专利名称：多模式qam统一星座图标签的构建方法及调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域的数字调制与解调技术，具体涉及一种适用于自适应多模式正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)的多模式QAM统一星座图标签的构建方法及调制器。
背景技术：
自适应多模式QAM可以根据信道的实时状态以及业务的不同特性动态调整调制电平数，从而可以充分挖掘通信系统的传输潜力，提高频谱利用率，以获得最大的传输容量和较高的可靠性。当系统工作于非衰落信道时，增加星座点数，提高系统的传输速率；而当系统工作于衰落信道时，减小星座点数，降低系统的传输速率，使系统性能达到可接受的误比特率(Bit Error Rate，BER)，而整个过程保持发射功率为常数。不同模式QAM的星座图和星座标签各不相同，这便使不同模式QAM的星座映射之间存在差异，也给自适应QAM调制带来一定的不便。如目前矩形QAM星座图标签的获得常采用电平幅度编码方式。其标签是对QAM星座的I路、Q路电平幅度进行格雷编码获得的。然而，不同的QAM调制中，由于所使用的星座电平数不同，故其星座标签各不相同且没有内在的统一性，如具代表性的中国的数字电视地面多媒体广播(Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting, DTMB)系统中，16QAM 的标签与电平之间的对应关系为，00 -6, :01-2,11 :2,10 6 ；而64QAM的标签与电平之间的对应关系为，000 :_7， 001 :-5,011 :-3,010 :-1,110 :1，111 :3，101 :5，100 :7。这就意味着若要使自适应 QAM 系统的调制方式包括16QAM和64QAM，则其星座映射的实现至少需建立两套映射表16QAM星座映射表和64QAM星座映射表。如果自适应QAM调制系统包含的调制方式更多，则其映射关系将更加复杂，需要建立的映射表也将更多，这无疑增加了系统实现时的复杂度和资源消耗量。可见，不同模式QAM星座图标签规则之间的差异，对自适应多模式QAM调制来说显然是个不利因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多模式QAM的统一星座图标签的构建方法及调制器，使之能够适用于22nQAM(η为自然数，η ^ 1)调制方式的多个正方形星座，并使小星座图包含在大星座图中、各个星座图标签之间存在特定的推衍关系，从而使包括4QAM、 16QAM、64QAM、256QAM等多种调制方式的自适应QAM映射规则统一、硬件实现资源消耗减为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现本发明一种多模式QAM统一星座图标签的构建方法，包括星座图的构建步骤及星座图标签的构建步骤。其中，所述星座图标签的构建步骤包括22nQAM统一星座标签由2η位标签即Iw1Iw2…I^bnIv1Iv2…I^btl构成，其中η为大于0的自然数；上述2η位标签中的高η位即b2lrib2n_2…bn+1bn表示Q路电平值，低η位即
3bn-^-b^o表示I路电平值；上述表示I路电平值的η位标签和表示Q路电平值的η位标签的推衍规律相同，且符合格雷码的映射规则，即①对于I路标签Idci和Q路标签bn :b0 = 1代表I路第一个正电平值，k = 0代表 I路第一个负电平值；bn = 1代表Q路第一个正电平值，bn = 0代表Q路第一个负电平值；②对于I路标签IviIvf I^bci和Q路标签1 ^ ^…bn+1bn由k位格雷码扩展到 k+Ι位格雷码的规则为将原来k位格雷码前面补0，作为k+Ι位格雷码表示的2k+1个电平中绝对值较小的2k个电平值；再将原来k位格雷码按相反顺序即成镜像排列，前面补1，作为k+Ι位格雷码表示的2k+1个电平中绝对值较大的2k个电平值。根据上述星座图标签构建步骤所获得的星座图标签映射表可适用于任意方法构建的22nQAM正方形星座图，但在本发明中，最好采用如下步骤进行星座图的构建，即通过在22nQAM正方形星座图的基础上增加新的星座点，扩展得到22n+2QAM正方形形星座图分别在22nQAM的正方形星座图I路坐标和Q路坐标的正和负4个方向上各增加 211-1个电平，使I路、Q路的电平都从2n个扩展为2n+1个，通过在所有2n+1个I路电平和2n+1 个Q路电平的各种组合处增加星座点得到22n+2QAM正方形星座；上述星座扩展中，I路、Q路电平增加规律相同，新增电平的绝对值在原有电平绝对值的基础上依次增大，并使新增电平和原有电平构成等差数列关系；其中η为大于0的自然数。本发明一种多模式QAM统一星座图标签调制器，主要由串并变化模块、多模式星座映射模块、I路平均功率归一化模块、Q路平均功率归一化模块、I路预调制低通滤波器、Q 路预调制低通滤波器、I路混频器、Q路混频器、加法器、数控振荡器和控制器构成。输入比特数据送入串并变化模块中，串并变化模块的输出端连接至多模式星座映射模块输入端； 多模式星座映射模块的I路输出端依次经过I路平均功率归一化模块、I路预调制低通滤波器和I路混频器与加法器的输入端相连；星座映射模块的Q路输出端依次经过Q路平均功率归一化模块、Q路预调制低通滤波器和Q路混频器与加法器的输入端相连；数控振荡器产生同频正交载波，其余弦载波输出端连接I路混频器，正弦载波输出端连接Q路混频器； 控制器的输出端分别连接至多模式星座映射模块、I路平均功率归一化模块和Q路平均功率归一化模块；加法器的输出端输出QAM信号。上述方案中，星座图与星座图标签的映射表存储在星座映射模块中。与现有技术相比，本发明将统一星座标签生成的映射表存储到所设计的多模式 QAM调制器的星座映射模块中，可以使调制器根据不同的控制信号，自适应地完成4QAM、 16QAM、64QAM、256QAM等不同模式的22nQAM调制方式。同时，各个星座都能够按照格雷码建立映射表，使传输信号的相邻码元错误总是只造成1比特错误，所以系统的误比特性能达到最优。由于在实现多种模式QAM调制时只需要建立一个统一星座映射表，而不需分别建立所有包含模式的多个星座映射表，所以在硬件资源的消耗上，提高了硬件资源的利用率， 并且使不同模式QAM之间的切换变得很容易，控制方便。
图1为所构建多模式MQAM统一星座图及其标签；图2为使用多模式QAM统一星座图标签的调制器结构框图。
具体实施例方式参见图1，本发明一种多模式QAM统一星座图标签的构建方法，包括星座图的构建步骤及星座图标签的构建步骤。(1)所述星座图标签的构建步骤包括22nQAM统一星座标签由2η位标签即Iw1Iw2…I^bnIv1Iv2…I^btl构成，其中η为大于O的自然数；上述2η位标签中的高η位即b2lrib2n_2…bn+1bn表示Q路电平值，低η位即 bn-^-b^o表示I路电平值；上述表示I路电平值的η位标签和表示Q路电平值的η位标签的推衍规律相同，且符合格雷码的映射规则，即 ①对于I路标签Idci和Q路标签bn :b0 = 1代表I路第一个正电平值，b0 = 0代表 I路第一个负电平值；bn = 1代表Q路第一个正电平值，bn = 0代表Q路第一个负电平值；②对于I路标签IviIvf I^bci和Q路标签1 ^ ^…bn+1bn由k位格雷码扩展到 k+Ι位格雷码的规则为将原来k位格雷码前面补0，作为k+Ι位格雷码表示的2k+1个电平中绝对值较小的2k个电平值；再将原来k位格雷码按相反顺序即成镜像排列，前面补1，作为k+Ι位格雷码表示的2k+1个电平中绝对值较大的2k个电平值。在星座图标签的构建步骤中，η为大于0的自然数，即表示上述方法所获得的星座图标签映射表能够适用于4QAM、16QAM、64QAM、256QAM……等各种22nQAM调制方式的正方形星座图。(2)根据上述星座图标签构建步骤所获得的星座图标签映射表可适用于22nQAM正方形星座图，在本发明优选实施例中，采用如下步骤进行星座图的构建，即通过在22nQAM正方形星座图的基础上增加新的星座点，扩展得到22n+2QAM正方形形星座图分别在22nQAM的正方形星座图I路坐标和Q路坐标的正和负4个方向上各增加 211-1个电平，使I路、Q路的电平都从2n个扩展为2n+1个，通过在所有2n+1个I路电平和2n+1 个Q路电平的各种组合处增加星座点得到22n+2QAM正方形星座；上述星座扩展中，I路、Q路电平增加规律相同，新增电平的绝对值在原有电平绝对值的基础上依次增大，并使新增电平和原有电平构成等差数列关系；其中η为大于0的自然数，即表示上述星座图的构建方法能够以4QAM为构建基础，逐步推衍出16QAM、64QAM、 256QAM……等22nQAM正方形星座图。下面通过具体实例来对本发明进行进一步说明根据各种模式的22nQAM正方形星座图之间的包含关系，使其星座标签之间也存在某种推衍关系，并使星座标签按照格雷码建立映射表，本发明是通过调整星座图标签的格雷码编码顺序来实现的。在本发明优选实施例中，具体推衍与设计步骤是由4QAM星座及标签扩展得到16QAM星座及标签，由16QAM星座及标签扩展得到64QAM星座及标签，并以此类推，由22nQAM星座及标签扩展得到22n+2QAM星座及标签。详细过程如下(一)由4QAM星座图及星座图标签扩展得到16QAM星座图及星座图标签。4QAM星座的I路和Q路都只有两个电平，各用一位二进制标签表示，如标签0表示电平值-1，标签1表示电平值1。在4QAM星座的基础上扩展得到16QAM星座，使16QAM 星座图包含4QAM的所有星座点，即16QAM星座的I、Q两路各有四个电平值_3、-1、1、3，其中坐标为(士 1，士 1)的四个星座点即4QAM的所有星座点。16QAM星座图标签通过4QAM标签推衍得到，具体做法是和4QAM对应的四个星座点(士 1，士 1)，分别在原来的4QAM星座 I路、Q路标签前增加一位0，变成00和01，并分别表示电平值-1和1 ；在4QAM的基础上新增的12个星座点(士 1，士幻、(士3，士 1)、(士3，士幻，其星座I路、Q路标签也均为两位， 并分别与相邻星座点标签构成格雷码排列。这样便可以得到由4QAM星座标签推衍而来的 16QAM星座标签，其标签与所表示电平值的映射关系为，10 -3,00 :_1，01 :1，11 :3。(二)由16QAM星座图及星座图标签扩展得到64QAM星座图及星座图标签。根据上述过程(一)，16QAM星座的I路和Q路均有四个电平，各用两位二进制标签表示，其标签与所表示电平的映射关系为10 :-3,00 :-1,01 :1,11 :3。在16QAM星座的基础上扩展得到64QAM星座，使64QAM星座图包含16QAM的所有星座点，即64QAM星座的I、Q 两路各有八个电平值-7、-5、-3、-1、1、3、5、7，其中坐标为(士 1，士 1)、(士 1，士3)、(士3， 士 1)、(士3，士幻的16个星座点即16QAM的所有星座点。64QAM星座图标签通过16QAM标签推衍得到，具体做法是和16QAM对应的上述16个星座点，分别在其星座I路、Q路标签前增加一位0，变成三位标签，并与所表示电平的映射关系为010 :-3,000 :-1,001 :1,011 3 ；在 16QAM 的基础上新增的 48 个星座点(士 1，士5)、(士 1，士7)、(士3，士5)、(士3，士7)、 (士5，士 1)、、(士5，士3)、(士5，士5)、(士5，士7)、(士7，士 1)、(士7，士3) (士7，士5)、(士7， 士7)，其I路、Q路星座标签也均为三位，并分别与相邻星座点标签构成格雷码排列。这样便可以得到由16QAM星座标签推衍而来的64QAM星座标签，其标签与所表示电平值的映射关系为，100 -7,110 :-5,010 :-3,000 :_1，001 :1，011 :3，111 :5，101 :7。(三)由64QAM星座图及星座图标签扩展得到256QAM星座图及星座图标签。根据上述过程(二)，64QAM星座的I路和Q路均有八个电平，各用三位二进制标签表示，其标签与所表示电平的映射关系为100 :-7,110 :-5,010 :-3,000 :_1， 001 :1,011 :3,111 :5,101 :7。在64QAM星座的基础上扩展得到256QAM星座，使 256QAM星座图包含64QAM的所有星座点，即256QAM星座的I、Q两路各有十六个电平值-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15，其中坐标为(士 1，士 1)、(士 1， 士3)、(士 1，士5)、(士 1，士7)、(士3，士 1)、(士3，士3)、(士3，士5)、(士3，士7)、(士5，士 1)、 (士5，士3)、(士5，士5)、(士5，士7)、(士7，士 1)、(士7，士3) (士7，士5)、(士7，士7)的 64 个星座点即64QAM的所有星座点。256QAM星座图标签通过64QAM标签推衍得到，具体做法是和64QAM对应的上述64个星座点，分别在其星座I路、Q路标签前增加一位0，变成四位标签，并与所表示电平的映射关系为0100 :-7,0110 :-5,0010 -3,0000 -1,0001 :1， 0011 =3,0111 =5,0101 7 ；在 64QAM 的基础上新增的 192 个星座点(士 1，士9)、(士 1，士 11)、 (士 1，士 13)、(士 1，士 15)、(士3，士9)、(士3，士 11)、(士3，士 13)、(士3，士 15)、(士5，士9)、 (士5，士 11)、(士5，士 13)、(士5，士 15)、(士7，士9)、(士7，士 11)、(士7，士 13)、(士7，士 15)、 (士9，士 1)、(士9，士3)、(士9，士5)、(士9，士7)、(士9，士9)、(士9，士 11)、(士9，士 13)、 (士9，士 15)、(士 11，士 1)、(士 11，士3)、(士 11，士5)、(士 11，士7)、(士 11，士9)、(士 11， 士 11)、(士 11，士 13)、(士 11，士 15)、(士 13，士 1)、(士 13，士 3)、(士 13，士 5)、(士 13，士 7)、 (士 13，士 9)、(士 13，士 11)、(士 13，士 13)、(士 13，士 15)、(士 15，士 1)、(士 15，士 3)、(士 15， 士5)、(士 15，士7)、(士 15，士9)、(士 15，士 11)、(士 15，士 13)、(士 15，士 15)，其 I 路、Q 路星座标签也均为四位，并分别与相邻星座点标签构成格雷码排列。这样便可以得到由64QAM 星座标签推衍而来的256QAM星座标签，其标签与所表示电平值的映射关系为，1000 :_15，1010 :-13,1110 :-11,1100:-9,0100 :_7，0110-5,0010 -3,0000-1,0001 :1,0011 :3， 0111 :5,0101 7,1101 9,1111 11,1011 13,1001 :15。(四)由22nQAM星座图及星座图标签扩展得到22n+2QAM星座图及星座图标签。22nQAM正方形星座的星座点呈2nX2n排列，即在22nQAM的正方形星座图中I路和Q 路分别有2"个电平值；22n+2QAM正方形星座图的星座点呈2n+1X2n+1排列，即在22n+2QAM的正方形星座图中I路和Q路分别有2n+1个电平值；通过在22nQAM正方形星座图的基础上增加新的星座点，扩展得到22n+2QAM正方形形星座图，需要分别在22nQAM的正方形星座图I路坐标和Q路坐标的正和负4个方向上各增加2114个电平，使I路、Q路的电平都从2n个扩展为 2n+1个，通过在所有2n+1个I路电平和2n+1个Q路电平的各种组合处增加星座点得到22n+2QAM 正方形星座；上述星座扩展中，I路、Q路电平增加规律相同，新增电平的绝对值在原有电平绝对值的基础上依次增大，并使新增电平和原有电平构成公差为2的等差数列关系。由22nQAM的2η位星座标签推衍得到22n+2QAM的2n+2位星座标签方法如下设 22nQAM的2η位星座标签为斤义^“丸+礼!^!^…!^。，其中高η位即Iw1Iw2…bn+1bn表示 Q路电平值，低η位即Iv1Iv^I^bci表示I路电平值；对于I路标签Iv1Iv^I^bci和Q路标签IWibM-lvA由η位格雷码扩展到η+1位格雷码的规则为将原来η位格雷码前面补 0，得到η+1位I路标签OblriV,..bA和η+1位Q路标签0b2nb2n_1-bn+2bn+i'作为η+1位格雷码表示的2η+1个电平中绝对值较小的2"个电平值；再将原来k位格雷码按相反顺序即成镜像排列，前面补1，得到η+1位I路标签H.bA和η+1位Q路标签U2nV1 ...bn+2bn+1， 作为η+1位格雷码表示的2η+1个电平中绝对值较大的2η个电平值。由此得到的22n+2QAM的 2n+2位星座标签为b2n+1b2n_2…ΙνΛΙνΛ^ΛΙν其中高η+1位即b2n+九η+2…bn+1表示Q路电平值，低η+1位即表示I路电平值。按照上述推衍方法，可以方便地获得各种22nQAM(n为自然数，η ^ 1)的正方形星座及其统一星座的标签。本发明所构建的多模式QAM统一星座图标签如图1所示，星座图中每个星座点的坐标都由I路和Q路两个幅度值组成，且I、Q两路幅度分别取-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15 等 16 个值，这 16 个幅值从小到大按特定的4位格雷码排列，采用的格雷码排列顺序为:1000、1010、1110、1100、0100、0110、 0010、0000、0001、0011、0111、0101、1101、1111、1011、1001。根据图 1 可以方便地生成4QAM、 16QAM、64QAM、256QAM等星座图映射表，星座图映射表即星座点标签与对应的同相分量I和正交分量Q的电平幅值的映射关系。包括4QAM、16QAM、64QAM、256QAM等星座图的映射表为1000 -15,1010 -13,1110 :_11，1100:-9,0100:_7，0110 -5,0010 -3,0000 -1,0001 1,0011 :3,0111 :5,0101 :7,1101 :9,1111 :11,1011 :13,1001 :15。能够实现上述方法的一种多模式QAM统一星座图标签调制器，主要由串并变化模块、多模式星座映射模块、I路平均功率归一化模块、Q路平均功率归一化模块、I路预调制低通滤波器、Q路预调制低通滤波器、I路混频器、Q路混频器、加法器、数控振荡器和控制器构成。输入比特数据送入串并变化模块中，串并变化模块的输出端连接至多模式星座映射模块输入端；多模式星座映射模块的I路输出端依次经过I路平均功率归一化模块、I路预调制低通滤波器和I路混频器与加法器的输入端相连；星座映射模块的Q路输出端依次经过Q路平均功率归一化模块、Q路预调制低通滤波器和Q路混频器与加法器的输入端相连；数控振荡器产生同频正交载波，其余弦载波输出端连接I路混频器，正弦载波输出端连接Q 路混频器；控制器的输出端分别连接至多模式星座映射模块、I路平均功率归一化模块和Q 路平均功率归一化模块；加法器的输出端输出QAM信号。串并变化模块输入的比特数据变化为速率减半的两路并行比特序列；然后将其送入多模式星座映射模块，多模式星座映射模块在控制器的作用下将两路比特序列映射为相应QAM星座的I、Q路电平值并输出；I、Q两路输出分别经平均功率归一化模块，平均功率归一化模块在控制器的作用下对I、Q两路信号做平均功率归一化处理；经平均功率归一化的 I、Q两路信号分别经预调制低通滤波器进行限带处理；然后分别送入混频器与数控振荡器输出的余弦载波、正弦载波混频；两路混频后的信号送入加法器相加得到输出的QAM信号。上述适用于所构建的多模式QAM统一星座图标签的调制器可以通过分立的功能模块来实现，但在本发明优选实施例中，构成调制器的各个模块均可以用FPGA(现场可编程门阵列)来实现。根据上述多模式QAM统一星座图标签的构建方法所获得的星座图和星座图标签的映射表(参见图1)存储在图2的星座映射模块中，调制器根据控制器给出的不同控制信号，可以实现平均功率趋同的4QAM、16QAM、64QAM、256QAM等调制方式，且能够方便地根据控制信号的不同在不同模式QAM调制方式之间进行切换。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.多模式QAM统一星座图标签的构建方法，包括星座图的构建步骤及星座图标签的构建步骤，其特征是，所述星座图标签的构建步骤包括22nQAM统一星座标签由2η位标签即Ι^^^ΙνΛΙνΛνΙ^。构成，其中η为大于0 的自然数；上述2η位标签中的高η位即b2lrib2n_2…bn+1bn表示Q路电平值，低η位即ΙνΛγ·· b^o表示I路电平值；上述表示I路电平值的η位标签和表示Q路电平值的η位标签的推衍规律相同，且符合格雷码的映射规则，即①对于I路标签k和Q路标签bn:b0 = 1代表I路第一个正电平值，b0 = 0代表I路第一个负电平值；bn = 1代表Q路第一个正电平值，bn = 0代表Q路第一个负电平值；②对于I路标签bybwbA和Q路标签b2n_ib2n_2…bn+1bn由k位格雷码扩展到k+Ι位格雷码的规则为将原来k位格雷码前面补0，作为k+Ι位格雷码表示的2k+1个电平中绝对值较小的2k个电平值；再将原来k位格雷码按相反顺序即成镜像排列，前面补1，作为k+1 位格雷码表示的2k+1个电平中绝对值较大的2k个电平值。
2.根据权要求1所述的多模式QAM统一星座图标签的构建方法，其特征是，所述星座图的构建步骤为通过在22nQAM正方形星座图的基础上增加新的星座点，扩展得到22n+2QAM正方形形星座图分别在22nQAM的正方形星座图I路坐标和Q路坐标的正和负4个方向上各增加21"1 个电平，使I路、Q路的电平都从2n个扩展为2n+1个，通过在所有2n+1个I路电平和2n+1个Q 路电平的各种组合处增加星座点得到22n+2QAM正方形星座；上述星座扩展中，I路、Q路电平增加规律相同，新增电平的绝对值在原有电平绝对值的基础上依次增大，并使新增电平和原有电平构成等差数列关系；其中η为大于0的自然数。
3.一种多模式QAM统一星座图标签调制器，其特征是主要由串并变化模块、多模式星座映射模块、I路平均功率归一化模块、Q路平均功率归一化模块、I路预调制低通滤波器、 Q路预调制低通滤波器、I路混频器、Q路混频器、加法器、数控振荡器和控制器构成；输入比特数据送入串并变化模块中，串并变化模块的输出端连接至多模式星座映射模块输入端；多模式星座映射模块的I路输出端依次经过I路平均功率归一化模块、I路预调制低通滤波器和I路混频器与加法器的输入端相连；星座映射模块的Q路输出端依次经过Q路平均功率归一化模块、Q路预调制低通滤波器和Q路混频器与加法器的输入端相连；数控振荡器产生同频正交载波，其余弦载波输出端连接I路混频器，正弦载波输出端连接Q路混频器；控制器的输出端分别连接电平转换模块、I路平均功率归一化模块和Q路平均功率归一化模块；加法器的输出端输出QAM信号。
4.根据权利要求3所述的一种多模式QAM统一星座图标签调制器，其特征是，星座图和星座图标签的映射表存储在星座映射模块中。
全文摘要
本发明公开一种多模式QAM统一星座图标签的构建方法及调制器，多模式QAM统一星座图标签构建了一种包括多种22nQAM(n为自然数，n≥1)正方形星座图的统一标签，将统一标签生成的星座映射表存储到所设计的多模式QAM调制器的星座映射模块中，可以使调制器根据不同的控制信号，自适应地完成不同模式的22nQAM调制方式。实现多种模式22nQAM调制时只需要在硬件上存储一个统一星座映射表，而不需分别存储所有包含模式的多个星座映射表，所以在硬件实现时，提高了硬件资源的利用率，并且使不同模式22nQAM之间的切换变得很容易，控制方便。
文档编号H04L27/36GK102413094SQ20121000444
公开日2012年4月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者王国正, 莫金旺, 蔡成林, 蔡昆宏, 赵利, 黄昌龙 申请人:桂林电子科技大学