专利名称：用于低密度奇偶校验编码的16apsk系统的比特映射方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字通信，且具体地涉及用于LDPC (低密度奇偶校 验)编码的16APSK系统的比特映射方案。相关申请本申请涉及絲##提交的专利序列号、标题为"A Bit Mapping Scheme for an LDPC Coded 32APSK System"，和在#絲#提交的，序列 号为No.的标题为"An Interleaving Scheme for an LDPC Coded 16APSK System"的申请。
背景技术：
通信系统使用前向差错控制(FEC)编码以保证数据经噪声通信信道的可靠传输。基于香农的理论，这些通信信道在确定的信噪比(SNR)下具有以比特每码元表示的确定的容量，这被定义为香农限。 通信和编码理论中研究领域之一涉及设计以合理的复杂度提供逼近香农限性能的编码方案。已经表明使用置信传播(BP)解码的LDPC码 具有可控的编码和解码复杂度，并能提供接近香农限的性能。在最近Yan Li禾口 William Ryan发表于IEEE Communications Letters, vol. 9， no.l， January 2005的名为"Bit-Reliability Mapping in LDPC-Codes Modulation systems (LDPC码调制系统中的比特可靠性映 射)"的论文中，作者研究了采用8PSK的LDPC编码的调制系统的性 能。利用作者建议的比特可靠性映射策略，实现了超过非交织方案大 约0.15dB的性能改进。而且作者还表明格雷映射比其它映射方案，比 如自然映射，更加适于高阶调制
发明内容
本发明的多种实施例涉及16APSK调制系统中的比特映射方案。 这些实施例的技术特别适合于与LDPC码一起使用。Gallager在60年代首先描述LDPC码。LDPC码性能非常逼近香 农限。具有码长度N和维度K的二进制(N， K) LDPC码由(N-K) 行和N列的奇偶校验矩阵H定义。矩阵H的大多数元素是零且仅少数 元素是一，因此矩阵H是稀疏的。矩阵H的每行表示校验和，且每列 表示变量，例如，比特或码元。Gallager描述的LDPC码是规则的，也 就是，奇偶校验矩阵H具有恒定的行重和列重。规则的LDPC码能够扩展形成非规则的LDPC码，其中行重和列 重是变化的。非规则的LDPC码由分别定义变量和校验节点度分布的 度分布多项式(degree distribution polynomial) v(x)和c(x)指定。更加 具体地说，非规则LDPC码可以定义如下<formula>formula see original document page 7</formula> (1)和<formula>formula see original document page 7</formula>(2)其中变量"，M和《n^分别是最大变量节点度和校验节点度，且"(。)表示从度数为j的变量(校验)节点发出的边缘(edge)的分数 (fraction)。虽然非规则LDPC码在表示和/或实现上比规则LDPC码 更加复杂，但是理论上和经验上都已表明，具有适当选择的度分布的 非规则LDPC码优于规则LDPC码。图1说明了码字长度六的示例性 非规则LDPC码的奇偶校验矩阵表示。LDPC码还可由二分图或Ta皿er图表示。在Tanner图中，被称为变量节点(或比特节点)的一组节点对应于码字的比特，而被称为约
束节点(或校验节点)的另一组节点对应于定义LDPC码的一组奇偶 校验约束。比特节点和校验节点通过边连接，并且如果比特节点和校 验节点通过边相连，则认为它们是邻近或相邻的。通常，假定一对节 点通过最多一条边连接。图2说明了如图1所示的非规则LDPC码的二分图表示。能够以多种方式解码LDPC码，比如多数逻辑解码和迭代解码。 因为其奇偶校验矩阵的结构，LDPC码是可多数逻辑解码的。虽然对于 在奇偶校验矩阵中具有相对高的列权重的一些类型的LDPC码(例如， 欧几里得几何LDPC和投影几何LDPC码)，多数逻辑解码需要最小 的复杂度且能实现相当不错的差错性能，但是迭代解码方法因为它们 更好的性能对于复杂度的折中而得到了更多的关注。不同于多数逻辑 解码，迭代解码基于定义码型的约束条件，通过对所接收码元的回溯 处理来提高每个码元的可靠性。在第一次迭代中，迭代解码器仅使用 信道输出作为输入，并对每个码元产生可靠性输出。随后，将每次解码迭代过程结束时对解码码元输出的可靠性度量 结果用作下一次迭代的输入。解码过程直到满足停止条件时结束，之 后基于来自最后一次迭代的解码码元输出可靠性度量做出最后判决。 根据在每次迭代期间使用的可靠性度量的不同特征，迭代解码算法可 被进一步划分为硬判决、软判决和混合判决算法。对应的常用算法分 别是迭代比特翻转(BF)，置信传播(BP)和加权比特翻转(WBF) 解码算法。已经证明当相应的Tanner图是非循环时，BP算法能够实现 最大似然解码，因而其成为最流行的解码方法。LDPC码的BP是一种信息传递解码(message passing decoding)。 沿着图的边发送的信息是和对应于码字比特的变量节点相关联的对数-似然比(LLR) log^。在这个表达式中，p。和A分别表示相关比特值
是0或1的概率。BP解码通常包括两个步骤，水平步骤和垂直步骤。 在水平步骤中，每个校验节点 将基于除了来自比特6,,外所有进入校 验C,，,的"比特-到-校验"信息计算而得的"校验-到-比特"信息，发送 到相邻节点6 。在垂直步骤中，每个比特节点&将基于除了来自校验节 点^,外所有进入比特6 的"校验-到-比特"信息计算而得的"比特-到-校验"信息，发送到相邻的校验节点 。重复这两个步骤直到找到可 用的码字或达到最大的迭代次数。因为其利用BP解码的显著性能，非规则LDPC码对于很多应用 都是最好的选择之一。多种通信和存储标准，比如DVB-S2/DAB，有 线线路ADSL, IEEE802.11n禾口 IEEE802.16等，己经采用或正在考虑采 用多种非规则LDPC码。LDPC码的阈值被定义为最小SNR值，在该值下，当码字长度趋 于无穷时，能够使比特差错概率任意小。LDPC码阈值的数值能够由被 称为密度演化(density evolution)的分析工具确定。密度演化的概念也能够回溯到Gallager的结果。为确定BF解码的 性能，Gallager推导了作为在迭代开始时的输入BER的函数，每次迭 代的输出BER的计算公式，进而可迭代地计算出在给定迭代次数处的 BER。对于连续的字符表(alphabet)，计算更加复杂。需要逐次计算 出在比特和校验节点之间交换的置信消息的概率密度函数(pdf)，再 基于这些pdf导出每次迭代的平均BER。在校验节点处理和比特节点 处理中，每个出向置信信息是入向置信信息的函数。对于度《的校验 节点，每个出向信息U能够由《-1个入向信息的函数表示，其中，巧表示从BP解码确定的校验节点处理函数。类似的，对 于度《的比特节点，每个出向信息F能够由《-1个入向信息和信道置 信信息t^,的函数表示， 其中，^表示比特节点处理函数。虽然对于校验和比特节点处理， 对于给定解码算法可以基于入向信息的pdf导出出向信息的pdf，但是 可能存在指数级的大量的入向信息的可能形式。因此，密度演化处理 看起来很难。幸运的是，已经证明对于给定信息传递算法和噪声信道， 如果满足一些对称条件，那么解码BER独立于发送序列x。也就是说， 基于对称假定，全零发送序列;c-l的解码BER和任意随机选择的序列 的相同，因此能够显著简化密度演化的推导。高效密度演化所需的对 称条件是信道对称、校验节点对称和比特节点对称。用于密度演化的 另一假定是Tanner图是非循环(cyclic free)的。根据这些假定，到比特和校验节点的入向信息是独立的，且因此 能够显著简化出向信息的pdf的推导。对于具有实际作用的很多LDPC 码，相应的Tanner图包括循环。当LDPC码的Tanner图中循环(或围 长(girth))的最小长度等于4X/时，那么在利用标准BP解码时第/ 个解码迭代之后独立假定不成立。但是，对于给定的迭代数，当码长 度增加时，对于增加的迭代数能够满足独立条件。因此，密度演化可 以预测一组LDPC码的渐近性能，且所谓的"渐近"特性需就码长度 的意义而言。根据本发明的多种实施例，比特映射方案提供LDPC码的良好阈 值。另外，比特映射方案能够促进16APSK调制系统中交织设置的设 计。根据本发明的多种实施例，所公开的比特映射提供LDPC编码的 16APSK系统的良好性能，且简化16APSK系统中的交织设置。根据本发明的多种实施例， 一种使用FEC码的16APSK系统中比 特映射的方法包括从发射器发送数字信号；和在接收器接收数字信 号，其中该数字信号利用具有FEC编码的16APSK系统，且在发送之 前根据图4表示的公式比特映射该信号。根据本发明的多种实施例，FEC码是规则LDPC码。根据本发明的多种实施例，FEC码是非规则LDPC码。根据本发明的多种实施例，FEC码是规则重复累积码。根据本发明的多种实施例，FEC码是非规则重复累积码。根据本发明的多种实施例， 一种数字通信系统包括发射器，发 送数字信号；和接收器，接收数字信号；其中该数字信号利用具有FEC 编码的16APSK系统，且在发送之前根据图4表示的公式比特映射该信号。根据本发明的多种实施例， 一种数字通信系统包括发射器，发 送数字信号；和接收器，接收数字信号；其中该数字信号利用具有FEC 编码的16APSK系统，且使用格雷映射比特映射该信号，且基于来自 通信信道的对数似然比的值对该数字信号的比特排序。
在相应附图中，通过实例的方式，而不是通过限定的方式说明本 发明。在附图中相同的附图标记表示相似的部分，在附图中图1是码字长度六的示例性非规则LDPC码的奇偶校验矩阵表示;图2说明了如图1所示的非规则LDPC码的二分图表示；图3说明了根据本发明的各个实施例，在16APSK调制中的比特映射功能模块；和图4说明了根据本发明的各个实施例，用于16APSK码元的比特映射；
图5说明了根据本发明的各个实施例，采用LDPC码和16APSK 调制的通信系统的实例；图6说明了根据本发明的各个实施例，釆用图5中的16APSK调 制的发射器的实例；和图7说明了根据本发明的各个实施例，采用图5中的16APSK调 制的接收器的实例。
具体实施方式
参考附图，给出根据本发明各个实施例的使用LDPC码的示例性 编码的比特映射方法的详细描述。虽然本发明是通过LDPC码描述的，但是应该认识到可同样在其 它码中使用该比特映射方法。另外，应该理解，可以在非编码系统中 实现该方法。图5是根据本发明的各个实施例，采用具有16APSK调制的LDPC 码的通信系统的示例图。示例性的通信系统包括发射器501，该发射器 产生信号波形经通信信道502到接收器503。发射器501包括用于产生 离散的一组可能的信息的信息源。这些信息均对应于一信号波形。该 波形进入信道502且被噪声破坏。采用LDPC码以减少由信道502引 入的干扰，且采用16APSK调制方案以将LDPC编码的比特转换为信 号波形。图6描述了图5的通信系统中的示例性发射器，该发射器采用 LDPC码禾口 16APSK调制。LDPC编码器602将来自源601的信息比特 编码为LDPC码字。从每个信息块到每个LDPC码字的映射由LDPC 码的奇偶校验矩阵(或等效的生成矩阵)确定。由交织器/调制器603 基于16APSK比特映射方案将LDPC码字交织和调制为信号波形。这 些信号波形被发送到发射天线604并传播到如图7所示的接收器。 图7描述了图5的示例性接收器，该接收器采用LDPC码和16APSK解调器。由接收天线701接收信号波形，并将其分发到解调器 /解交织器702。由解调器解调并由解交织器解交织信号波形，之后将 其分发到迭代地解码接收到的消息的LDPC解码器703，并输出对发送 的码字的估计。解调器/解交织器702采用的16APSK解调规则应该和 交织器/调制器603采用的16APSK调制规则匹配。根据本发明的各个实施例，如图3所示，示例性的16APSK比特 到码元映射电路每次操作使用四个比特(^， 64i+1, 64,+2， 64i+3)，并将它们 映射到I值和Q值，其中!'=0， 1，2,....。比特映射逻辑如图4所示。根 据本发明的各个实施例，比特的映射由下式定义-<formula>formula see original document page 13</formula>根据本发明的各个实施例，图4的比特映射方案使用格雷映射， 意味着相邻点的二进制表示仅有一个比特的不同。密度演化分析显示， 给定LDPC编码的16APSK系统，示例性的格雷映射方案能够提供最 好的阈值。图4的比特映射方案还以基于来自通信信道的对数似然比
的值的顺序排列比特。这种处理简化了 16APSK系统的交织方案的设 计。虽然通过示例性实施例的方式描述了本发明，应该理解在本发明 的精神和范围中可做出多种其它变化和修改。因此，本发明权利要求 的目的是覆盖所有在本发明的真正精神和范围中的这些修改和变更。
权利要求
1.一种16APSK系统中的数字映射方法，该方法包括从发射器发送数字信号；和在接收器接收该数字信号；其中该数字信号在发送之前根据下面公式来进行比特映射，其中R1是内环的半径而R2是外环的半径
2.如权利要求l所述的方法，其中，该系统使用FEC码。
3. —种数字通信系统，包括 发送数字信号的发射器，其中，该数字信号使用具有FEC编码的16APSK系统，且使用格 雷映射来对该信号进行比特映射，并且基于来自通信信道的对数似然 比的值对该数字信号的比特进行排序。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，该FEC码是规则LDPC码。
5. 如权利要求3所述的方法，其中，该FEC码是非规则LDPC码。
6. 如权利要求3所述的方法，其中，该FEC码是规则重复累积码。
7. 如权利要求3所述的方法，其中，该FEC码是非规则重复累积码。
8. —种数字通信系统，包括发射器，用于发送数字信号，其中对于z'-0，1,2,....，该发射器基 于下面的公式将至少一个四比特(64" 64,.+1， 64i+2, 64&3)的映射组调制为 16APSK码元<formula>formula see original document page 3</formula>其中，R,是内环的半径而R2是外环的半径。
9. 一种数字通信系统，包括接收器，用于接收数字信号，其中该接收器包括解调器，对于—0, 1， 2,....，基于下面的16APSK星座定义将16APSK码元映射为由四比 特组(64,', 64,+1, 64,.+2， 64,+3)组成的消息估值:<formula>formula see original document page 4</formula>其中，Ri是内环的半径而R2是外环的半径。
10. —种存储计算机程序的计算机可读介质，在该计算机程序中， 对于—0, 1, 2，....， 一种16APSK调制过程基于下面的公式将四比特组 (64,, 、+1， 64,.+2' 64/+3)映射为16APSK码元<formula>formula see original document page 5</formula>其中，R,是内环的半径而R2是外环的半径
全文摘要
一种数字通信系统，该系统具有发送数字信号的发射器；和接收该数字信号的接收器；其中该数字信号利用16APSK系统，且使用格雷映射来比特映射该信号，且基于来自通信信道的对数似然比的值排序该数字信号的比特。
文档编号H04L27/18GK101150552SQ200610153760
公开日2008年3月26日 申请日期2006年9月18日 优先权日2006年9月18日
发明者孙凤文, 张军坦, 李薰春 申请人:国家广播电影电视总局广播科学研究院;张军坦;李薰春;孙凤文