專利名稱：基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法、解調(diào)解碼方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信息傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多維星座映射的編碼調(diào)制方 法、解調(diào)解碼方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
數(shù)字通信系統(tǒng)，特別是無線通信系統(tǒng)的根本任務(wù)是利用有限帶寬提供數(shù)字信息的 高速、高效的無誤傳輸。為了適應(yīng)數(shù)字信息在常見模擬信道下的傳輸需求，信道編碼技術(shù)通 常需要與數(shù)字調(diào)制技術(shù)結(jié)合。編碼調(diào)制技術(shù)是實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)根本任務(wù)的有效方法和重 要手段。信道編碼與調(diào)制的結(jié)合構(gòu)成編碼調(diào)制系統(tǒng)，它是數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射端的子系統(tǒng)，也 是其核心模塊之一，對應(yīng)的編碼調(diào)制技術(shù)也是數(shù)字通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。與編碼調(diào)制系統(tǒng) 相對應(yīng)，解調(diào)和信道解碼的結(jié)合構(gòu)成數(shù)字通信系統(tǒng)接收端的解調(diào)解碼系統(tǒng)，對應(yīng)的解調(diào)解 碼技術(shù)也是數(shù)字通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。一般來說，信道編碼是針對無記憶信道設(shè)計和優(yōu)化的，為了適應(yīng)接收端的信道解 碼，提高編碼調(diào)制系統(tǒng)的分集階數(shù)(Diversity Order)，最常見的手段是采用交織技術(shù)使得 輸入解調(diào)器和解碼器的信息體現(xiàn)出近似無記憶特性。所謂調(diào)制，表示對輸入數(shù)據(jù)或信號進行變換處理，以得到適于信道傳輸?shù)男盘枺?包括各種模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制技術(shù)。對典型的數(shù)字通信系統(tǒng)，數(shù)字調(diào)制技術(shù)主要包括星 座映射技術(shù)以及后續(xù)處理技術(shù)，如多載波調(diào)制技術(shù)和成型濾波技術(shù)。所謂星座映射，就是 將攜帶數(shù)字信息的有限域“比特”序列映射成適于傳輸?shù)摹胺枴毙蛄小Ｃ總€符號的取值 空間可以是一維實數(shù)空間、二維實數(shù)空間(即復(fù)數(shù)空間或復(fù)數(shù)平面)、或更高維的實數(shù)空 間(例如多天線MIMO系統(tǒng)信號傳輸對應(yīng)的空間)。星座映射包含兩個要素，即星座圖和 星座點映射方式。星座圖代表星座映射輸出符號的所有取值組成的集合，其中，星座圖的 每個點對應(yīng)輸出符號的一種取值。星座點映射方式代表輸入比特(組)到星座點的特 定映射關(guān)系，或者星座點到比特(組)的特定映射關(guān)系，通常每個星座點與一個比特或 多個比特組成的比特組一一對應(yīng)。目前最為常見以及實用的復(fù)數(shù)空間的星座圖主要有 QAM (QuadratureAmplitude Modulation,) > PSK (Phase Shift Keying, 鍵控)、和APSK(Amplitude-Phase Shift Keying，幅度相移鍵控)調(diào)制技術(shù)；實數(shù)空間的星 座圖主要為PAM(Pulse AmplitudeModulation，脈沖幅度調(diào)制)。在接收端的解碼解調(diào)系統(tǒng) 中，對應(yīng)星座映射的是星座解映射，簡稱解映射。通常，星座解映射依據(jù)星座圖和星座點映 射方式，結(jié)合信道狀態(tài)信息得到對應(yīng)接收符號的一個或多個比特的比特軟信息。衡量編碼調(diào)制技術(shù)的一個根本指標(biāo)是給定頻譜效率和差錯控制目標(biāo)的條件下， 所需信噪比門限距離信息論界的差距。頻譜效率通常以星座圖M維實數(shù)空間的每一維能傳 輸?shù)挠行畔⒈忍乇硎?，例如，對于不加信道編碼的傳統(tǒng)64QAM系統(tǒng)，其頻譜效率為3比特/ 符號/維度，其中，每星座符號由兩維實數(shù)組成，可攜帶6比特信息。差錯控制目標(biāo)通常以 比特錯誤率或者碼字錯誤率(又稱誤塊率)表示。信息論界通常以達到無誤傳輸所需的最 低信噪比表示。根據(jù)信息論基本知識，對于給定的編碼調(diào)制系統(tǒng)以及給定的信道條件，信息論界(假設(shè)以信噪比表示)是頻譜效率的單調(diào)遞增函數(shù)，由頻譜效率唯一確定。編碼調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)理論是香農(nóng)信息論，主要是點對點的單用戶信息論，其核 心思想是從互信息最大化的角度來看，在加性白高斯噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道下，當(dāng)發(fā)射功率受限時，只有當(dāng)編碼調(diào)制系統(tǒng)的輸出滿足白高斯分布時， 才能達到信道容量。同時信息論中信道編碼定理指出，只要傳信率小于信道容量，則必然存 在無誤傳輸?shù)木幋a調(diào)制系統(tǒng)。然而基礎(chǔ)理論只解決編碼調(diào)制的存在性問題，如何構(gòu)造一個 逼近極限的切實可行的編碼調(diào)制系統(tǒng)是數(shù)十年來通信領(lǐng)域一直努力追求的目標(biāo)。對典型的功率和帶寬均受限制的惡劣傳輸信道，如寬帶無線移動通信和地面數(shù)字 廣播系統(tǒng)的傳輸信道，編碼調(diào)制技術(shù)是傳輸可靠性和系統(tǒng)頻譜效率的重要保證，因此，最新 的寬帶無線移動通信和地面數(shù)字廣播系統(tǒng)采用的作為工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的編碼調(diào)制技術(shù)代表了 當(dāng)前實際應(yīng)用的編碼調(diào)制技術(shù)的最高水平。歐洲第二代地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-T2) 采用了低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check, LDPC)編碼技術(shù)、比特交織技術(shù)、和 高階QAM調(diào)制技術(shù)(包括星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)和IQ交織技術(shù))；歐洲第二代衛(wèi)星數(shù)字電視廣播標(biāo) 準(zhǔn)(DVB-S》采用了比特交織技術(shù)、LDPC編碼技術(shù)、和高階APSK調(diào)制技術(shù)；3GPP組織的LTE V8. 1提案采用了 Turbo編碼技術(shù)、比特交織技術(shù)、和高階QAM調(diào)制技術(shù)。在學(xué)術(shù)界，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，編碼調(diào)制技術(shù)取得了長足發(fā)展，最為典型的 當(dāng)數(shù)G. Ungerboeck提出網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis CodedModulation, TCM)，參見文獻 G. Ungerboeck. “Channel coding withmultilevel phase signals.，，IEEE Trans. Inform. Theory, no. 28，pp55_67，1982.)，以及 E. Zehavi 提出的比特交織編碼調(diào)制 (Bit-InterleavedCoded Modulation，BICM)，參見文獻 E. Zehavi，"8PSK trellis codes fora Rayleigh channel,“ IEEE Trans. Commun.，vol.40, no.5, pp. 873-884, May 1992。 TCM通過最大化歐氏距離，使得其在AWGN信道下性能表現(xiàn)優(yōu)異，但是在衰落信道下并不 理想；而BICM則剛好相反，其在AWGN信道下較TCM有所損失，但在衰落信道下有不俗的 表現(xiàn)。接收端迭代解映射和解碼的BICM系統(tǒng)，即BICM-ID系統(tǒng)(BICM withlterative Demapping and Decoding，簡稱BICM-ID)由 Xiaodong Li 等人和 iTen Brink等人獨立提出， 參見文獻 X. Li and J. A. Ritcey, "Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding using softfeedback, " Electronics Letters, vol. 34, no. 10，pp.942-943, May 1998.禾口S.T.Brink,J. Speidel, and R. -H. Yan, "Iterative demapping and decodingfor multilevel modulation，” in Globecom' 98,1998, pp. 579-584. BICM-ID 系統(tǒng)通過將解碼 輸出的信息反饋回來作為解映射的先驗信息，增大了歐氏距離，從而在AWGN信道下獲得了 與TCM同樣好的誤碼性能。但是，傳統(tǒng)BICM-ID有一個較高的誤碼平臺，這是因為即使所有 反饋的比特信息都是無誤的，系統(tǒng)的誤碼率依然由外碼的特性(對于線性碼，主要取決于 碼本中最小非零碼重及其個數(shù))和解映射時的Harmonic歐氏距離決定，而傳統(tǒng)碼字的最小 碼距較小且其對應(yīng)的個數(shù)非常多。然而，通常來說BICM-ID系統(tǒng)需要采用高階星座映射以更好地通過迭代解映射傳 遞信息，因此BICM-ID系統(tǒng)通常便于提供較高的頻譜效率。為了使得BICM-ID系統(tǒng)滿足低 頻譜效率的需求，一種方法是在BICM-ID系統(tǒng)中采用低碼率的外碼(比如采用1/4碼率的 碼字)，另一種方法就是采用多維星座圖。同時，傳統(tǒng)的BICM-ID系統(tǒng)的魯棒性不夠，即不能 適用于多種信道傳輸條件，比如在AWGN信道下性能優(yōu)秀的BICM-ID系統(tǒng)在衰落信道下表現(xiàn)
6不佳。信號空間分集(Signal Space Diversity, SSD)技術(shù)最先由J. Boutros提出(參見 J. Boutros and Ε. Biterbo,"Signal space diversity -.a power-andbandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel,"IEEE Trans. Inform. Theory, vol.44, no. 4, pp. 1453-1467，July 1998.)，結(jié)合適當(dāng)?shù)男亲鶊D旋轉(zhuǎn)可以有效對抗衰落，但 其中最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矩陣一直是個公開的難題。SSD技術(shù)的基本操作為將經(jīng)過星座旋轉(zhuǎn)后信號 的每一維坐標(biāo)進行交織，然后重新組合成所需維數(shù)的信號后送給后端模塊。通過坐標(biāo)交織 (Coordinate Interleaving), SSD使得衰落信道下原本屬于同一個符號中的各維度經(jīng)歷了 獨立衰落，結(jié)合星座圖旋轉(zhuǎn)可以有效提高分集階數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法、解調(diào)解碼方法及系 統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)可在AWGN和衰落信道條件下，使得編碼調(diào)制系統(tǒng)的及其對應(yīng)的解調(diào)解碼 系統(tǒng)的性能在中低頻譜效率下均逼近信道容量，同時兼顧系統(tǒng)的吞吐能力，可克服現(xiàn)有技 術(shù)的不足。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。本發(fā)明提供的一種基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，該方法包括步驟Si.對輸入信息比特進行信道編碼及比特交織，得到編碼交織比特；S2.對所述編碼交織比特進行已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制星座映射，或進行K維脈 沖幅度調(diào)制星座映射及星座旋轉(zhuǎn)，得到多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號，其中，K為正整數(shù)；S3.對所述多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換及通用實數(shù)交織，得到編碼調(diào) 制符號并輸出。其中，步驟S2進一步包括S2. 1對K維脈沖幅度調(diào)制星座點進行星座旋轉(zhuǎn)，得到已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制
星座點；S2. 2對所述編碼比特進行已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制星座映射，得到K維實數(shù)向 量的多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號；或包括S2. 1對所述編碼比特進行K維脈沖幅度調(diào)制星座映射，得到K維實數(shù)向量的星座 映射符號；S2. 2對所述星座映射符號進行星座旋轉(zhuǎn)，得到K維實數(shù)向量的多維已旋轉(zhuǎn)星座映 射符號。其中，步驟S2中當(dāng)K = 1時，所述星座映射為脈沖幅度調(diào)制星座映射；當(dāng)K = 2 時，所述星座映射為正交幅度調(diào)制星座映射；當(dāng)K = 3時，所述星座映射為三維脈沖幅度調(diào) 制星座映射；當(dāng)K = 4時，所述星座映射為四維脈沖幅度調(diào)制星座映射。其中，步驟S2. 2中，所述星座旋轉(zhuǎn)的方法為使用滿秩矩陣對所述K維實數(shù)向量進 行矩陣變換。其中，所述滿秩矩陣為正交矩陣。 K = 2時，所述正交矩陣為及
權(quán)利要求
1.一種基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，該方法包括步驟51.對輸入信息比特進行信道編碼及比特交織，得到編碼交織比特；52.對所述編碼交織比特進行已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制星座映射，或進行K維脈沖幅 度調(diào)制星座映射及星座旋轉(zhuǎn)，得到多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號，其中，K為正整數(shù)；53.對所述多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換及通用實數(shù)交織，得到編碼調(diào)制符 號并輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，步驟S2進一 步包括S2. 1對K維脈沖幅度調(diào)制星座點進行星座旋轉(zhuǎn)，得到已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制星座占.S2. 2對所述編碼比特進行已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制星座映射，得到K維實數(shù)向量的 多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號； 或包括S2. 1對所述編碼比特進行K維脈沖幅度調(diào)制星座映射，得到K維實數(shù)向量的星座映射 符號；S2. 2對所述星座映射符號進行星座旋轉(zhuǎn)，得到K維實數(shù)向量的多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號。
3.如權(quán)利要求2所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，步驟S2中 當(dāng)K = 1時，所述星座映射為脈沖幅度調(diào)制星座映射；當(dāng)K = 2時，所述星座映射為正交幅度調(diào)制星座映射； 當(dāng)K = 3時，所述星座映射為三維脈沖幅度調(diào)制星座映射； 當(dāng)K = 4時，所述星座映射為四維脈沖幅度調(diào)制星座映射。
4.如權(quán)利要求2所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，步驟S2.2中， 所述星座旋轉(zhuǎn)的方法為使用滿秩矩陣對所述K維實數(shù)向量進行矩陣變換。
5.如權(quán)利要求4所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，所述滿秩矩 陣為正交矩陣。
6.如權(quán)利要求3-5任一項所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，K = 2時，所述正交矩陣為及= ，其中， /rj~-入為實α = /Λ \ + λ2 ,b = Ai辦+—λ2 ；數(shù)；K = 3時，所述正交矩陣為及= ,其中，a= (1+λ)/(1+λ + λ2)，b =(λ + λ 2) / (1+ λ + λ 2)，c = - λ / (1+ λ + λ 2)，λ 為實數(shù)；
7.如權(quán)利要求1所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，步驟S3進一 步包括S31.對所述多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換，得到第一一維實數(shù)符號；S32.對所述第一一維實數(shù)符號進行通用實數(shù)交織，得到第二一維實數(shù)符號；S33.對所述第二一維實數(shù)符號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換，得到編碼調(diào)制符號，并輸出。
8.如權(quán)利要求2或7所述的基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法，其特征在于，步驟S3 中，所述維數(shù)轉(zhuǎn)換將輸入的Kin維實數(shù)向量轉(zhuǎn)換為K。ut維實數(shù)向量，其方法為，將Nin個Kin維 實數(shù)向量每一維上所有的共NinKin個實數(shù)符號重新組成N。ut個K。ut維實數(shù)向量，其中，NinKin = N。utK。ut，Kin 和 K。ut 為正整數(shù)。
9.一種基于多維星座映射的解調(diào)解碼方法，該方法包括步驟S4.利用外部輸入的信道狀態(tài)信息的相位信息，對接收信號進行相位校正；S5.對所述相位校正后的信號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換和通用實數(shù)解交織，得到解交織信號，對外 部輸入的信道狀態(tài)信息的幅度信息也進行通用實數(shù)解交織；S6.若為第一次解映射，則直接對所述解交織信號進行多維已旋轉(zhuǎn)星座的解映射，得到 解映射后軟信息，否則，利用上一次信道解碼輸出的外信息作為先驗信息，進行多維已旋轉(zhuǎn) 星座的解映射，得到解映射后軟信息；S7.對所述解映射后軟信息進行解交織及信道解碼；S8.若達到設(shè)定迭代次數(shù)或信道解碼校驗成功，則輸出信道解碼結(jié)果，否則，對信道解 碼結(jié)果進行再交織，得到信道解碼輸出的外信息，并返回步驟S6。
10.一種基于多維星座映射的編碼調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括編碼交織模塊，用于對輸入信息比特進行信道編碼及比特交織，得到編碼交織比特；星座映射模塊，用于對所述編碼交織比特進行已旋轉(zhuǎn)的K維脈沖幅度調(diào)制星座映射， 或進行K維脈沖幅度調(diào)制星座映射及星座旋轉(zhuǎn)，得到多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號，其中，K為 正整數(shù)；維數(shù)轉(zhuǎn)換及交織模塊，用于對所述多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換及通用實數(shù) 交織，得到編碼調(diào)制符號并輸出。
11.一種基于多維星座映射的解調(diào)解碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括相位校正模塊，用于利用外部輸入的信道狀態(tài)信息的相位信息，對接收信號進行相位 校正；維數(shù)逆轉(zhuǎn)換及解交織模塊，用于對所述相位校正后的信號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換和通用實數(shù)解 交織，得到解交織信號，對外部輸入的信道狀態(tài)信息的幅度信息也進行通用實數(shù)解交織；解映射模塊，若為第一次解映射，則直接對所述解交織信號進行多維已旋轉(zhuǎn)星座解映 射，得到解映射后軟信息，否則，利用上一次信道解碼輸出的外信息作為先驗信息，進行多 維已旋轉(zhuǎn)星座的解映射，得到解映射后軟信息；解交織解碼模塊，用于對所述解映射后軟信息進行解交織及信道解碼，得到信道解碼 結(jié)果；控制模塊，若達到設(shè)定迭代次數(shù)或信道解碼校驗成功，則輸出信道解碼結(jié)果，否則，將信道解碼輸出的外信息進行再交織，作為先驗信息，反饋給解映射模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多維星座映射的編碼調(diào)制方法、解調(diào)解碼方法及系統(tǒng)，該編碼調(diào)制方法包括步驟對輸入信息比特進行信道編碼及比特交織，得到編碼交織比特；對所述編碼交織比特進行K維脈沖幅度調(diào)制的星座映射，得到K維實數(shù)向量的星座映射符號，其中，K為正整數(shù)；對所述星座映射符號進行星座旋轉(zhuǎn)，得到K維實數(shù)向量的多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號；對所述多維已旋轉(zhuǎn)星座映射符號進行維數(shù)轉(zhuǎn)換及通用實數(shù)交織，得到編碼調(diào)制符號并輸出。該方法及系統(tǒng)可在AWGN和衰落信道條件下，使得編碼調(diào)制系統(tǒng)及其對應(yīng)的解調(diào)解碼系統(tǒng)的性能在中低頻譜效率下均逼近信道容量，同時兼顧系統(tǒng)的吞吐能力。
文檔編號H04L1/00GK102075487SQ200910237769
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者宋健, 彭克武, 楊昉, 楊知行, 謝求亮 申請人:清華大學(xué)