤符號率理論值不僅在相位噪聲達到0.1rad時分別遠遠優(yōu)于QAM和現(xiàn)有專利5.5dB和1.5dB，而且比現(xiàn)有專利更好的是，該星座圖在單純的高斯白噪聲下相較QAM沒有任何性能損失。
3.解調(diào)算法 接下來結合圖3描述一下圓形星座圖解調(diào)區(qū)域的劃分準則。對于圖3中的信號SR，我們定義陰影部分的扇環(huán)為其解調(diào)區(qū)域，且要滿足內(nèi)環(huán)邊界r1＝(R1+R2)/2，外環(huán)邊界r2＝(R2+R3)/2，其中，R2為圓形星座圖上SR所在環(huán)的半徑，R1為圓形星座圖上小于SR所在環(huán)的相鄰環(huán)半徑，R3為圓形星座圖上大于SR所在環(huán)的相鄰環(huán)半徑；兩條直線邊界ejθ1和ejθ2則平分SR所在環(huán)上用來連接SR和其相鄰信號點的圓弧。對于其它星座點的解調(diào)區(qū)域構成以此類推。雖此解調(diào)區(qū)域的形狀也曾在以往文獻中有所提及(見文獻G.J.Foschini，R.D.Gitlin，and S.B.Weinstein，″On the selection of a two-dimensional signal constellation in the presence ofphase jitter and Gaussian noise，″BSTJ，vol.52，no.6，pp.927-967，July-August，1973)，但并末給出相應的解調(diào)算法。下面介紹一下我們所采用的解調(diào)流程 1)首先計算接收信號點的幅度，并由此判斷該信號點應該屬于哪個環(huán)； 2)再由該信號點的相位判斷該信號點對應此環(huán)上的哪個星座點。
考慮到相位計算的不方便，我們在第2)步中可以利用信號相位的余弦值以及信號所處的象限來判斷它屬于該環(huán)上的哪一個扇環(huán)形解調(diào)區(qū)域內(nèi)。于是，解調(diào)過程只需要一次幅度計算，一個比值計算，其它的硬件開銷則主要集中在比較器上，實現(xiàn)復雜度都較低。且因為可供我們選擇的圓形星座圖有很多，我們還可以特別選擇出性能良好且更加對稱的結構，從而減少比較器數(shù)目以使得復雜度進一步降低。而且這種解調(diào)方法可靠性很高，雖然因為不能完全按照“歐式距離最近”的準則進行解調(diào)局域劃分，實際解調(diào)后的誤符號率比起理論值有所損失在所難免，但仿真證明，對圓形星座圖解調(diào)區(qū)域使用的扇環(huán)形近似導致的這個損失卻很小，大約只有0.2dB左右?？紤]到該星座圖相位特性的明顯改善，這個微小的損失可以忽略不計。
4.模擬格雷碼的比特映射算法 QAM因其規(guī)整的星座圖結構，可以非常方便的采用格雷碼(Gray code)方式進行比特串到符號的映射，使得相鄰符號點的不同比特數(shù)只有1個。而對于其它形狀的星座圖要采用完全的格雷碼映射方式往往是不可能的。而且當星座圖階數(shù)較高時，試圖本著“減少相鄰符號點的不同比特數(shù)”的原則手工進行比特到符號的映射，不僅工作量可觀而且很難達到良好的映射效果。這里，我們針對圓形星座圖提出一種模擬格雷碼的比特映射算法。其核心思想是利用了“圓形星座圖和QAM在結構上天然的相似性”以及“QAM可以方便進行格雷碼映射”的優(yōu)點。算法描述如下 1)對QAM采用格雷碼映射方式，將星座點及其對應的比特表示式分別存貯為兩個矩陣A_QAM，B_QAM。將圓形星座圖存為矩陣A_circle，并定義一個空矩陣B_circle用來存放接下來得到的與A_cirlce對應的比特表達式； 2)從各環(huán)上的初始相位點開始逆時針旋轉(zhuǎn)，并按照從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的順序重復以下步驟進行處理 2.1)每走到一個星座點p_circle時，計算該點與A_QAM中所有點的距離，找出最近的一個，記為p_qam， 2.2)從B_QAM中讀出與p_qam對應的比特表達式，并作為p_circle的比特表達式存貯到矩陣B_circle中的相應位置， 2.3)將p_qam在A_QAM中刪除。目的是防止p_qam再次被圓上除了p_circle之外的其它點使用。刪除方法可以簡單的將p_qam設置為一個很大的數(shù)值比如1000，這樣在圓上就不可能存在其它點離這個新的p_qam最近了； 3)使用更新后的A_QAM，跳轉(zhuǎn)到第2.1)步。直到圓形星座圖上的所有點都映射完畢。
仿真證明針對圓形星座圖，使用該算法得到的比特映射方案在單純的高斯白噪聲下比起其它的隨機映射方案可以有0.4dB誤比特性能的改善。于是從根本上保證了系統(tǒng)的誤碼性能。對我們選出的(4，10，15，17，18)圓形星座圖使用這個比特映射算法得到的映射方案如圖5所示。這種調(diào)制解調(diào)方案在單純高斯白噪聲下的理論誤比特性能較之使用了格雷碼的QAM只有約0.1dB的微小損失。再考慮到扇環(huán)形解調(diào)區(qū)域帶來的0.2dB的損失，最后解調(diào)和解映射后的實際誤比特性能在單純高斯白噪聲下比起格雷碼QAM大約也共只有0.3dB的微小損失。與此同時，以10-3的誤比特率為參考點，該調(diào)制解調(diào)方案在相位噪聲為0.1rad時的實際誤比特性能較之格雷碼QAM約有5dB的明顯改善。可見，這種調(diào)制解調(diào)方案不但在單純高斯白噪聲下具有良好的誤比特性能，在相位噪聲下的魯棒性能也非常之高。
權利要求
1.抗相位噪聲的幅度相位聯(lián)合鍵控調(diào)制解調(diào)方法，其特征在于，所述方法是在計算機中依次按以下步驟實現(xiàn)的
步驟(1)構造64點圓形星座圖，其步驟如下
步驟(1.1)設定要構造的圓形星座圖的環(huán)數(shù)L，i為環(huán)的序號，
步驟(1.2)設定各個環(huán)i上的星座點的個數(shù)Ni，且N1，N2，…，NL需要滿足N1+N2+…NL＝64，
步驟(1.3)按下式求解各環(huán)半徑R1，R2…RL
步驟(1.4)從R1到RL按以下步驟順序處理
步驟(1.4.1)若R2-R1＜1，則使R2＝R1+1，否則不更新R2，
步驟(1.4.2)按步驟(1.4.1)所述方法處理R3和R2的關系，一直到RL為止，
步驟(1.5)把各個環(huán)i上的Ni個星座點均勻分布在半徑為Ri的環(huán)上，其初始相位取為π/Ni，構成一個64點圓形星座圖，記作環(huán)序列N1，N2，…，NL；
步驟(2)選擇相位噪聲下平均誤符號性能滿足設定需要的圓形星座圖，其步驟如下
步驟(2.1)將星座圖的平均功率歸一化，即按照下式對各個星座點Sn進行處理
n＝1，…64，S′n為更新值，
步驟(2.2)按下式計算星座圖在設定高斯白噪聲和相位噪聲下的平均誤符號率Pe(SNR，θ)
其中，SNR為高斯白噪聲下的信噪比，
θ為相位噪聲下的星座點旋轉(zhuǎn)角度，
ST為發(fā)射的復數(shù)信號，已知值，
SR為ST被誤判為的信號，已知值，
P(SR|ST)為SR被誤判為ST的概率，
N0為高斯白噪聲平均功率的1/2，
步驟(2.3)為了兼顧星座圖在高斯白噪聲和相位噪聲下的誤符號性能，用下面的加權函數(shù)F對星座圖進行選擇
F＝WG×Pe(0，SNR)+WP×Pe(θ*，SNR)，
其中，WG為高斯白噪聲下誤符號性能的權重，設定值，
WP為相位噪聲下誤符號性能的權重，設WP＝1，
SNR為高斯白噪聲下的信噪比，設定值，
θ*為相位噪聲下的星座點旋轉(zhuǎn)角度，設定值；
步驟(3)在設定的扇環(huán)形解調(diào)區(qū)域內(nèi)，對接收信號z進行解調(diào)，而被誤判為的星座點SR即位于該解調(diào)區(qū)域的中心，所選扇環(huán)區(qū)域要滿足以下條件
內(nèi)環(huán)邊界r1＝(R1+R2)/2，
外環(huán)邊界r2＝(R2+，R3)/2
其中，R2為圓形星座圖上SR所在環(huán)的半徑，R1為圓形星座圖上小于SR所在環(huán)的相鄰環(huán)半徑，R3為圓形星座圖上大于SR所在環(huán)的相鄰環(huán)半徑，
扇環(huán)的兩條直線邊界則分別平分SR所在環(huán)上連接SR和其相鄰點的圓弧，
步驟(3.1)計算接收信號z的幅度，用以確定該接收信號對應于星座圖的哪一個環(huán)，
步驟(3.2)計算接收信號z的相位余弦值，并結合z所在象限，判斷該信號對應于步驟(3.1)所述那一個環(huán)上的哪一個星座點；
步驟(4)對于圓形星座圖按照下述接近于格雷碼的方式進行比特串到符號的映射，其步驟如下
步驟(4.1)對64點方形QAM星座圖采用格雷碼映射方式，將星座點及其對應的比特表示式分別依次存貯為兩個矩陣A_QAM和B_QAM，再將圓形星座圖存為矩陣A_circle，并定義一個空矩陣B_circle用于存放接下來得到的與A cirlce對應的比特表達式，
步驟(4.2)從各環(huán)上的初始相位點開始逆時針旋轉(zhuǎn)，并按照從內(nèi)環(huán)到外環(huán)的順序重復以下步驟進行處理
步驟(4.2.1)每走到一個星座點p_circle時，計算該點與A_QAM中所有點的距離，找出最近的一個，記為p_qam，
步驟(4.2.2)從B_QAM中讀出與p_qam對應的比特表達式，并作為p_circle的比特表達式存貯到矩陣B_circle中的相應位置，
步驟(4.2.3)把p_qam從A_QAM中刪除。并使用這個新的A_QAM返回步驟(4.2.1)進行下個星座點的映射，直到圓形星座圖上的所有星座點都映射完畢。
全文摘要
抗相位噪聲的幅度相位聯(lián)合鍵控調(diào)制解調(diào)方法屬于調(diào)制解調(diào)技術領域，其特征在于，首先利用圓形星座圖構造方法和圓形星座圖選擇方法，設計出誤符號性能優(yōu)良的星座圖結構；其次，利用本發(fā)明提出的比特映射算法，解決了除正交幅度調(diào)制(QAM)外的其它星座圖難以進行格雷碼映射的困難，保證了該方案的誤比特性能，再配合使用可靠性高且復雜度低的解調(diào)方案，其實際誤比特性能不僅在相位噪聲下遠遠優(yōu)于使用格雷碼的QAM，而且在只考慮高斯白噪聲時與格雷碼QAM相比也無明顯損失；最后，本發(fā)明提出的設計方法簡單易行，容易拓展到任何階數(shù)，便于應用到全球數(shù)字廣播等相位噪聲嚴重的通信系統(tǒng)中，以期望在保證系統(tǒng)誤碼性能的同時降低接收機成本和復雜度。
文檔編號H04L27/26GK101340412SQ20081011227
公開日2009年1月7日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權日2008年5月22日
發(fā)明者徐淑正, 陽 李, 楊華中 申請人:清華大學