使用非均匀星座的编码和调制装置制造方法
【专利摘要】提出了一种编码和调制装置以及方法。装置(10)包括将输入数据编码成单元字的编码器(11)以及将所述单元字调制成非均匀星座的星座值的调制器(12)。调制器(12)被配置成基于星座的星座点的总数M、信噪比SNR(单位为dB)、以及信道特征使用星座组中的非均匀星座，星座组包括由星座位置矢量u1...v所限定的一个或多个预定星座，其中，v＝sqrt(M)/2-1。
【专利说明】使用非均匀星座的编码和调制装置
【技术领域】
[0001] 本公开涉及编码和调制装置及方法。进一步地，本公开涉及发送装置和方法。更 进一步地，本公开涉及计算机程序和非瞬时性计算机可读记录介质。
【背景技术】
[0002] 除其他元件之外，现代通信系统通常采用编码和调制装置（作为发送装置的一 部分）以及解码和解调装置（作为接收装置的一部分）。编码和调制装置通常是所谓的 BICM(比特交织编码调制）装置的一部分，BICM装置通常包括（在发送器一侧）串行级联 的FEC(前向纠错）编码器、比特交织器、以及调制器，调制器使用诸如多级PAM(脉冲振幅 调制）、PSK(相移键控）、或者QAM(正交振幅调制）的频谱高效调制。应注意，在下文中， 当提及QAM时，其应被理解为覆盖PAM、PSK以及QAM的一般术语。
[0003] BICM由于使用交织器（interleaver)和/或FEC编码器而运行在非衰落信道和衰 落信道上的良好性能。其具有与多级编码（MLC)编码方案相对的合理解码复杂度并且由此 频繁地用于通信系统中，诸如，所有的DVB系统、电力线通信（例如，家庭插电AV、DAB、LTE、 WiFi 等）。
[0004] 通常，诸如使用BICM装置的系统中的BICM能力（capacity，容量）的编码和调制 能力被视为目标函数，并且希望找出最佳星座点，从而使通常经历功率归一化的该能力最 大化，即，例如，星座点的平均功率应被归一化成1。
[0005] 本公开中所提供的"【背景技术】"描述仅出于整体呈现本公开的背景的目的。当前 称为发明人的工作到在该【背景技术】部分中所描述的程度以及在提交时可能不符合现有技 术的描述的各方面既不明确地也不默示地被视为与本公开相对的现有技术。
【发明内容】
[0006] 目的是提供一种提供增强或者甚至最大化编码和调制能力的编码和调制装置及 方法。进一步的目的是提供解调和解码装置及方法以及用于实现所述方法的相应计算机程 序和用于实现所述方法的非瞬时性计算机可读记录介质。
[0007] 根据一方面，提供了一种编码和调制装置，包括：
[0008] -编码器，将输入数据编码成单元字（cell word);以及
[0009] -调制器，将单元字调制成非均匀星座的星座值；
[0010] 其中，所述调制器被配置成基于星座的星座点的总数M、信噪比SNR(单位为dB)、 以及信道特征使用星座组中的非均匀星座，星座组包括如在权利要求1中详细描述的由星 座位置矢量所定义的一个或多个星座，其中，v = sqrt (M)/2-1。
[0011] 根据进一步的方面，提供了一种发送装置，包括：
[0012] -本文中所提出的将输入数据编码并调制成星座值的编码和调制装置；
[0013] -转换器，将所述星座值转换成待发送的一个或多个传输流；以及
[0014] 发送器，发送一个或多个传输流。
[0015] 根据相应方法的更进一步方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于 使计算机执行本文中所公开的编码和调制方法的步骤的程序器件（means)，当在计算机以 及存储计算机程序产品的非瞬时性计算机可读记录介质上执行所述计算机程序时、所述计 算机程序产品在由处理器执行时，使得执行本文中所公开的编码和调制方法。
[0016] 在从属权利要求中限定了优选实施方式。应当理解的是，所要求保护的方法、所要 求保护的计算机程序、以及所要求保护的计算机可读记录介质具有与在从属权利要求中所 要求保护和所限定的装置相似和/或相同的优选实施方式。
[0017] 本公开的一个方面在于所使用的星座的星座点并不位于具有等距符号的规则栅 格内，而是根据信道特征（例如，由于AWGN(加性高斯白噪声）、衰落等而产生的信道转移 概率（transition probability))位于最佳位置上。此外，根据SNR(信噪比）和所使用星 座的星座点的希望总数选择所使用的星座。下面将说明如何找出并且优化这些非均匀星座 (下面称为NUC)的方法。
[0018] 应注意，对于每个M-QAM，人们还可以想到基础（underlying) sqrt (M)-PAM。0此 夕卜，应注意，就其他方面而言，权利要求中所限定的星座组包括较少的星座，例如，仅用于 非衰落信道的星座、仅用于衰落信道的星座、仅用于所选值M的星座、仅用于M-QAM或者 sqrt (M)-PAM的星座和/或用于较少SNR值的星座。换言之，可供调制器使用的星座组中可 包含较少的星座，即，可供调制器使用的星座组可包括权利要求中限定的一个或者多个星 座。因此，本公开还涉及这样一种编码和调制装置及方法，即，具有可供使用的更小星座组 的并且使用（如上所述）较少的星座和/或特定值M可使用较少的星座。
[0019] 应进一步注意的是，对于M的某些值，假定相同的选择参数（例如，相同SNR值） (其中可选择调制），对于衰落信道存在两种选项的星座并且对于非衰落信道存在两种选 项的星座。两种选项（被称为选项1和选项2)是由于编码和调制容量的单独优化而产生 的。因此，例如，基于期望的能力，调制器可根据选项1或者选项2从星座中选择星座，其中， 根据选项2的星座通常提供略微较高的容量。
[0020] 然而，本公开中所考虑的QAM星座的星座点并不位于具有等距符号的规则栅格 内，而是根据信道特征（例如，由于AWGN、衰落等而产生的信道转移概率）位于最佳位置处。
[0021] 应当理解的是，本公开的上述一般性描述和下列详细描述均为示例性的，而且并 不是限制本公开。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 当通过结合附图参考下列详细描述时，比较容易获得对本公开及其提供的许多优 点的更为完整的认识，并且更容易理解本公开及其优点，其中：
[0023] 图1示出了根据本公开的编码和调整装置的实施方式，
[0024] 图2示出了根据本公开的发送装置的实施方式，
[0025] 图3示出了根据本公开的通信系统的实施方式，
[0026] 图4示出了作为星座的简单实例的规则4-QAM星座，
[0027] 图5示出了描绘在10dB和30dB SNR处的1维BICM容量函数的积分（integrant) 的示图，
[0028] 图6示出了 8-PAM非均匀星座和64-QAM非均匀星座，
[0029] 图7示出了整体限定星座点的64-QAM非均匀星座的星座，以及
[0030] 图8显示了示出非均匀N2-QAM星座的性能的示图。
【具体实施方式】
[0031] 现参考附图，其中，类似的参考标号表示贯穿几幅图的相同或者相应的部件，图1 示出了根据本公开的编码和调制装置10的实施方式。其包括将输入数据编码成单元字的 编码器11和将所述单元字调制成非均匀星座的星座值的调制器12。所述调制器12被配 置成基于星座中的星座点的总数M、信噪比SNR(单位为dB)、以及信道特征使用（并且，优 选地，提前选择）星座组中的非均匀星座，星座组包括由星座位置矢量+^所限定的预定星 座，其中，v = sqrt(M)/2-1。下面将获取并且示出这些预定星座。
[0032] 在编码和调制装置10的其他实施方式中，可设置另外的元件，诸如，BCH编码器、 LCPC编码器、比特交织器和/或分路器（用于将编码数据的比特分路成单元字）。这些元 件中的某些或者全部可以是单独的元件或者可以是编码器11的一部分。例如，在DVB系统 的发送装置中经常使用的BICM设备可被用作编码和调制装置10。
[0033] 图2示出了根据本公开的发送装置20的实施方式，发送装置20包括本公开中所 提出的将输入数据编码并调制成星座值的编码和调制装置21 (在图1中由10表示）、将所 述星座值转换成待发送的一个或多个发送流的转换器22、以及发送所述一个或多个传输流 的发送器23。在不例性实施方式中，转换器22可包括例如在关于DVB的各种标准中所描述 的如访问时间、单元和/或频率交织器、帧创建器、0FDM调制器等的一个或多个元件。星座 和星座值通常是预定的，例如，存储在星座存储器24中或者从外部来源进行检索。
[0034] 在发送装置20的其他实施方式中，可设置另外的元件，诸如，在DVB系统的发送装 置中经常使用的输入处理单元、帧创建单元和/或0FDM生成单元。
[0035] 图3示出了根据本公开的通信系统30的实施方式，通信系统30包括图2中所示 的一个（或多个）发送装置20(Tx)和一个或多个接收装置40、40'（Rx)。
[0036] 接收装置40通常包括接收一个或多个传输流的接收器41、将接收的一个或多个 传输流逆转换成星座值的逆转换器（deconverter) 42、以及将所述星座值解调并且解码成 输出数据的解调和解码装置43。解调和解码装置43通常包括用于将非均匀星座的星座值 解调成单元字的解调器44和用于将单元字解码成输出数据字的解码器45,其中，基于星座 的星座点的总数M、信噪比（dB)、以及信道特征，使用星座组中的非均匀星座，星座组包括 与编码和调制装置10中使用的相同的预定星座。
[0037] 优选的解调和解码将软值（soft value)视为与硬决策值（0和1)相反。软值表 示多于两种状态（如二进制（硬）决策情况）的连续分布的接收值（可能在包括量化的A/ D转换之后）。原因在于对于硬决策，NUC通常不是最佳的。现在，总之，BICM接收器通常是 软接收器。
[0038] 通常，数据（例如，通信数据、广播数据等）通过传输信道50、50'从发送装置20 传输至一个或多个所述接收装置40。传输信道50、50'可以是单播信道、多播信道、广播信 道并且可被用作单向信道或者双向信道（即，具有从接收装置至发送装置的返回信道）。
[0039] 在实施方式中，调制器12被配置成基于星座的星座点的总数M、用于无错解码所 需的信噪比SNR (单位为dB)、以及信道特征选择和使用非均匀星座。在广播应用中，通常不 是根据接收器中的SNR而是根据利用所使用的信道编码（如果使用编码，例如，DVB第2代 生成传输系统情况下的LDPC编码）在无错解码时所需的SNR来选择星座，以实现期望的信 道特征，例如，静态接收或者多径衰落。
[0040] 通常，根据期望的载荷吞吐量以及FEC编码器的码率（code rate)选择星座点的 总数M。例如，通过模拟通常可知典型信道特征的无错解码的SNR。在广播中，接收器的特 征是未知的，即，选择折衷。例如，在广播中，对于FEC编码器的每个码率选择一个针对作为 对所有信道特征的折衷的SNR而优化的非均匀的星座。
[0041] 发送器通常瞄准特定情景。例如，通过电缆或者卫星的广播传输将信道视为仅是 非衰落的AWGN(合适的信道模型），而陆地广播器通常将信道视为衰落信道（例如，具有瑞 利分布），因为通常接收若干次回波（echo)。
[0042] 在另一实施方式中，调制器12被配置为基于星座的星座点的总数M、信噪比 SNR(单位为dB)、以及信道特征适应性地（adaptively)选择和使用非均匀星座，其中，从接 收设备40 (数据发送至其）接收所述信噪比SNR(单位为dB)和信道特征。星座的这种适 应性选择通常仅在具有返回信道的单播环境中可行。例如，可在时域和/或频域内为不同 的0FDM子载波适配非均匀的星座。
[0043] 根据SNR，可选择M的最佳值和FEC编码器的码率，FEC编码器提供最高吞吐量（相 当于C B)。换言之，对于较大的SNR，选择较高的M值，从而导致较高的数据吞吐量（反之亦 然）。
[0044] 例如，信道特征描述了发送器与接收器之间的传输信道的多径传播的范围内的信 道的统计特性。如果信道的特征在于没有多径传播、对应于AWGN信道，则无错解码所需的 SNR相对较低，S卩，相应地选择NUC以实现最佳性能。如果传输信道的特征在于较强的多径 传播，则相比较于没有多径传播的信道，无错接收所需的SNR较大，S卩，必须使用优化的NUC 以实现更高的SNR。此外，如下所述，将考虑衰落特征对NUC进行优化。
[0045] 如上所述，根据希望的载荷吞吐量选择星座的星座点的数目M。较大的M值允许较 高的数据吞吐量，但是，需要更大的SNR以实现无错接收。如果使用任一 FEC编码器，则进 一步受FEC编码器的码率的影响。
[0046] 另一种解释（与本公开的优化任务密切相关）是对于每个SNR，提出用于不同的M 的优化星座。优化目标是BICM容量。对于期望的SNR，应保证15dB的SNR，选择M，相应优 化的NUC产生最大的BICM容量。作为一般规则，认为对于较低的SNR，应选择较低的M值， 反之亦然。但是，就理论层面而言，发现较高的M通常是最佳的，例如，优选为选择M = 4096 或者M = 1024,因为即使对于较低的SNR，优化的NUC "（几乎）看起来像"具有高效较小M 的星座，因为几个点重叠。然而，随着M增加，调制和解调复杂度增加，因此，不得不考虑权 衡。
[0047] 如上所述，已知通信系统在其他块中经常采用还可用作根据本公开的编码和调制 装置的所谓BICM装置。通过BICM容量C B描述有关BICM装置的最大可能容量：
[0048]
【权利要求】
1. 一种编码和调制装置，包括： 编码器（11)，将输入数据编码成单元字；W及 调制器（12)，将所述单元字调制成非均匀星座的星座值； 其中，所述调制器（12)被配置成基于所述星座的星座点的总数M、单位为地的信噪比 SNR W及信道特征使用星座组中的非均匀星座，所述星座组包括由星座位置矢量U1...Y限定 的一个或多个下列星座，其中，V = sqrt(M)/2-l : al)用于非衰落信道的16-QAM或者4-PAM(选项1)
b2)用于衰落信道的64-QAM或者8-PAM(选项1)
d2)用于衰落信道的1024-QAM或者32-PAM(选项1)
d3)用于非衰落信道的1024-QAM/32-PAM(选项2)
d4)用于衰落信道的1024-QAM/32-PAM(选项2)
el)用于非衰落信道的4096-QAM或者64-PAM(选项1)
e2)用于衰落信道的4096-QAM或者64-PAM(选项1)
e3)用于非衰落信道的4096-QAM/64-PAM(选项2)
e4)用于衰落信道的4096-QAM/64-PAM (选项2)
fl)用于非衰落信道的16384-QAM/128-PAM
f2)用于衰落信道的16384-QAM/128-PAM
g)用于非衰落信道的65536-QAM/256-PAM
h)用于非衰落信道的262144-QAM/512-PAM
i)用于非衰落信道的1048576-QAM/1024-PAM
2. 根据权利要求1所述的编码和调制装置，其中，所述非衰落信道是加性白噪声信道， 并且所述衰落信道是瑞利衰落信道。
3. 根据权利要求1所述的编码和调制装置，其中，所述编码器是前向纠错码编码器。
4. 根据权利要求1所述的编码和调制装置，其中，所述调制器被配置成基于所述星座 的星座点的所述总数M、无错解码所需的单位为地的所述信噪比SNR、W及所述信道特征来 选择和使用非均匀星座。
5. 根据权利要求1所述的编码和调制装置，其中，所述调制器被配置成基于所述星座 的星座点的所述总数M、单位为地的所述信噪比SNR、W及所述信道特征适应性地选择和使 用非均匀星座，其中，从数据应传输至其的接收设备接收诸如单位为地的信噪比SNR和信 道特征的所述接收器特征。
6. -种编码和调制方法，包括： 将输入数据编码成单元字；W及 将所述单元字调制成非均匀星座的星座值； 其中，基于所述星座的星座点的总数M、单位为地的信噪比、W及信道特征来使用星座 组中的非均匀星座，所述星座组包括由星座位置矢量U1...Y限定的一个或多个下列星座，其 中，V = sqrt (M) /2-1 : al)用于非衰落信道的16-QAM或者4-PAM(选项1)
a2)用于衰落信道的16-QAM或者4-PAM(选项1)
a3)用于非衰落信道的16-QAM/4-PAM(选项2)
c4)用于衰落信道的256-QAM/16-PAM(选项2)
d2)用于衰落信道的1024-QAM或者32-PAM(选项1)
d3)用于非衰落信道的1024-QAM/32-PAM(选项2)
d4)用于衰落信道的1024-QAM/32-PAM(选项2)
el)用于非衰落信道的4096-QAM或者64-PAM(选项1)
e2)用于衰落信道的4096-QAM或者64-PAM(选项1)
e3)用于非衰落信道的4096-QAM/64-PAM(选项2)
e4)用于衰落信道的4096-QAM/64-PAM (选项2)
fl)用于非衰落信道的16384-QAM/128-PAM
f2)用于衰落信道的16384-QAM/128-PAM
g)用于非衰落信道的65536-QAM/256-PAM
h)用于非衰落信道的262144-QAM/512-PAM
i)用于非衰落信道的1048576-QAM/1024-PAM
7. -种发送装置，包括： 如权利要求1所述的将输入数据编码并调制成星座值的编码和调制装置； 转换器，将所述星座值转换成待发送的一个或多个传输流；W及 发送器，发送所述一个或多个传输流。
8. -种发送方法，包括： 如权利要求6所述的将输入数据编码并调制成星座值的编码和调制方法；
将所述星座值转换成待发送的一个或多个传输流；w及 发送所述一个或多个传输流。
9. 一种包括程序代码手段的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时使所述 计算机执行如权利要求6所述的方法的步骤。
10. -种非瞬时性性计算机可读介质，在所述计算机可读介质中存储计算机程序产品， 当通过处理器执行所述计算机程序产品时，使得执行根据权利要求6所述的方法。
11. 一种通信系统，包括根据权利要求7所述的一个或多个发送装置W及一个或多个 接收装置。
【文档编号】H04L1/00GK104429033SQ201380036487
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年7月1日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】纳比勒·洛金, 扬·策尔纳, 洛塔尔·斯塔德尔迈耶 申请人:索尼公司