基于星座旋转的编码调制系统设计与实现

通信与信息处理　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　《自动化技术与应用》２０１　２年第３１卷第ｌ期　道下性能并不理想；ＢＩＣＭ通过比特交织实现最大化汉　明距离，使得码字的分集阶数最大，从而在衰落信道下　也具有优异的性能。　本文考虑的发送和接收系统模型如下图所示：　Ｉ　Ｃ１ａｓｓｉｃａ１卜一一一＋Ｉ　经过星座旋转后信号的每一维坐标进行交织，然后重新　组合成所需维数的信号后送给后端模块。通过坐标交　织，ＳＳＤ技术使得衰落信道下原本属于同一个符号中的　各维分量经历了独立衰落，结合多维星座映射及其星座　旋转，可以进一步提高信号空间的分集阶数，从而获得　在衰落信道下的分集增益和容量增益。　下面以ＱＰＳＫ为例对ＳＳＤ技术的原理做一个简单的　说明。首先是坐标交织，坐标交织的作用是使符号的不　Ｉ．．１ＱＡ｜ｌ　ａｏｄｕｌａｔｏｒ　一一一．Ｑ　童萄　图１　ａ）传统的ＢＩＣＭ发射机（虚线）　同维度独立衰落，但仅仅进行坐标交织还不够。如图３　ｂ）改进的ＢＩＣＭ发射机　的左图所示，是未旋转的ＱＰＳＫ星座图。假设某个星座　点的虚部被衰落了，实部的信息还保留，由于四个星座　点在实轴上的投影只有两个点　、　，所以仅仅凭实部　的信息，我们虽然可以确定该星座点是在左半平面还是　右半平面，但无法确定是上半平面还是下半平面的点，　也就说仍然丢失了部分信息。这就需要引入星座旋转。　图２　ａ）传统的ＢＩＣＭ接收机（虚线）　如图３的右图所示，为旋转的ＱＰＳＫ星座图，经过星座　ｂ）改进的ＢＩＣＭ接收机　旋转之后，四个星座点在实轴上投影有四个点，这样仅　靠实部的信息就能完全区分四个星座点，即使虚部衰落　图１ａ）和图２ａ）为传统的ＢＩＣＭ（ＢＩＣＭ：Ｂｉｔ—Ｉｎｔｅｒ—　了也可以从实部的信息恢复这个符号。　ｌｅａｖｅｄ　Ｃｏｄｅｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）的系统框图，由编码器、比　需要说明的是，从信道容量的角度分析，在ＡＷＧＮ　特交织器和调制器串行级联构成。二进制信息比特序　信道下，ＳＳＤ技术并不能带来容量上的增益。在衰落信　列　经过编码后得到编码比特序列Ｃ，Ｃ经过比特交织　道下，对于ＱＡＭ星座图，由于其Ｉ／Ｑ两路是独立的，因　后得到重新排序的比特序列　，然后通过调制器进行星　此只进行坐标交织而不进行星座旋转并不能提高信道　座映射，得到符号序列　并发射。其中，星座映射将ｍ　容量；而对于类似于ＡＰＳＫ这样的星座图，Ｉ／Ｑ两路是相　个比特组成的比特组映射为一个　维实数向量表示的　关联的，可以不进行星座旋转。　符号（星座点）。　代表所有星座点组成的集合，称为星座　ｔ　图（Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ），集合大小为　＝２　，Ｕ　代表比特组　一　与星座点之间的对应关系，称为星座点映射方式　广一一　一１　．ｌ　Ｉ　。　，，　ｌ＼　一　（Ｌａｂｅｌｉｎｇ）。　Ｉ妇　ｘｉＩ　ｒｅ　２ｌ＼　吐　Ｕ　：｛０，１）　（２）　Ｉ　ｌ　ｒ　、　Ｉ＼　：　＼：　１　Ｉ　一，一，　．　＝｛（　，　）∈　）　（３）　Ｊ．＿・－—－　旦一－＿Ｊ　、：　０一一。　，　．　其中，　是　（　）的同相分量，　是ｕ（ｖ）的正交分　●——。　量。　图３　星座旋转示意图　２．３信号空间分集ＳＳＤ　衰落信道下分集阶数的提高能够增大信道容量，比　３　方案设计　特交织提高分集阶数主要表现在信道编解码模块，而对　３．１改进思路　应星座映射和解映射的分集阶数则受到星座图的限制。　本方案的改进的主要目的是通过使Ｉ和Ｑ路独立衰　信号空间分集（ＳＳＤ：Ｓｉｇｎａｌ　ｓｐａｃｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）技术最先由　落增加图ｌ　ａ）中编码调制的分集阶数。通过星座旋转，　Ｊ．Ｂｏｕｔｒｏｓ提出，结合适当的星座图旋转可有效地提高星　在同相分量和正交分量中引入相关性，这样ＱＡＭ调制　座映射和解映射的分集数。ＳＳＤ技术的基本操作为：将　自动化技术与应用　２０１　２年第３１卷第１期　通信与信息处理　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　不能简单的看成两路独立的ＰＡＭ。改进后的调制／解　上，这种交织可以简化为在Ｉ路和相关的Ｑ路分量之间　引入延迟。延迟的大小取决于信道的记忆性。对于平　调如图图ｌｂ）和图２ｂ）所示。　Ｌ　坦无记忆信道，一个符号周期的延迟就够了。因此Ｉ和　Ｑ独立衰落，这样每个ｂｉｔ的概率计算取决于两个时刻　●　Ｏ１ｌ１　●　ＯＯｌ１　●　ｉ０１ｉ　●　ｌ１１１　的信号。　ｐ（ｖ　ｂ　Ｄ）＝∑ｐ（ｘ，ｆ　Ｙｔ）　ｔ　；　●　Ｏ１１Ｏ　●　ＯＯ１Ｏ　●　１０１０　●　１１１０　＝∑ｐ（），，Ｉ　）　（　）　ｆ∈　；　（４）　其中　＝（（《　，　）∈　），ｘ／＿　和　是Ｕｍ（Ｖ　）　０●　１００　０●　０００　●　●　ｉ●　０００　儿Ｏ．、　　墨　的同相分量和正交分量；　＝ｂ，ｂ＝（０，１），ｉ＝Ｏ…　；　ｋ是ＤｅｌａｙＱ中延迟的符号周期数；则解调器输出的软　信息为：　０１０１　０００１　１００１　●　１１０１　●　ｐ（ｖＩ＝ｂＩ　ｙ，；０）＝　（　，）∈　也　ｘｙ　日　（５）　图４　１　６一ＱＡＭ格雷映射　对于ＱＡＭ调制，采用Ｇｒａｙ映射后，Ｉ路和Ｑ路能　其中　尺：　是信道噪声变量，　够分别映射成两个独立的ＰＡＭｓ。如图图４所示，比特　和　映射到Ｉ路，同理比特Ｓ３和　４映射到Ｑ路。因　此在接收端，在星座点的解调中同时需要Ｉ和Ｑ的信　Ｈ＝ｅｘｐ（　（Ｉ　－ｐ，　３￣ｔ／ｋ　Ｉ　＋１）《２一ｐｆ　ｌ　）　－２　３．２坐标交织　采用ｓ伪随机（ｓ—Ｒａｎｄｏｍ）交织　１。Ｓ－Ｒａｎｄｏｍ具　息，但是Ｉ和Ｑ之间不会相互提供信息。为了在Ｉ路和　Ｑ路中引入相关性，可以对星座做一定角度的旋转，表　１给出各种调制方式下最佳的星座旋转角度，对于其它　星座的最优旋转角度，可以通过大量的ｍａｔｌａｂ仿真获　得。在接收端解调时，对于接收到的每个点计算ＬＬＲ　有如下距离特性，设输入序列的下标为ｆ和　，输出序列　的下标为ｆ（ｉ）和ｆ（Ｊ），则ｓ—Ｒａｎｄｏｍ交织器能够保　证：如果Ｉ　—　ｋ　Ｓ，那么ｌ　ｆ（ｉ）一ｆ（Ｊ）Ｉ＞Ｓ。　（１ｏｇ—ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ　ｒａｔｉｏ）需要计算其到每个星座点之间　的欧式距离。　４　仿真结果及分析　为了验证本文提出的ＢＩＣＭ—ＳＳＤ系统的优异性能，　表１　最佳旋转角度值　渊制疗式　ＱＰＳＫ　本小节将给出一个带有各项具体参数的ＢＩＣＭ—ＳＳＤ系　统，并分别对ＱＰＳＫ、ｌ６ＱＡＭ两种星座映射方案下该系　旋转『ｆｊ度（瞍）　２９．Ｏ　统的性能进行分析和比较。该ＢＩＣＭ—ＳＳＤ系统的具体　参数如下：　１）信道编码：码率２／３的Ｔｕｒｂｏ乘积码；　２）码长：１０２４；　１６ｏＡＭ　６＇ＩＱＡＭ　２５６ＱＡＭ　１６．８　８．６　３．６　３）　比特交织：Ｓ伪随机交织；　４）调制方式：ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ；　５）　坐标交织：Ｊｉ：个符号周期延迟；　星座旋转后，还需要保证Ｉ和Ｑ路独立衰落，在Ｉ路　和Ｑ路中引入交织能够获得额外的分集增益。实际　６）解映射算法：Ｌｏｇ－ＭＡＰ算法；　７）解码算法：ＦＢＡ算法［　１；　●五Ｒ　ＯｒＬｌｔ工　通信与信息处理　自动化技术与应用　２０１　２年第３１卷第ｌ期　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　１　ｏ．’　：　—～　ｆ　ｌ　＾．一一一　ｃａＩ　ＢＩＣＭ　能够充分利用空间分集增益，以提高性能增益，代价只　Ｊ　。…●ｑ　ｑ……　ｌ．．～ｈ　・　、　】　Ｒｏｔａｔｅｄ　ａｎｄＱ　ｄｅｌａｙ　是较小的系统复杂性增加。实际上处理复杂性并没有　明显增加。　１　＼　：　对于有记忆衰落信道，可以用导频序列来估计信道　ｒ　、　≮　’、　　的记忆性，然后合理选取Ｉ和Ｑ路的时延ｋ以保证Ｉ和Ｑ　１　ｏ＿　路独立衰落，而且还可以采用交织方法，例如本文中采　、　用的Ｓ交织器，以获得空间分集增益。　ｌ　１　、　同时，采用星座旋转技术更大的好处在于能够提　：ｋ：：：　：：　高系统的鲁棒性，在删除信道中，能够大大提高系统的　、　健壮性。　１　０－　＼　本文初步探讨了旋转星座技术，以及与信道编码结　３　３．５　４　４．５　５　５．５　６　６．５　合的研究结果。更深入的研究还将继续进行。　Ｅｂ，Ｎ０＿ｎ　ｄＢ　图５　无记忆平坦Ｒａｙｌｅｉｇｈ信道下ＱＰＳＫ的　参考文献：　误码性能　［１］ＢＯＵＴＲ０Ｓ　Ｊ，ａｎｄ　ＶＩＴＥＲＢＯ　Ｅ．Ｓｉｇｎａｌ　ｓｐａｃｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ａ　ｐｏｗｅｒ—ａｎｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｔｅｃｈ—　在Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道下，误码性能仿真结果如图５、　ｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｆａｄｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　图６所示。从图中看出，在误码率为１０＿４时，本文提出　Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，１９９８，４４（４）：１４５３－１４６７．　的改进方案无论在低阶的ＱＰＳＫ还是高阶的１６ＱＡＭ都　【２】Ｘ．ＧＩＲＡＵＤ，Ｅ．ＢＯＵＴＩＬＬＯＮ，ａｎｄ　ｊ．Ｃ．Ｂｅｌｆｉｏｒｅ，　能比传统的ＢＩＣＭ系统获得大约０．３ｄＢ的增益，这额外　“Ａｌｇｅｂｒａｉｃ　ｔｏｏｌｓ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　ｆａｄｉｎｇ　的０。３ｄＢ增益便是星座旋转在衰落信道下的空间分集　ｃｈａｎｎｅｌｓ，”ｌＪ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．，１９９７，４３（３）：９３８—９５２．　［３】Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　带来的增益。　ＥＴＳＩ　Ｙｏｒｋ，‘Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｉｄｅｏ　Ｂｒ０ａｄｃａｓｔｉｎｇ（ＤＶＢ）；Ｆｒａｍｅ　１Ｏ　１　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａ　Ｓｅｃｏｎｄ　１十一Ｒｏｔａｔｅｄ　ａｎｄ　Ｑ　ｄｅｌａｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ　Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　Ｉ——　一ＣｌａｓｓＩｃａｌ　ＢＩＣＭ　Ｓｙｓｔｅｍ（ＤＶＢ—Ｔ２）’［Ｚ】．ＥＮ　３０２　７５５　Ｖ．１．１．１．，Ｓｅｐｔ．２００９．　、　＼　１０．２　…．　．【４】‘Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ　ｆｏｒ　ａ　ｓｅｃｏｎｄ　ｇｅｎｅｒａ—　ｉ　、　ｔｉｏｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ　ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ（ＤＶＢ——　、＼　Ｔ２）’．ＤＶＢ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ａ１３３（ｄｒａｆｔ　ＥＴＳＩ　ＴＲ　１０２　８３１　Ｖ０．１０．　、　＼　ｏｏ）［ｚ１．Ｄｅｃ．２００９　＼．．　［５］ＵＮＧＥＲＢ０ＥＣＫ　Ｇ．Ｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ－　＼＼　＼　ｌｅｖｅｌ／ｐｈａｓｅ　ｓｉｇｎａｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，１９８２，２８（１）：　：：．｜￣　’　ｊ：　５５—６７．　ｋ　＼　＼　［６］ＣＡＩＲＥ　Ｇ，ＴＡＲＩＣＣＯ　Ｇ，ａｎｄ　ＢＩＧＬＩＥＲＩ　Ｅ．Ｂｉｔ－ｉｎ－　１０－ｓ　＼、、＼、　…＿＿　ｔｅｒｌｅａｖｅｄ　ｃｏｄｅｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｉｆｎｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，　１９９８，４４（３）：９２７－９４６．　［７】Ｊ．ＦＡＮＧ，Ｆ．ＢＵＤＡ　ａｎｄ　Ｅ．ＬＥＭＯＩＳ，“Ｔｕｒｂｏ　Ｐｒｏｄ－　４　５　６　７　８　９　Ｅｂ，Ｎ０　Ｉｎ　ｄＢ　ｕｃｔ　Ｃｏｄｅ：Ａ　Ｗｅｌｌ　Ｓｕｉｔａｂｌｅ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｔｏ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐａｃｋｅｔ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｆｏｒ　Ｖｅｒｙ　Ｌｏｗ　Ｅｒｒｏｒ　Ｒａｔｅｓ，”［Ｃ】．Ｐｒｏｃ．Ｏｎ　２ｎｄ　图６　无记忆平坦Ｒａｙｌｅｉｇｈ信道下１６ＱＡＭ的　Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｏｎ　Ｔｕｒｂｏ　Ｃｏｄｅｓ＆Ｒｅｌａｔｅｄ　Ｔｏｐｉｃｓ，ｌ０１一ｌ１ｌ，　误码性能　Ｂｒｅｓｔ　Ｆｒａｎｃｅ，Ｓｅｐ．２０００．　【８】Ｃ．ＦＲＡＧＯＵＬＩ　ａｎｄ　Ｒ．Ｄ．ＷＥＳＥＬ，“Ｓｅｍｉ－ｒａｎｄｏｍ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｒｉｔｅｒｉａ，”【Ｃ】．ＩＥＥＥ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎ．Ｃｏｎｆ．，　５　结束语　ＧＬＯＢＥＣＯＭ’９９．Ｒｉｏ　ｄｅ　Ｊａｎｅｉｒｏ，Ｂｒａｚｉｌ，Ｄｅｃ．１９９９：２３５２－２３５６．　本文提出一种基于星座旋转的ＢＩ　ＣＭ方法应用于　作者简介：郭黎利（１　９　５　５一），男，工学博士，教授，博士生导师　衰落信道中，相比传统的ＢＩＣＭ系统，主要研究了如何　研究方向：现代通信系统理论与技术，数字信号处理技术。