專利名稱：用于低密度奇偶校驗編碼的16apsk系統(tǒng)的比特映射方案的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字通信，且具體地涉及用于LDPC (低密度奇偶校 驗)編碼的16APSK系統(tǒng)的比特映射方案。相關申請本申請涉及絲##提交的專利序列號、標題為"A Bit Mapping Scheme for an LDPC Coded 32APSK System"，和在#絲#提交的，序列 號為No.的標題為"An Interleaving Scheme for an LDPC Coded 16APSK System"的申請。
背景技術(shù)：
通信系統(tǒng)使用前向差錯控制(FEC)編碼以保證數(shù)據(jù)經(jīng)噪聲通信信道的可靠傳輸?；谙戕r(nóng)的理論，這些通信信道在確定的信噪比(SNR)下具有以比特每碼元表示的確定的容量，這被定義為香農(nóng)限。 通信和編碼理論中研究領域之一涉及設計以合理的復雜度提供逼近香農(nóng)限性能的編碼方案。已經(jīng)表明使用置信傳播(BP)解碼的LDPC碼 具有可控的編碼和解碼復雜度，并能提供接近香農(nóng)限的性能。在最近Yan Li禾口 William Ryan發(fā)表于IEEE Communications Letters, vol. 9， no.l， January 2005的名為"Bit-Reliability Mapping in LDPC-Codes Modulation systems (LDPC碼調(diào)制系統(tǒng)中的比特可靠性映 射)"的論文中，作者研究了采用8PSK的LDPC編碼的調(diào)制系統(tǒng)的性 能。利用作者建議的比特可靠性映射策略，實現(xiàn)了超過非交織方案大 約0.15dB的性能改進。而且作者還表明格雷映射比其它映射方案，比 如自然映射，更加適于高階調(diào)制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多種實施例涉及16APSK調(diào)制系統(tǒng)中的比特映射方案。 這些實施例的技術(shù)特別適合于與LDPC碼一起使用。Gallager在60年代首先描述LDPC碼。LDPC碼性能非常逼近香 農(nóng)限。具有碼長度N和維度K的二進制(N， K) LDPC碼由(N-K) 行和N列的奇偶校驗矩陣H定義。矩陣H的大多數(shù)元素是零且僅少數(shù) 元素是一，因此矩陣H是稀疏的。矩陣H的每行表示校驗和，且每列 表示變量，例如，比特或碼元。Gallager描述的LDPC碼是規(guī)則的，也 就是，奇偶校驗矩陣H具有恒定的行重和列重。規(guī)則的LDPC碼能夠擴展形成非規(guī)則的LDPC碼，其中行重和列 重是變化的。非規(guī)則的LDPC碼由分別定義變量和校驗節(jié)點度分布的 度分布多項式(degree distribution polynomial) v(x)和c(x)指定。更加 具體地說，非規(guī)則LDPC碼可以定義如下<formula>formula see original document page 7</formula> (1)和<formula>formula see original document page 7</formula>(2)其中變量"，M和《n^分別是最大變量節(jié)點度和校驗節(jié)點度，且"(。)表示從度數(shù)為j的變量(校驗)節(jié)點發(fā)出的邊緣(edge)的分數(shù) (fraction)。雖然非規(guī)則LDPC碼在表示和/或?qū)崿F(xiàn)上比規(guī)則LDPC碼 更加復雜，但是理論上和經(jīng)驗上都已表明，具有適當選擇的度分布的 非規(guī)則LDPC碼優(yōu)于規(guī)則LDPC碼。圖1說明了碼字長度六的示例性 非規(guī)則LDPC碼的奇偶校驗矩陣表示。LDPC碼還可由二分圖或Ta皿er圖表示。在Tanner圖中，被稱為變量節(jié)點(或比特節(jié)點)的一組節(jié)點對應于碼字的比特，而被稱為約
束節(jié)點(或校驗節(jié)點)的另一組節(jié)點對應于定義LDPC碼的一組奇偶 校驗約束。比特節(jié)點和校驗節(jié)點通過邊連接，并且如果比特節(jié)點和校 驗節(jié)點通過邊相連，則認為它們是鄰近或相鄰的。通常，假定一對節(jié) 點通過最多一條邊連接。圖2說明了如圖1所示的非規(guī)則LDPC碼的二分圖表示。能夠以多種方式解碼LDPC碼，比如多數(shù)邏輯解碼和迭代解碼。 因為其奇偶校驗矩陣的結(jié)構(gòu)，LDPC碼是可多數(shù)邏輯解碼的。雖然對于 在奇偶校驗矩陣中具有相對高的列權(quán)重的一些類型的LDPC碼(例如， 歐幾里得幾何LDPC和投影幾何LDPC碼)，多數(shù)邏輯解碼需要最小 的復雜度且能實現(xiàn)相當不錯的差錯性能，但是迭代解碼方法因為它們 更好的性能對于復雜度的折中而得到了更多的關注。不同于多數(shù)邏輯 解碼，迭代解碼基于定義碼型的約束條件，通過對所接收碼元的回溯 處理來提高每個碼元的可靠性。在第一次迭代中，迭代解碼器僅使用 信道輸出作為輸入，并對每個碼元產(chǎn)生可靠性輸出。隨后，將每次解碼迭代過程結(jié)束時對解碼碼元輸出的可靠性度量 結(jié)果用作下一次迭代的輸入。解碼過程直到滿足停止條件時結(jié)束，之 后基于來自最后一次迭代的解碼碼元輸出可靠性度量做出最后判決。 根據(jù)在每次迭代期間使用的可靠性度量的不同特征，迭代解碼算法可 被進一步劃分為硬判決、軟判決和混合判決算法。對應的常用算法分 別是迭代比特翻轉(zhuǎn)(BF)，置信傳播(BP)和加權(quán)比特翻轉(zhuǎn)(WBF) 解碼算法。已經(jīng)證明當相應的Tanner圖是非循環(huán)時，BP算法能夠?qū)崿F(xiàn) 最大似然解碼，因而其成為最流行的解碼方法。LDPC碼的BP是一種信息傳遞解碼(message passing decoding)。 沿著圖的邊發(fā)送的信息是和對應于碼字比特的變量節(jié)點相關聯(lián)的對數(shù)-似然比(LLR) log^。在這個表達式中，p。和A分別表示相關比特值
是0或1的概率。BP解碼通常包括兩個步驟，水平步驟和垂直步驟。 在水平步驟中，每個校驗節(jié)點 將基于除了來自比特6,,外所有進入校 驗C,，,的"比特-到-校驗"信息計算而得的"校驗-到-比特"信息，發(fā)送 到相鄰節(jié)點6 。在垂直步驟中，每個比特節(jié)點&將基于除了來自校驗節(jié) 點^,外所有進入比特6 的"校驗-到-比特"信息計算而得的"比特-到-校驗"信息，發(fā)送到相鄰的校驗節(jié)點 。重復這兩個步驟直到找到可 用的碼字或達到最大的迭代次數(shù)。因為其利用BP解碼的顯著性能，非規(guī)則LDPC碼對于很多應用 都是最好的選擇之一。多種通信和存儲標準，比如DVB-S2/DAB，有 線線路ADSL, IEEE802.11n禾口 IEEE802.16等，己經(jīng)采用或正在考慮采 用多種非規(guī)則LDPC碼。LDPC碼的閾值被定義為最小SNR值，在該值下，當碼字長度趨 于無窮時，能夠使比特差錯概率任意小。LDPC碼閾值的數(shù)值能夠由被 稱為密度演化(density evolution)的分析工具確定。密度演化的概念也能夠回溯到Gallager的結(jié)果。為確定BF解碼的 性能，Gallager推導了作為在迭代開始時的輸入BER的函數(shù)，每次迭 代的輸出BER的計算公式，進而可迭代地計算出在給定迭代次數(shù)處的 BER。對于連續(xù)的字符表(alphabet)，計算更加復雜。需要逐次計算 出在比特和校驗節(jié)點之間交換的置信消息的概率密度函數(shù)(pdf)，再 基于這些pdf導出每次迭代的平均BER。在校驗節(jié)點處理和比特節(jié)點 處理中，每個出向置信信息是入向置信信息的函數(shù)。對于度《的校驗 節(jié)點，每個出向信息U能夠由《-1個入向信息的函數(shù)表示，其中，巧表示從BP解碼確定的校驗節(jié)點處理函數(shù)。類似的，對 于度《的比特節(jié)點，每個出向信息F能夠由《-1個入向信息和信道置 信信息t^,的函數(shù)表示， 其中，^表示比特節(jié)點處理函數(shù)。雖然對于校驗和比特節(jié)點處理， 對于給定解碼算法可以基于入向信息的pdf導出出向信息的pdf，但是 可能存在指數(shù)級的大量的入向信息的可能形式。因此，密度演化處理 看起來很難。幸運的是，已經(jīng)證明對于給定信息傳遞算法和噪聲信道， 如果滿足一些對稱條件，那么解碼BER獨立于發(fā)送序列x。也就是說， 基于對稱假定，全零發(fā)送序列;c-l的解碼BER和任意隨機選擇的序列 的相同，因此能夠顯著簡化密度演化的推導。高效密度演化所需的對 稱條件是信道對稱、校驗節(jié)點對稱和比特節(jié)點對稱。用于密度演化的 另一假定是Tanner圖是非循環(huán)(cyclic free)的。根據(jù)這些假定，到比特和校驗節(jié)點的入向信息是獨立的，且因此 能夠顯著簡化出向信息的pdf的推導。對于具有實際作用的很多LDPC 碼，相應的Tanner圖包括循環(huán)。當LDPC碼的Tanner圖中循環(huán)(或圍 長(girth))的最小長度等于4X/時，那么在利用標準BP解碼時第/ 個解碼迭代之后獨立假定不成立。但是，對于給定的迭代數(shù)，當碼長 度增加時，對于增加的迭代數(shù)能夠滿足獨立條件。因此，密度演化可 以預測一組LDPC碼的漸近性能，且所謂的"漸近"特性需就碼長度 的意義而言。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例，比特映射方案提供LDPC碼的良好閾 值。另外，比特映射方案能夠促進16APSK調(diào)制系統(tǒng)中交織設置的設 計。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例，所公開的比特映射提供LDPC編碼的 16APSK系統(tǒng)的良好性能，且簡化16APSK系統(tǒng)中的交織設置。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例， 一種使用FEC碼的16APSK系統(tǒng)中比 特映射的方法包括從發(fā)射器發(fā)送數(shù)字信號；和在接收器接收數(shù)字信 號，其中該數(shù)字信號利用具有FEC編碼的16APSK系統(tǒng)，且在發(fā)送之 前根據(jù)圖4表示的公式比特映射該信號。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例，F(xiàn)EC碼是規(guī)則LDPC碼。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例，F(xiàn)EC碼是非規(guī)則LDPC碼。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例，F(xiàn)EC碼是規(guī)則重復累積碼。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例，F(xiàn)EC碼是非規(guī)則重復累積碼。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例， 一種數(shù)字通信系統(tǒng)包括發(fā)射器，發(fā) 送數(shù)字信號；和接收器，接收數(shù)字信號；其中該數(shù)字信號利用具有FEC 編碼的16APSK系統(tǒng)，且在發(fā)送之前根據(jù)圖4表示的公式比特映射該信號。根據(jù)本發(fā)明的多種實施例， 一種數(shù)字通信系統(tǒng)包括發(fā)射器，發(fā) 送數(shù)字信號；和接收器，接收數(shù)字信號；其中該數(shù)字信號利用具有FEC 編碼的16APSK系統(tǒng)，且使用格雷映射比特映射該信號，且基于來自 通信信道的對數(shù)似然比的值對該數(shù)字信號的比特排序。


在相應附圖中，通過實例的方式，而不是通過限定的方式說明本 發(fā)明。在附圖中相同的附圖標記表示相似的部分，在附圖中圖1是碼字長度六的示例性非規(guī)則LDPC碼的奇偶校驗矩陣表示;圖2說明了如圖1所示的非規(guī)則LDPC碼的二分圖表示；圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，在16APSK調(diào)制中的比特映射功能模塊；和圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，用于16APSK碼元的比特映射；
圖5說明了根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，采用LDPC碼和16APSK 調(diào)制的通信系統(tǒng)的實例；圖6說明了根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，釆用圖5中的16APSK調(diào) 制的發(fā)射器的實例；和圖7說明了根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，采用圖5中的16APSK調(diào) 制的接收器的實例。
具體實施方式
參考附圖，給出根據(jù)本發(fā)明各個實施例的使用LDPC碼的示例性 編碼的比特映射方法的詳細描述。雖然本發(fā)明是通過LDPC碼描述的，但是應該認識到可同樣在其 它碼中使用該比特映射方法。另外，應該理解，可以在非編碼系統(tǒng)中 實現(xiàn)該方法。圖5是根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，采用具有16APSK調(diào)制的LDPC 碼的通信系統(tǒng)的示例圖。示例性的通信系統(tǒng)包括發(fā)射器501，該發(fā)射器 產(chǎn)生信號波形經(jīng)通信信道502到接收器503。發(fā)射器501包括用于產(chǎn)生 離散的一組可能的信息的信息源。這些信息均對應于一信號波形。該 波形進入信道502且被噪聲破壞。采用LDPC碼以減少由信道502引 入的干擾，且采用16APSK調(diào)制方案以將LDPC編碼的比特轉(zhuǎn)換為信 號波形。圖6描述了圖5的通信系統(tǒng)中的示例性發(fā)射器，該發(fā)射器采用 LDPC碼禾口 16APSK調(diào)制。LDPC編碼器602將來自源601的信息比特 編碼為LDPC碼字。從每個信息塊到每個LDPC碼字的映射由LDPC 碼的奇偶校驗矩陣(或等效的生成矩陣)確定。由交織器/調(diào)制器603 基于16APSK比特映射方案將LDPC碼字交織和調(diào)制為信號波形。這 些信號波形被發(fā)送到發(fā)射天線604并傳播到如圖7所示的接收器。 圖7描述了圖5的示例性接收器，該接收器采用LDPC碼和16APSK解調(diào)器。由接收天線701接收信號波形，并將其分發(fā)到解調(diào)器 /解交織器702。由解調(diào)器解調(diào)并由解交織器解交織信號波形，之后將 其分發(fā)到迭代地解碼接收到的消息的LDPC解碼器703，并輸出對發(fā)送 的碼字的估計。解調(diào)器/解交織器702采用的16APSK解調(diào)規(guī)則應該和 交織器/調(diào)制器603采用的16APSK調(diào)制規(guī)則匹配。根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，如圖3所示，示例性的16APSK比特 到碼元映射電路每次操作使用四個比特(^， 64i+1, 64,+2， 64i+3)，并將它們 映射到I值和Q值，其中!'=0， 1，2,....。比特映射邏輯如圖4所示。根 據(jù)本發(fā)明的各個實施例，比特的映射由下式定義-<formula>formula see original document page 13</formula>根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，圖4的比特映射方案使用格雷映射， 意味著相鄰點的二進制表示僅有一個比特的不同。密度演化分析顯示， 給定LDPC編碼的16APSK系統(tǒng)，示例性的格雷映射方案能夠提供最 好的閾值。圖4的比特映射方案還以基于來自通信信道的對數(shù)似然比
的值的順序排列比特。這種處理簡化了 16APSK系統(tǒng)的交織方案的設 計。雖然通過示例性實施例的方式描述了本發(fā)明，應該理解在本發(fā)明 的精神和范圍中可做出多種其它變化和修改。因此，本發(fā)明權(quán)利要求 的目的是覆蓋所有在本發(fā)明的真正精神和范圍中的這些修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種16APSK系統(tǒng)中的數(shù)字映射方法，該方法包括從發(fā)射器發(fā)送數(shù)字信號；和在接收器接收該數(shù)字信號；其中該數(shù)字信號在發(fā)送之前根據(jù)下面公式來進行比特映射，其中R1是內(nèi)環(huán)的半徑而R2是外環(huán)的半徑
2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中，該系統(tǒng)使用FEC碼。
3. —種數(shù)字通信系統(tǒng)，包括 發(fā)送數(shù)字信號的發(fā)射器，其中，該數(shù)字信號使用具有FEC編碼的16APSK系統(tǒng)，且使用格 雷映射來對該信號進行比特映射，并且基于來自通信信道的對數(shù)似然 比的值對該數(shù)字信號的比特進行排序。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，該FEC碼是規(guī)則LDPC碼。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，該FEC碼是非規(guī)則LDPC碼。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，該FEC碼是規(guī)則重復累積碼。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，該FEC碼是非規(guī)則重復累積碼。
8. —種數(shù)字通信系統(tǒng)，包括發(fā)射器，用于發(fā)送數(shù)字信號，其中對于z'-0，1,2,....，該發(fā)射器基 于下面的公式將至少一個四比特(64" 64,.+1， 64i+2, 64&3)的映射組調(diào)制為 16APSK碼元<formula>formula see original document page 3</formula>其中，R,是內(nèi)環(huán)的半徑而R2是外環(huán)的半徑。
9. 一種數(shù)字通信系統(tǒng)，包括接收器，用于接收數(shù)字信號，其中該接收器包括解調(diào)器，對于—0, 1， 2,....，基于下面的16APSK星座定義將16APSK碼元映射為由四比 特組(64,', 64,+1, 64,.+2， 64,+3)組成的消息估值:<formula>formula see original document page 4</formula>其中，Ri是內(nèi)環(huán)的半徑而R2是外環(huán)的半徑。
10. —種存儲計算機程序的計算機可讀介質(zhì)，在該計算機程序中， 對于—0, 1, 2，....， 一種16APSK調(diào)制過程基于下面的公式將四比特組 (64,, 、+1， 64,.+2' 64/+3)映射為16APSK碼元<formula>formula see original document page 5</formula>其中，R,是內(nèi)環(huán)的半徑而R2是外環(huán)的半徑
全文摘要
一種數(shù)字通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有發(fā)送數(shù)字信號的發(fā)射器；和接收該數(shù)字信號的接收器；其中該數(shù)字信號利用16APSK系統(tǒng)，且使用格雷映射來比特映射該信號，且基于來自通信信道的對數(shù)似然比的值排序該數(shù)字信號的比特。
文檔編號H04L27/18GK101150552SQ200610153760
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者孫鳳文, 張軍坦, 李薰春 申請人:國家廣播電影電視總局廣播科學研究院;張軍坦;李薰春;孫鳳文