高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法
2023-10-09 01:07:09 1
專利名稱：高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法
技術領域：
本發明涉及一種通過使用多個發送/接收天線來傳輸高速數據的寬帶移動通信系統，尤其涉及一種採用高階QAM(正交幅度調製)調製的高速數據傳輸移動通信方法。
背景技術：
未來無線通信系統不僅要求高速數據傳輸，而且要求高的頻譜利用效率。高階調製是無線通信系統實現高的頻譜利用率的一種有效手段。而Turbo碼、LDPC碼等強有力的差錯控制編碼又能大大地加強通信系統的抗幹擾能力，因此比特交織編碼調製成為無線通信系統的一個重要的基帶處理方法。在這一類系統中，解碼器需要來自檢測器(解調器)的比特似然比，尤其在高階調製的情況下，解調依然是一個相對複雜的過程。
在一些通信系統中，包括有線通信系統和無線通信系統，自適應編碼調製是提高系統工作效率的一項重要技術。自適應編碼調製的工作原理是根據信道條件，自適應地調整調製及編碼方式以提高系統的功率效率和頻譜效率。但是在接收端，各種調製的解調方法不盡相同，複雜度也有所區別，傳統的解調方法不利於實現靈活的自適應解調。本發明使用查表或者查表結合多相式插值的方法實現了對軟解調的快速實現，有效地降低了複雜度。
在很多迭代檢測解碼系統中需要根據解碼器反饋的軟信息重建信號的均值方差，可以用來進行帶有先驗信息的MMSE檢測或者幹擾抵消的檢測。但是當調製階數太高時，從比特似然比重建信號均值方差的複雜度仍然比較高。
發明內容
技術問題本發明的目的是提出一種高階正交幅度調製中軟解調(即根據信號觀測值和噪聲方差計算比特似然比)和軟調製(即根據比特似然比計算符號統計量的)的低複雜度實現方法，適合用在同相/正交的QAM調製方式中。
技術方案本發明的高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法中的軟解調的實現方法採用快速查表實現方法，它包含以下步驟步驟1)、先生成並保存軟解調所用的查找表，步驟2)、根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，步驟3)、對歸一化處理的接收信號進行量化，步驟4)、對量化後的信號進行查表或查表結合插值，查表後得到的值乘以歸一化的噪聲方差即得到所需的比特的似然比。
高階正交幅度調製中的軟調製方法包含以下步驟步驟4)、將比特似然比進行轉換計算，步驟5)、根據自然QAM映射的符號與比特的線性關係，根據比特的均值和方差計算符號的均值和方差，若該QAM映射方式為自然映射，則步驟4)可略去。
歸一化處理包含以下步驟步驟1)、信號歸一化將接收信號值除以信道增益係數，步驟2)、方差歸一化將噪聲方差值除以信道增益係數。
軟解調的查表結合插值的快速實現方法包含以下步驟1)、根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，2)、對歸一化的接收信號進行量化，同時估計量化誤差，3)、對量化後的信號進行查表，同時獲得誤差項係數，用插值的方法對其進行修正，4)、修正後的值再乘以歸一化的噪聲方差即得到所需的比特似然比。
對量化後的信號進行查表時，同時獲得誤差項係數，用插值的方法對其進行修正中的插值方法是用線性插值，或用二次插值及更高階的插值。
1.高階QAM調製軟解調調製是把一組比特數據a0a1…a2n-1映射到復符號s，通常我們使用同相/正交的QAM調製，即s的實部sR和虛部s1分別由比特a0a1…an-1和an…a2n-1映射而成。信號在經過通信系統的傳輸和信道(包括各種傳輸方式和各種信道)，在接收端經過信道均衡或幹擾抵消信號檢測等，總可以將信號的等效傳輸信道表示為r＝ρ·s+n [1]其中，ρ表示實的信號項的增益係數，n表示剩餘的幹擾和噪聲。通常差錯控制編碼的解碼器需要解調器的比特的似然比作為輸入。我們可以把信號的實部和虛部分開，公式[1]變成Re(r)＝ρ·Re(s)+Re(n)[2]Im(r)＝ρ·Im(s)+Im(n)按照上式，我們可以對兩路信號獨立地做解調計算似然比。我們以同相分量為例，來推導解調的過程。設比特a0…an-1映射到實符號s，相應的實接收信號未r，增益係數ρ，復噪聲方差為σ2。定義解調器輸出的似然比為L(ai|r)=ln(P(ai=+1|r)P(ai=-1|r))=ln(s:ai=+1P(r|s)jiP(aj)s:ai=-1P(r|s)jiP(aj))+L(ai)---[3]]]>上式中L(aj)和P(aj)分別表示比特aj的先驗信息和先驗概率。不失一般性，假設比特為0和1等概，再由噪聲的高斯假設，我們可以得到L(ai|r)=ln(:ai=+1exp(|r-|22):aI=-1exp(|r-|22))---[4]]]>根據ln(ex1+ex2)=max*(x1,x2)=max(x1,x2)+ln(1+e-|x1-x2|),]]>得到L(ai|r)=max:ai=+1*{-|r-|22}-max:ai=-1*{-|r-|22}---[5]]]>通常我們用公式[5]來計算每個比特的似然比，完成解調的功能。
2.高階QAM調製軟解調的查表快速實現我們看到，用公式[5]計算計算比特似然比，複雜度隨調製階數呈指數增長，而且運算量很大。我們用max(x1，x2)≈max*(x1，x2)對公式[5]作簡化，進一步可以得到L(ai|r)=max:ai=+1{-|r-|22}-max:ai=-1{-|r-|22}]]>=22{max:ai=+1{-|r/-|2}-max:ai=-1{-|r/-|2}}---[6]]]>=22f(r/)]]>其中，f(x)可以用查表的方法來實現，不同的調製方式的軟解調可以做成不同的表。若我們將歸一化的接收信號r′＝r/ρ按照p比特量化，那麼f(x)用查表來實現需要做一個2p長度的表。不同的調製方式只需要事先做成不同的表，放在存儲器裡，按照發送信號的不同調製格式從相應的表中得到相應的值即可實現不同調製方式的軟解調。圖1描述了高階調製軟解調的基本過程，首先將對接收信號進行歸一化，然後將其量化後進行查表，再乘以相應係數後即可得到比特似然比。
我們在這裡可以看到表的大小跟量化階數呈指數增長。如果r′的量化階數比較高，那麼表的大小就會大大增加，以至於複雜度的提高。而如果對較為精確的r′進行低階量化查表，又會導致性能的損失，為了以低複雜度獲得好的性能，我們使用查表結合多項式插值的方法對軟解調方法進行改進，其基本原理是對r′進行按照查找表的精度進行量化，進行查表後利用多項式插值得到更新後的值。
圖2為查表結合線性插值實現軟解調的基本框圖，主要原理如下敘述如果r′精度高於量化階數且落在相鄰兩個量化點之間，用線性插值f(r′)≈f(q(r′))+f1(q(r′))·(r′-q(r′))來得到更為精確的值。類似的，也可以進行2階或更高階的插值。量化器可以採用非線性量化的方法其獲得表的大小的進一步縮小。
3.高階QAM調製軟調製在一些迭代檢測解碼方法中，經常會要求根據解碼器反饋的比特似然比進行均值和方差的重建。也就是根據每個比特為+1或-1的概率，來計算發送信號為符號集合中每個符號的概率，從而計算出信號的均值和方差。根據比特似然比計算信號的均值方差如下E[s]=P(s=)---[7]]]>cov[s]=||2P(s=)-E[s]2---[8]]]>設符號α由比特d0，d1，…dMc-1映射而成，則P(s=)=k=0MC-112[1+d~ktanh(L(dk)/2)]---[9]]]>其中， 表示s為符號α時該比特相應的值。
可以看到，在高階調製的情況下，需要計算每個符號的概率，才能重建信號的均值和方差，複雜度隨著每個符號的比特數呈指數增長。當調製階數高時複雜度大大地上升，使得硬體實現上的難度大大增加。
本發明針對自然映射或者格雷映射的QAM調製，發明了低複雜度的均值方差計算方法。該方法將一般QAM調製看作兩個階段第一步為比特序列的一個線性或非線性分組編碼的過程，比如有恆等變換，格雷編碼等，第二步為一個線性映射器，即調製符號可以由第一步得到的比特序列線性的表示。相應的，軟調製過程可以分為兩個步驟，第一步將比特的對數似然比根據變換的規則進行比特似然比轉換，第二步由轉換後的比特對數似然比得到根據線性映射的關係重建信號的均值和方差。這種方法避免了根據比特對數似然比計算所有符號的概率這一步驟，能夠有效地降低均值方差計算的複雜度。
有益效果本發明的優點是使用量化/查表快速實現在不降低性能的情況下使得複雜度大大地降低，尤其在高階調製的情況下。而且對不同的調製方式只需要改變表中相應的值，靈活性大大地增強。而軟調製分離為比特似然比轉換和統計量計算兩個過程使得符號統計量的計算複雜度有效地降低。
本發明中的高階QAM軟解調的快速查表實現具有如下優點1.大大地降低了QAM調製軟解調的複雜度，尤其在高階QAM調製的情況下。
2.性能保持了幾乎不受損失。
3.在發送端使用不同的調製方式的情況下，接收端的軟解調可在同一的框架下進行且具有相同的複雜度，有利於實現自適應調製的接收。
4.使得原本極高複雜度的非規則QAM映射具有同規則QAM映射相同的複雜度，使映射方式的選擇更為多樣化。
本發明中的高階QAM符號均值方差計算的低複雜度實現具有以下優點1.大大了降低了均值方差計算過程的複雜度。
2.在自然映射QAM中，複雜度隨比特數由指數增長降低為線性增長。
本發明中軟解調用量化/查表方法進行快速實現，不僅有效降低了複雜度，而且不同調製方式的實現只需更改映射表就可以，能夠較為靈活地實現自適應調製。該方法適合用在任何QAM調製方式的通信系統中，尤其在同相/正交QAM系統中。本發明軟調製即符號統計量(通常包括符號的均值和方差)的計算分為比特似然比轉換和均值方差計算兩個步驟，這種方法能夠有效的降低複雜度，適合用在同相/正交的QAM調製方式中。
圖1是查表實現軟解調的基本框圖。
圖2是查表結合線性插值實現軟解調的基本框圖。
圖3是格雷映射軟調製框圖。
具體實施例方式
軟解調的實現方法採用快速查表實現方法，它包含以下步驟步驟1)、根據公式[6]，先計算，按照一定量化位數生成並保存軟解調所用的查找表。
步驟2)、根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，如圖1所示，接收信號r首先被信道增益係數ρ歸一化，得到歸一化接收信號r′＝r/ρ和歸一化噪聲方差的倒數ρ2/σ2。
步驟3)、對歸一化處理的接收信號進行量化，量化可以使用均勻量化和非均勻量化。
步驟4)、對量化後的信號q(r′)進行查表，查表後得到的值乘以歸一化的噪聲方差的倒數，即得到軟解調相應比特的對數似然比，可供判決或送入解碼器解碼。
軟解調的查表結合插值的快速實現方法包含以下步驟1)、根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，2)、對歸一化的接收信號進行量化，同時估計量化誤差，3)、對量化後的信號進行查表，同時獲得誤差項係數，用插值的方法對其進行修正，4)、修正後的值再乘以歸一化的噪聲方差即得到所需的比特似然比。
對量化後的信號進行查表時，同時獲得誤差項係數，用插值的方法對其進行修正中的插值方法是用線性插值，或用二次插值及更高階的插值。
高階QAM軟解調查表/插值快速實現裝置如圖2所示，接收信號r首先被信道增益係數ρ歸一化，得到歸一化接收係數r′，然後對其進行量化，量化可以使用均勻量化和非均勻量化。根據量化後的值q(r′)在查找表中查到相應的值，然後計算量化誤差r′-q(r′)，並且在另一查找表中找到相應係數f1(q(r′))，用該係數f1(q(r′))和量化誤差對f(q(r′))的值進行修正。
在實際硬體實現中，通常數據在硬體中都是以量化數據的形式存在的。如果接收信號和相應係數本身有效位數較低(同查找表量化位數相近)，那麼查找表並不會太大，因此第一種方式比較合適，若接收信號和相應係數本身的有效位數較高(遠大於查找表量化位數)，那麼強行量化會導致數據精度的損失，在這種情況下，使用查表/插值結合的方法能夠克服上述缺點，以較低複雜度獲得高精度的性能。
高階正交幅度調製中的軟調製方法包含以下步驟步驟4)、將比特似然比進行轉換計算，步驟5)、根據自然QAM映射的符號與比特的線性關係，根據比特的均值和方差計算符號的均值和方差，若該QAM映射方式為自然映射，則步驟4)可略去。
下面以自然映射和格雷映射為實施例，來具體說明軟調製(即根據比特似然比計算符號統計量)裝置的工作步驟。
1、自然映射通常自然映射比特bk(取±1)同符號s之間的關係可以用一個線性表達式描述，如下所示s=k=0MC-1ckbk---[10]]]>則由於比特之間的獨立性，符號的均值和方差可以表示如下E[s]=k=0MC-1ckE[bk]---[11]]]>cov[s]=k=0MC-1|ck|2E[bk2]-E[s]2---[12]]]>其中E[bk]＝tanh(L(bk)/2)，E[bk2]=1.]]>2、格雷映射由于格雷映射不能將比特與符號之間的關係用一個線性關係來描述，但是可以將其分離成一個格雷編碼器和一個自然映射器，我們可以將似然比通過格雷編碼器進行轉換，再通過自然映射計算符號的均值和方差。
圖3描述了格雷映射的均值方差計算的過程，主要分為兩個部分，首先根據格雷編碼將其比特似然比進行轉換，然後根據公式[10]，[11]，[12]計算自然映射的均值和方差。
通常比特序列格雷編碼可以用以下表達式來表達a0=b0ak=bkbk-11k0---[13]]]>式中表示bk格雷編碼前比特，ak表示格雷編碼後比特。根據這個關係，我們可以計算似然比之間的關係L(a0)=L(b0)L(ak)=1/2max*{-L(bk)-L(bk-1),L(bk)+L(bk-1)}-1/2max*{-L(bk)+L(bk-1),L(bk)-L(bk-1)}k0---[14]]]>式中max*(x1,x2)=max(x1,x2)+ln(1+e-|x1-x2|),]]>可以用max(x1，x2)來逼近。數學函數tanh(x)在工程中通常用查表的方式實現。
本發明中的高階QAM軟調製的快速實現大大地降低了根據比特似然比重建符號均值和方差的複雜度，尤其在調製階數高或者使用線性映射時。其性能接近或者等於最優的計算方法。
本發明中的高階QAM軟解調的快速查表實現可以應用在各類使用高階QAM調製的系統，適合應用於各類使用高階QAM映射通信系統，包括有線通信系統和無線通信系統，適合用於各種傳輸方式通信系統，包括單天線、多天線、單載波、多載波等傳輸系統，既可以用於規則的映射圖，也可以用於非規則的映射圖。
本發明中的高階QAM軟調製的快速實現可以應用在各類使用高階QAM調製且需要計算符號均值和方差的系統，包括帶有先驗信息的MMSE Turbo均衡、CDMA系統中MMSE或匹配濾波的幹擾抵消多用戶檢測器、多天線系統中使用線性檢測器的迭代檢測解碼等。
權利要求
1.一種高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法，其特徵在於軟解調的實現方法採用快速查表實現方法，它包含以下步驟步驟1)、先生成並保存軟解調所用的查找表，步驟2)、根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，步驟3)、對歸一化處理的接收信號進行量化，步驟4)、對量化後的信號進行查表或查表結合插值，查表後得到的值乘以歸一化的噪聲方差即得到所需的比特的似然比；高階正交幅度調製中的軟調製方法包含以下步驟步驟4)、將比特似然比進行轉換計算，步驟5)、根據自然QAM映射的符號與比特的線性關係，根據比特的均值和方差計算符號的均值和方差，若該QAM映射方式為自然映射，則步驟4)可略去。
2.根據權利要求1所述的高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法，其特徵在於歸一化處理包含以下步驟步驟1)、信號歸一化將接收信號值除以信道增益係數，步驟2)、方差歸一化將噪聲方差值除以信道增益係數。
3.根據權利要求1所述的高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法，其特徵在於軟解調的查表結合插值的快速實現方法包含以下步驟1)、根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，2)、對歸一化的接收信號進行量化，同時估計量化誤差，3)、對量化後的信號進行查表，同時獲得誤差項係數，用插值的方法對其進行修正，4)、修正後的值再乘以歸一化的噪聲方差即得到所需的比特似然比。
4.根據權利要求3所述的高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法，其特徵在於對量化後的信號進行查表時，同時獲得誤差項係數，用插值的方法對其進行修正中的插值方法是用線性插值，或用二次插值及更高階的插值。
全文摘要
高階正交幅度調製中軟解調軟調製的快速實現方法涉及一種採用高階QAM(正交幅度調製)調製的高速數據傳輸移動通信方法。其軟解調的實現方法採用快速查表實現方法，它包含以下步驟先生成並保存軟解調所用的查找表，根據信道相應係數對接收信號和噪聲方差進行歸一化處理，對歸一化處理的接收信號進行量化對量化後的信號進行查表或查表結合插值，查表後得到的值乘以歸一化的噪聲方差即得到所需的比特的似然比；高階正交幅度調製中的軟調製方法包含以下步驟將比特似然比進行轉換計算，根據自然QAM映射的符號與比特的線性關係，根據比特的均值和方差計算符號的均值和方差。
文檔編號H04L27/32GK1665232SQ20051003864
公開日2005年9月7日 申請日期2005年4月1日 優先權日2005年4月1日
發明者高西奇, 尤肖虎, 王聞今 申請人:東南大學