适用于APSK星座的软解映射方法

摘要

本发明揭示了一种适用于APSK星座的软解映射方法，包括以下步骤：将信道接收到的符号做预处理；初始化系统参数；将每一个信道接收到的符号对应的比特分为幅度相关比特和相位相关比特；计算相位相关比特的判决距离公式，并且根据相位相关比特的判决距离公式计算相位相关比特的对数似然比；计算幅度相关比特的判决距离公式，并且根据幅度相关比特的判决距离公式计算幅度相关比特的对数似然比。采用了本发明的技术方案，对现有的软解映射方法进行改进，简化了定点实现的复杂度，并进一步简化计算复杂度。本发明在简化了运算复杂度的情况下对系统的性能损失很小，对减少硬件实现消耗的资源以及提高计算速度有很大的帮助。

权利要求

1.一种适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，包括以下步骤：将信道接收到的符号做预处理；

初始化系统参数；

将每一个信道接收到的符号对应的比特分为幅度相关比特和相位相关比特；

计算所述相位相关比特的判决距离公式，并且根据所述相位相关比特的判决距离公式计算相位相关比特的对数似然比；

计算所述幅度相关比特的判决距离公式，并且根据所述幅度相关比特的判决距离公式计算幅度相关比特的对数似然比。

2.如权利要求1所述的适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，所述预处理步骤得到去信道信息后的接收符号的幅度、相位和标量因子，其方法为：信道接收到的符号流为yi＝Hixi+ni，其中xi为发射的符号，Hi为对应接收符号yi的信道状态信息，ni为白色复高斯加性噪声，N0,i为对应ni的单边噪声功率，利用上述参数计算得：其中 表示标量因子， 表示所述去信道信息后的接收符号，记 的同向分量为 正交分量为

根据 和 计算得 其中ri和θi分别是去信道信息后的接收符号的幅度、相位。

3.如权利要求2所述的适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，所述系统参数包括A_init、A_bin、P_init、P_bin，其中P_init为APSK各星座点的相位矢量，P_bin为相位相关的二值域上的矩阵，A_init为APSK星座图圆环的半径，A_bin为幅度相关的二值域上的矩阵；每一个所述信道接收到的符号对应m个比特，所述m个比特分为连续的前m2个比特和连续的后m1个比特，其中m1表示相位相关比特的数量，m2表示幅度相关比特的数量。

4.如权利要求3所述的适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，所述相位相关比特的判决距离公式为：其中，

为θi与APSK圆环上各星座点相位的夹角。

5.如权利要求4所述的适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，所述相位相关比特的对数似然比的计算公式为：其中 jj＝m2+1，...，m。

6.如权利要求3所述的适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，所述幅度相关比特的判决距离公式为：

7.如权利要求6所述的适用于APSK星座的软解映射方法，其特征在于，所述幅度相关比特的对数似然比的计算公式为：其中

说明书

适用于APSK星座的软解映射方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种软解映射方法，更具体地说，涉及一种适用于APSK星座的软解映射方法。

背景技术

[0002] 数字通信系统，包括典型的无线移动通信系统和地面数字广播系统，其根本任务是实现数字信息的高效无误传输。星座映射将携带数字信息的有限域“比特”序列映射成适于传输的“符号”序列。这些符号的取值空间可以是一维实数空间、二维实数空间（即复数空间或复数平面）、或更高维的实数空间（例如多天线MIMO系统信号传输对应的空间）。星座映射包含两个要素，即星座图和星座点映射方式。星座图代表星座映射输出符号的所有取值组成的集合，其中，星座图的每个点对应输出符号的一种取值。星座点映射方式代表输入比特（组）到星座点的特定映射关系，或者星座点到比特（组）的特定映射关系，通常每个星座点与一个比特或多个比特组成的比特组一一对应。目前最为常见以及实用的复数空间的星座图主要有正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK）、和幅度相移键控（Amplitude-Phase Shift Keying，APSK）调制技术。在接收端，对应星座映射的是星座解映射，简称解映射。通常，星座解映射依据星座图和星座点映射方式，结合信道状态信息得到对应接收符号的一个或多个比特的比特软信息。

[0003] 在复高斯信道下，输入信号必须为复高斯分布才能达到信道容量。与QAM星座图相比，具有圆对称性的APSK星座图更接近复高斯分布。因此可以预期，在加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道下，APSK星座图将比QAM星座图有更好的性能，其带来的增益称为Shaping增益。APSK星座图呈多层同心圆环状，每一环上的星座点在相位方向均匀分布。欧洲第二代卫星数字电视广播标准DVB-S2采用了APSK星座映射。

[0004] 专利申请号为201110099872.4的清华大学专利“基于APSK星座图的星座映射方法、编码调制方法及系统”提出一组M阶具有格雷映射的APSK星座图，该星座图有 个圆环，每个圆环由均匀的 点组成，相当于一个 不同环半径组成的集合相当于一个特殊的 其中m=m1+m2=log2M。对于一个m长比特向量，其中m1个比特只与相位相
关，且这m1个比特与 之间采用PSK的格雷映射，另m2个比特只与幅度相关，且这
m2个比特与 之间采用PAM的格雷映射（Z.Liu,Q.Xie,K.Peng and Z.Yang,“APSK
Constellation with Gray Mapping,”IEEE Comm.Lett.,vol.15,no.12,pp.1271-1273,Dec.2011.）。这些参数优化的APSK星座图均提供较大的Shaping增益。

[0005] 对于信道接收到的第i个符号yi＝Hixi+ni，其中xi为发射的符号，Hi为对应接收符号yi的信道状态信息，ni为白色复高斯加性噪声，单边噪声功率为N0,i。软解映射算法输出比特的软信息，通常采用对数似然比（Log-Likelihood Ratio，LLR）来表示软解映射算法输出比特的软信息，假设传输符号等概分布，第i个接收符号的第jj个比特的LLR可以表示为：

[0006]

[0007] 其中xi为第i个发射的符号， 表示第jj个比特为1的星座图符号集合， 表示第jj个比特为0的星座图符号集合。

[0008] 使用对数最大后验概率（Log-MAP）算法可以精确计算每个比特的LLR值，但是计算中存在对数和指数运算，计算量相当大。通过近似公式logΣjzj≈maxjlogzj，可以得到最大对数最大后验概率（Max-Log-MAP）算法，在白色高斯加性噪声的基带等效模型下，Max-Log-MAP算法可以表示为：

[0009]

[0010] 此时计算符号间距离欧氏距离，硬件实现的复杂度仍比较高，且由于信道信息（Hi，N0,i）包含在两个参数里，不利于硬件定点化和实现。

发明内容

[0011] 本发明的目的旨在提供一种适用于APSK星座的软解映射方法，来解决现有技术中APSK星座软解映射计算复杂度高、计算量大的问题。

[0012] 依据上述目的，实施本发明的适用于APSK星座的软解映射方法，包括以下步骤：将信道接收到的符号做预处理；初始化系统参数；将每一个信道接收到的符号对应的比特分为幅度相关比特和相位相关比特；计算相位相关比特的判决距离公式，并且根据相位相关比特的判决距离公式计算相位相关比特的对数似然比；计算幅度相关比特的判决距离公式，并且根据幅度相关比特的判决距离公式计算幅度相关比特的对数似然比。

[0013] 依据上述主要特征，预处理步骤得到去信道信息后的接收符号的幅度、相位和标量因子，其方法为：信道接收到的符号流为yi＝Hixi+ni，其中xi为发射的符号，Hi为对应接收符号yi的信道状态信息，ni为白色复高斯加性噪声，N0,i为对应ni的单边噪声功率，利用上述参数计算得： 其中 表示标量因子， 表示去信道信息后的接收符号，记 的同向分量为 正交分量为 利用记 和 计算得
其中ri和θi分别是去信道信息后的接收符号的幅度、相位。

[0014] 依据上述主要特征，系统参数包括A_init、A_bin、P_init、P_bin，其中P_init为APSK各星座点的相位矢量，P_bin为相位相关的二值域上的矩阵，A_init为APSK星座图圆环的半径，A_bin为幅度相关的二值域上的矩阵。每一个信道接收到的符号对应m个比特，m个比特分为连续的前m2个比特和连续的后m1个比特，其中m1表示相位相关比特的数量，m2表示幅度相关比特的数量。

[0015] 依据上述主要特征，相位相关比特的判决距离公式为：其中，

[0016]； 为θi与APSK圆环上各星座点相位的夹角。

[0017] 依据上述主要特征，相位相关比特的对数似然比的计算公式为：

[0018] 其中jj=m2+1,...,m。

[0019] 依据上述主要特征，幅度相关比特的判决距离公式为：

[0020] 依据上述主要特征，幅度相关比特的对数似然比的计算公式为：

[0021]其中

[0022] 采用了本发明的技术方案，对现有的软解映射方法进行改进，即对接收符号进行预处理，简化了定点实现的复杂度，且在计算相位比特的判决距离时，设计了新的判决距离公式，进一步简化计算复杂度。本发明在简化了运算复杂度的情况下对系统的性能损失很小，对减少硬件实现消耗的资源以及提高计算速度有很大的帮助。

附图说明

[0023] 在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

[0024] 图1是本发明信道接收到的符号的结构示意图；

[0025] 图2是本发明APSK星座软解映射方法的流程图；

[0026] 图3是图2中相位相关比特的软解映射步骤；

[0027] 图4是图2中幅度相关比特的软解映射步骤；

[0028] 图5是使用了本发明的软解映射方法的效果仿真图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

[0030] 本发明从现有技术的角度出发，对现有技术的软解映射方法进行改进，主要集中在以下2个方面：

[0031] 1.对接收符号进行预处理，从而能够简化定点实现的复杂度。

[0032] 2.在计算相位比特的判决距离时，设计了新的判决距离公式，进一步简化计算复杂度。

[0033] 首先参考本发明的软解映射方法的输入。本发明的软解映射方法适用于APSK星座，也就是说，本发明的输入是由多个经过APSK星座调制的符号流所组成的，而符号流中的每一个APSK星座调制的符号均能够对应多个比特。参照图1，假设每一个APSK星座调制的符号对应于长度为m的比特组，即一个APSK星座调制的符号对应m个比特，则可以将这m个比特划分为连续的前m2个比特 和连续的后m1个比特 其中，m1表示相位相关比特的数量，m2表示幅度相关比特的数量。换句话说，如图1所示，前m2个比特与幅度解映射相关，后m1个比特 与相位解映射相关。

[0034] 参照图2，根据上述的2个主要改进方面，本发明的软解映射方法的主要方法可以概括为5个步骤：

[0035] 步骤1：将信道接收到的符号做预处理。

[0036] 步骤2：初始化系统参数。

[0037] 步骤3：将每一个信道接收到的符号对应的比特分为幅度相关比特和相位相关比特。

[0038] 步骤4：计算相位相关比特的判决距离公式，并且根据相位相关比特的判决距离公式计算相位相关比特的对数似然比。

[0039] 步骤5：计算幅度相关比特的判决距离公式，并且根据幅度相关比特的判决距离公式计算幅度相关比特的对数似然比。

[0040] 下面将上述5个步骤做展开说明。

[0041] 对于步骤1的预处理步骤，先定义本发明软解映射方法所针对的接收信号。在本发明中，定义对于信道接收到的第i个符号yi＝Hixi+ni，其中xi为发射的符号，Hi为对应接收符号yi的信道状态信息，ni为白色复高斯加性噪声，N0,i为ni对应的单边噪声功率，满2
足N0,j=|ni|。

[0042] 背景技术中提及的Max-Log-MAP算法公式可进一步表示为：

[0043]

[0044] 因此，在预处理步骤中，通过对上述参数的计算，主要的目的在于得到去信道信息后的接收符号 的幅度ri、相位θi，以及包含信道信息的标量因子 ，计算公式为：

[0045]

[0046] 另一方面， 的幅度和相位的计算公式为：

[0047]

[0048] 在上述公式中， 和 分别表示 的同相分量和正交分量，即若将 表示成a+bi的形式，则可以认为

[0049] 作为本发明的另一种实现方式， 的计算也可以在前级均衡模块完成，而无论将的计算放在前级均衡模块中计算还是放在预处理模块中计算，预处理模块的输出参量为ri，θi和

[0050] 参照图2，预处理步骤的输入为yi或 Hi和N0,i，其输出ri，θi和 之后，进行步骤2，将系统参数初始化。

[0051] 在本发明中，系统参数包括4个主要的参数，分别是A_init、A_bin、P_init、P_bin，其各自代表的含义如下所示。

[0052] P_init：APSK圆环每个星座点的相位组成的矢量，其中的每一个星座点的相位值用P_initk表示。

[0053] P_bin：相位相关的二值域上的矩阵，其大小是一个 行m1列的二值域上的矩阵，其矩阵的行比特序列之间是格雷映射。

[0054] A_init：APSK星座图所包含圆环从内到外的半径组成的矢量，其中的每一个半径值用A_initk表示，并且A_init1表示APSK星座图上最内圈的半径的大小，以此类推。

[0055] A_bin：幅度相关的二值域上的矩阵，其大小是一个 行m2列的二值域上的矩阵，其矩阵的行比特序列之间是格雷映射。

[0056] 在系统参数初始化之后，执行步骤3，即将每一个信道接收到的符号对应的比特分为幅度相关比特和相位相关比特。根据图1所示的系统输入，前m2个比特 与幅度解映射相关，后m1个比特 与相位解映射相关。

[0057] 如图2所示，步骤4和步骤5是两个并列的步骤，即针对相位相关的比特，计算其判决距离公式，并且根据相位相关比特的判决距离公式计算相位相关比特的对数似然比。同事，针对幅度相关的比特，计算其判决距离公式，并且根据幅度相关比特的判决距离公式计算幅度相关比特的对数似然比。

[0058] 参照图3所示的相位相关比特的软解映射步骤。

[0059] 步骤3.1：首先将去信道信息后的接收符号 的相位θi保持在0～2π的范围内，即如果θi＜0，则令θi＝θi+2π。

[0060] 步骤3.2：计算θi与APSK星座图圆环上每一个星座点的相位（即P_initk）的夹角 并且如果 则令

[0061] 步骤3.3：计算参数

[0062] 步骤3.4：计算参数rs，rs表示最靠近 的圆环半径，其计算公式为

[0063]

[0064] 步骤3.5：在计算得到上述参数之后，进一步通过上述参数计算相位相关比特的判决距离公式

[0065] 步骤3.6：利用上述相位相关比特的判决距离公式，计算与相位相关的m1个比特的软值，计算公式为：

[0066] 先计算min_1i,jj=minP_bin(k,jj)==1(Pi,k)，以及min_0i,jj=minP_bin(k,jj)==0(Pi,k)，再将上述两个式子代入对数似然比的计算式 m2

[0067] 其中jj=m2+1,...,m。

[0068] 另一方面，参照图4所示的幅度相关比特的软解映射步骤。

[0069] 步骤4.1：计算幅度相关比特的判决距离公式为

[0070]

[0071] 步骤4.2：利用上述幅度相关比特的判决距离公式，计算与幅度相关的m2个比特的软值，计算公式为：

[0072] 先计算min_1i,jj=minA_bin(k,j)j==1(Ai,k)，以及min_0i,jj=minA_bin(k,j)j==0(Ai,k)，再将上述两式子代入对数似然比的计算式 1≤jj≤m1中，得到：

[0073]其中

[0074] 下面通过一个实施例来说明，本发明软解映射方法的各个步骤计算复杂度低，易于硬件实现，并且在简化了运算复杂度的情况下对系统的性能损失很小，对减少硬件实现消耗的资源以及提高计算速度有很大的帮助。

[0075] 实施例

[0076] 假定一个实际的采用APSK调制的数字信号传输系统，其采用M=256阶APSK星座图，m1=5，m2=3，9/13码率的LDPC码，码长59904比特。LDPC码和Gray-APSK映射之间采用行列交织；解映射方法分别采Log-MAP算法和本发明的软解映射方法。LDPC解码算法采用BP算法，最大迭代次数为50次。信道为AWGN信道。

[0077] 在上述256-APSK星座调制下，系统的4个主要参数A_init、A_bin、P_init、P_bin分别是：

[0078] 各星座点的相位矢量为：

[0079] 对应的P_bin为32行5列的二值矩阵，表示为[00000;00001;00011;00010;00110;00111;00101;00100;01100;01101;01111;01110;01010;01011;01001;01000;11000;110
01;11011;11010;11110;11111;11101;11100;10100;10101;10111;10110;10010;10011;10
001;10000]。

[0080] 星座图各圆环的半径矢量为：

[0081] A_init=[0.2639,0.4750,0.6333,0.7916,0.9499,1.1346,1.3457,1.6360]。

[0082] 对应的A_bin为8行3列的二值矩阵，表示为[000;001;011;010;110;111;101;100]。

[0083] 根据本发明软解映射的5个步骤：

[0084] 步骤1：将信道接收到的符号做预处理。

[0085] 步骤2：初始化系统参数。

[0086] 步骤3：将每一个信道接收到的符号对应的比特分为幅度相关比特和相位相关比特。

[0087] 步骤4：计算相位相关比特的判决距离公式，并且根据相位相关比特的判决距离公式计算相位相关比特的对数似然比。

[0088] 步骤5：计算幅度相关比特的判决距离公式，并且根据幅度相关比特的判决距离公式计算幅度相关比特的对数似然比。

[0089] 在上述参数设置下，以1000个LDPC块作为信道接收到的符号流，仿真运行上述1000个LDPC块所得到的编码调制系统的BER仿真结果如图5所示，其中圆点表示的数据为现有的Log-MAP配合BP算法的结果，三角形的点表示的数据为本发明的方法配合BP算法的结果。

[0090] 由图5表示的曲线可以看出，在BER为10-6时，本发明的方法配合BP算法，相对于现有的Log-MAP配合BP算法，性能损失仅为0.05dB，定点化后的发明的方法性能损失仅约为0.07dB（未在图5中表示出），但利用本发明的软解映射方法的计算量得到了极大的简化。

[0091] 所属领域的技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。