结合非标准6阶调制与LDPC码的编码调制传输方法与流程

本发明涉及编码调制领域，尤其涉及一种结合非标准6阶调制与ldpc码的编码调制传输方法。

背景技术：

随着通信技术的快速发展，数据的传输速率的需求已提升至400gb/s，然而，通信系统中有限的带宽以及信息传输过程中存在的各种噪声、滤波效应等损耗是制约通信系统性能的主要因素。从通信传输的物理层角度来看，高阶调制技术、信道编码技术是改善这些问题的有效手段。与当前先进的信号处理技术相比，融合前向纠错(forwarderrorcorrection，fec)编码与高阶调制的编码调制技术可以实现更高的频谱效率和可靠传输的误码率。因此，在带宽有限的约束下，如何选择高效的编码调制组合方案具有重要的研究意义。低密度奇偶校验(low-densityparity-check，ldpc)码因其吞吐量高，错误平层低，译码延时小等优势成为第三代fec编码方案的候选码之一。其中，多进制ldpc码与二进制ldpc码相比，在中短码长下具有更优越的纠错性能，且易与高阶调制结合，能够实现更高频谱效率的传输，从而为信息的高可靠传输提供了一种新的思路。

高阶调制是一种提高系统频谱效率的成熟技术，调制技术将信号的频谱搬到期望的位置并且可以结合多进制传输以提高传输速率，进而提升系统的频谱效率。高阶调制方式主要分为相移键控(phase-shiftkeying，psk)，振幅相移键控(amplitudeandphase-shiftkeying，apsk)以及正交幅度调制(quadratureamplitudemodulation，qam)三类。目前的研究工作集中于2^p(p≥4)个星座点的高阶或高维的星座图设计。就峰均功率比而言，psk调制更具优势，然而其欧氏距离随着星座图尺寸的增加而迅速减小，因此实际上很少使用高阶psk调制。相比于其它高阶调制，qam调制具有更好的抗噪声性能以及更高的带宽利用率，但却以较高的峰均功率比为代价，对非线性失真的敏感性较高。除了以上三种常用的调制方式外，正六边形星座调制以其在相对低的峰均功率比(peak-to-averagepowerratio，papr)的高阶调制下，仍然能够保留最小的欧几里德距离的优势被广泛关注。此外，针对3×2^p进制的自适应qam星座图设计方法同样受到关注。该星座方案将2p+3个比特映射为2个符号进行信息传输，为比特分配了更细的粒度，增加了自适应调制的灵活性，但其只关注了未加编码的误码率性能。研究者提出一种针对6-psk的由5比特转换为2个符号的编码方案，但由于在转换过程中舍弃了一些信息的传输，该方法存在一定的转换效率损失。有研究者提出一种针对6-psk的正交编码方法，该方法搜索18维码字，每个符号重复四个连续的周期生成72符号的正交码，但是在实际情况下，由于符号值的随机不匹配情况，会出现一定的误差。通信系统信道通常受非线性效应的影响，功率受限而无法达到相应调制阶数所期望的性能。随着调制阶数的升高，对信号损伤的容忍度降低，这将会导致系统性能的恶化。在这种情况下，需要与fec编码联合设计，进一步提高通信系统的传输容量。

多进制ldpc码与对应阶的高阶调制结合可以进一步优化误码率性能，从而保证信息传输的可靠性。两者结合的优势在于，多进制符号与调制符号的阶数相同，可以直接进行符号映射，操作简单，且译码性能优越。多进制ldpc码与高阶调制结合主要分为两类，伽罗华域gf(2^p)ldpc码与2^p阶高阶调制的结合和gf(q)(q≠2^p)ldpc码与q阶高阶调制的结合，q代表伽罗华域的大小。第一类结合多采用比特交织方法、多级网格编码方法或者非均匀星座调制与多进制ldpc码结合的方法，将编码比特和高阶调制星座融合在一起以获得性能的优化。但随着调制阶数q的增加，多进制ldpc码的编译码复杂度会大幅提高，导致译码时间过长，可行性较低。第二类结合方法通常针对较低的调制阶数，相应的多进制ldpc码的编译码复杂度较低。目前针对第二类结合方法的研究主要集中于5-qam，7-qam，9-qam与对应伽罗华域的ldpc码的结合。有研究者基于哈夫曼编码提出一种应用于自适应光网络的5-qam、7-qam的星座图设计算法，该算法采用哈夫曼编码进行预编码，输入ldpc码的信息比特，将信息比特分组映射到对应的星座点，为星座点设置不同的概率以实现概率成型，节省发射功率。进一步将5-qam、7-qam分别与gf(5)nb-ldpc码、gf(7)nb-ldpc码结合，实现了优越的译码性能。该算法在设计星座图时同时考虑了非均匀整形与ldpc码的码率，提高了编码增益和整体性能。非均匀9-qam星座图被提出并与对应进制的ldpc码结合，在相同的频谱效率下，比结合8-qam的多进制ldpc码的性能优越0.8db。有研究者提出一种适用于卫星信道的7-qam与gf(7)nb-ldpc码结合的方法，该方法设计了一种原点加正六边形构型的星座图，进一步将7-qam与对应进制的ldpc码结合，获得了良好的抗噪声性能，且与8-psk相比，7-qam的解调阈值更低，有效降低了对非线性失真的敏感度。此外，有研究者提出了一种18进制的正六边形贝壳星座调制即18-hsm与turbo编码结合的多级编码调制方案。正六边形星座调制可以充分利用二维平面空间，18-hsm与方形的16-qam相比，对功率放大器的非线性有更高的抵抗性。但hsm调制适用于三级及以上的调制，对于低阶的调制如6-hsm，其性能等价于6-psk的性能，无明显优势。此外，针对调制阶数为3×2^p的qam调制方式的研究已经相对成熟，但如何实现3×2^p阶的高阶调制与多进制ldpc码间的匹配仍存在很大的研究空间。

技术实现要素：

本发明提供了一种结合非标准6阶调制与ldpc码的编码调制传输方法，本发明能够实现高效编码与译码操作，降低传输数据的错误率，保证信息高速传输的可靠性，详见下文描述：

一种结合非标准6阶调制与ldpc码的编码调制传输方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在发送端，对信息序列进行串并转换；分层执行伽罗华域gf(2)低密度奇偶校验ldpc码编码与gf(3)ldpc码编码；将gf(2)ldpc码编码码字与gf(3)ldpc码编码码字组合并通过映射得到6进制码字；

(2)将6进制码字按照6阶正交幅度调制6-qam星座图进行6-qam调制，并将调制信号发送至加性高斯白噪声awgn信道；

(3)在接收端，对接收到的信号根据6-qam星座图进行软解调；依据6进制解调信息首先执行gf(3)ldpc码的迭代译码，执行gf(2)ldpc码的迭代译码，将gf(2)ldpc码的译码信息传递给gf(3)ldpc码，执行gf(3)ldpc码的迭代译码以实现两种ldpc码间的整体迭代；经并串转换得到恢复后的信息序列。

其中，所述步骤(1)为：

(1.1)信息序列u经串并转换分为长度为k个2进制符号的信息序列ub与长度为k个3进制符号的信息序列ut；

(1.2)将信息序列ub输入gf(2)ldpc码编码器，生成码长为n个2进制符号的gf(2)ldpc码的码字cb，将信息序列ut输入gf(3)ldpc码编码器，生成码长为n个3进制符号的gf(3)ldpc码的码字ct；

(1.3)根据gf(2)符号与gf(3)符号的值将cb与ct映射为6进制码字，映射规则为00→0，01→1，02→2，10→3，11→4，12→5。

其中，所述步骤(2)为：

(2.1)构建6-qam星座图，1个星座点分布在星座点原点，对应6进制的0元素，其余5个星座点以φ＝2π/5的相位差等距分布在半径为r的外圆上，对应6进制的5个非零元素；

(2.2)对6进制码字c进行6-qam调制，将得到的调制信号发送至awgn信道。

其中，所述步骤(3)为：

(3.1)根据第l个接收符号的复数坐标yl，及第a个星座点的复数坐标xa计算得到6进制符号似然信息；对符号似然信息进行归一化得到第l个接收的6进制符号为a的概率；

(3.2)初始化gf(3)ldpc码与gf(2)ldpc码间的整体迭代次数iter；

(3.3)gf(3)ldpc码译码器根据第l个6进制符号的概率pl^a计算gf(3)ldpc码的译码先验概率pt；

(3.4)gf(3)ldpc码译码器执行gf(3)ldpc码的迭代译码，由先验概率pt与迭代译码后变量节点的概率信息计算gf(3)ldpc码译码的后验概率postt，判决得到gf(3)ldpc码的译码码字若码字与3进制校验矩阵ht满足或gf(3)ldpc码译码迭代次数达到最大值，则结束译码；

(3.5)gf(2)ldpc码译码器根据第l个6进制符号的概率pl^a与gf(3)ldpc码译码的后验概率postt计算gf(2)ldpc码译码的先验概率pb；

(3.6)gf(2)ldpc码译码器执行gf(2)ldpc码迭代译码，由先验概率pb与迭代译码后变量节点的概率信息计算gf(2)ldpc码译码的后验概率postb，判决得到gf(2)ldpc码的译码码字若码字与2进制校验矩阵hb满足或gf(2)ldpc码译码迭代次数达到最大值，则结束译码；

(3.7)整体迭代次数iter增加1次，判断是否达到最大整体迭代次数iterout，若iter＞＝iterout，则执行步骤(3.9)，否则，执行步骤(3.8)；

(3.8)gf(3)ldpc码译码器根据6进制符号的概率与gf(2)ldpc码译码的后验概率postb更新gf(3)ldpc码译码先验概率pt并返回步骤(3.4)继续执行；

(3.9)将gf(2)ldpc码译码码字与gf(3)ldpc码译码码字经并串转换得到恢复后的信息序列

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明实现了非标准6进制调制与纠错编码的匹配，获得了优越的译码性能；该方法采用两种ldpc码进行分层编码，将ldpc码的编码拆分为gf(2)ldpc码编码与gf(3)ldpc码编码组合的形式；

2、本发明设计了一种两层ldpc码间的迭代译码方法，通过gf(2)ldpc码译码信息与gf(3)ldpc码译码信息互相传递的方式实现了两层编码间的迭代译码，提升了系统的纠错性能。

附图说明

图1为一种结合非标准6阶调制与ldpc码的编码调制传输方法的框图；

图2为gf(2)符号，gf(3)符号与6进制符号的映射关系图；

图3为6-qam星座示意图；

图4为6进制码迭代译码方法的流程图；

图5为不同整体迭代次数下，6进制码迭代译码方法的误码性能示意图；

图6为本发明实施例方法和基于gf(7)ldpc码的编码传输方法，基于gf(5)ldpc码的编码调制传输方法以及6进制码与6-psk结合的编码调制传输方法的性能比较。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

针对3×2^p进制，由于所属的编码调制不是基于2进制的扩展，编码实现困难。为了使星座大小与编码完美匹配，本发明实施例研究了一种与6-qam匹配的ldpc码分层编码方法，提出了一种结合非标准6-qam与ldpc码的编码调制传输方法。该方法不仅增加了系统的灵活性，且实现了优异的译码性能。首先，提出了一种6-qam星座图，然后提出了一种与6-qam匹配的组合二进制和三进制编码的编码调制传输方法。在发送端，首先执行gf(2)ldpc码与gf(3)ldpc码的分层编码，分别得到gf(2)ldpc码的码字与gf(3)ldpc码的码字，然后将两种码字按照设计的映射规则映射得到六进制码字。在接收端，根据六进制码的构造特点，提出了一种针对六进制编码调制的迭代处理方法，该方法实现了gf(2)ldpc码译码信息与gf(3)ldpc码译码信息的互相传递，通过两层编码间的迭代译码提高了ldpc码的译码成功率，进而提升了系统的整体译码性能。最后，在awgn信道下，对提出的编码调制传输方案的误符号率(symbolerrorrate，ser)性能进行了仿真分析。

为了保证信息高速传输的可靠性，本发明实施例提供一种结合非标准6阶调制与ldpc码的编码调制传输方法。该方法设计了一种基于gf(2)ldpc码与gf(3)ldpc码的ldpc码分层编码方法，并根据ldpc码的编码特点，提出一种双层ldpc码间的迭代译码方法。进一步，将6进制码与6-qam结合，实现整体的匹配传输。该方法不仅增加了系统的灵活性，且实现了优越的译码性能。下面结合附图对本发明中的实施方式做出详细说明。

本实施方式针对本发明实施例提出的结合非标准6阶调制与ldpc码编码调制传输方法进行详细描述，参见图1，具体包括以下步骤：

(1)在发送端，首先对信息序列进行串并转换；然后分层执行gf(2)ldpc码编码与gf(3)ldpc码编码；进一步，将gf(2)ldpc码的编码码字与gf(3)ldpc码的编码码字组合并通过映射得到6进制码字；最后将6进制码字按照6-qam星座图进行6-qam调制，并将调制信号发送至awgn信道；

(2)在接收端，首先对接收到的信号根据6-qam星座图进行软解调；然后，依据6进制解调信息首先执行gf(3)ldpc码的迭代译码，进一步，执行gf(2)ldpc码的迭代译码，接着将gf(2)ldpc码的译码信息传递给gf(3)ldpc码，继续执行gf(3)ldpc码的迭代译码以实现两种ldpc码间的整体迭代；最后，经并串转换得到恢复后的信息序列。

其中，分层执行gf(2)ldpc码编码与gf(3)ldpc码编码，将gf(2)ldpc码的码字与gf(3)ldpc码的码字组合并通过映射得到6进制码字具体步骤为：

(1.1)信息序列u经串并转换分为长度为k个2进制符号的信息序列与长度为k个3进制符号的信息序列两部分；

(1.2)将信息序列输入gf(2)ldpc码编码器，生成码长为n个2进制符号的gf(2)ldpc码字将信息序列输入gf(3)ldpc码编码器，生成码长为n个3进制符号的gf(3)ldpc码字

参见附图2，gf(2)ldpc码的码字，gf(3)ldpc码的码字与6进制码字的映射关系如下所示：

图2中第一列表示gf(2)元素即0和1，第二列表示gf(3)的元素0，1和2。每个6进制码字由两位符号构成，其中第一位为gf(2)ldpc码的码字，第二位为gf(3)ldpc码的码字。gf(2)与gf(3)的元素组合共有6种。这6种组合与6进制元素0～5一一对应。

(1.3)根据gf(2)符号与gf(3)符号的值将cb与ct映射为6进制码字具体映射规则为，若则ci＝0，即00→0，类似地，01→1，02→2，10→3，11→4，12→5。

其中，将6进制码字进行6-qam调制，并将调制信号发送至awgn信道，具体步骤为：

(2.1)构建6-qam星座图；

(2.2)对6进制码字c进行6-qam调制，得到调制信号；

(2.3)将调制信号经awgn信道进行传输。

参见附图3，6-qam星座图的分布为：

(3.1)1个星座点分布在星座点原点，对应6进制的0元素；

(3.2)其余5个星座点以φ＝2π/5的相位差等距分布在半径为r的外圆上，对应6进制的5个非零元素；

(3.3)6-qam星座图的半径为r，其中半径

参见附图4，在接收端，首先，对接收到的信号根据6-qam星座图进行软解调；然后，依据6进制解调信息首先执行gf(3)ldpc码的迭代译码，进一步，执行gf(2)ldpc码的迭代译码，接着将gf(2)ldpc码的译码信息传递给gf(3)ldpc码，继续执行gf(3)ldpc码的迭代译码以实现两种ldpc码间的整体迭代；最后，经并串转换得到信息序列，具体步骤为：

(4.1)在接收端，根据第l个接收符号的复数坐标yl，l＝1,2,…,n及第a个星座点的复数坐标xa计算得到6进制符号似然信息：

其中，对符号似然信息进行归一化得到第l个接收的6进制符号为a的概率pl^a，pl^a的计算公式如下：

其中，σ²表示白高斯噪声的方差。

(4.2)初始化gf(3)ldpc码与gf(2)ldpc码间的整体迭代次数iter；

(4.3)gf(3)ldpc码译码器根据第l个6进制符号的概率pl^a计算gf(3)ldpc码的译码先验概率其中，第l个3进制符号的译码先验概率的计算公式如下，与分别表示第l个3进制符号为0、1与2的概率：

(4.4)gf(3)ldpc码译码器执行gf(3)ldpc码的迭代译码，由先验概率pt与迭代译码后变量节点的概率信息计算gf(3)ldpc码译码的后验概率

其中，第l个3进制符号的后验概率和分别表示第l个3进制符号判决为0、1和2的后验概率，判决得到gf(3)ldpc码的译码码字若码字与3进制校验矩阵ht满足或gf(3)ldpc码译码迭代次数达到最大值，则结束译码；

(4.5)gf(2)ldpc码译码器根据第l个6进制符号的概率pl^a与gf(3)ldpc码译码的后验概率postt计算gf(2)ldpc码译码的先验概率第l个2进制符号的先验概率的计算公式如下，其中，表示第l个2进制符号为0的概率，表示第l个2进制符号为1的概率：

(4.6)gf(2)ldpc码译码器执行gf(2)ldpc码迭代译码，由先验概率pb与迭代译码后变量节点的概率信息计算gf(2)ldpc码译码的后验概率判决得到gf(2)ldpc码的译码码字若码字与2进制校验矩阵hb满足或gf(2)ldpc码译码迭代次数达到最大值，则结束译码；

(4.7)整体迭代次数iter增加1次，并判断是否达到最大整体迭代次数iterout，若iter＞＝iterout，则执行步骤(4.9)，否则，执行步骤(4.8)；

(4.8)gf(3)ldpc码译码器根据6进制符号的概率与gf(2)ldpc码译码的后验概率postb更新gf(3)ldpc码译码先验概率pt并返回步骤(4.4)继续执行，具体地，和分别表示步骤(4.6)中gf(2)ldpc码译码后，第l个2进制符号为0和1的后验概率，第l个3进制符号的概率和的更新规则如下：

(4.9)将gf(2)ldpc码译码码字与gf(3)ldpc码译码码字经并串转换得到恢复后的信息序列

具体实施例

下面给出一个具体的实施例，说明本发明给出的结合非标准6阶调制与ldpc码的编码调制传输方法的可行性。本实施例在awgn信道下对本发明进行验证。

本实施例构造的6进制码，码字长度为6000个6进制符号，码率为1/2，gf(2)ldpc码与gf(3)ldpc码采用的校验矩阵结构相同，行重集合为{7,8}，列重集合为{12,3,2,1}。

如附图1模型所示，在发送端，ldpc码分层编码过程具体为：

(1)信息序列u经过串并转换分为长度为3000个2进制符号的与长度为3000个3进制符号的信息序列

(2)将信息序列输入gf(2)ldpc码编码器，生成码长为6000个2进制符号的gf(2)ldpc码的码字将信息序列输入gf(3)ldpc码编码器，生成码长为6000个3进制符号的gf(3)ldpc码的码字

(3)根据gf(2)符号与gf(3)符号的值将cb与ct映射为6进制码字具体映射规则为，若则ci＝0，即00→0，类似地，01→1，02→2，10→3，11→4，12→5。

(4)将6进制码字c进行6-qam调制，并将调制信号传输至awgn信道。

经过awgn信道后，在接收端，6进制码迭代译码方法具体步骤为：

(1)根据第l个接收符号的复数坐标yl，l＝1,2,…,6000及第a个星座点的复数坐标xa计算得到6进制符号似然信息

对符号似然信息进行归一化，得到第l个接收的符号为a的概率pl^a，pl^a的计算公式如下

(2)初始化gf(3)ldpc码与gf(2)ldpc码间的整体迭代次数iter；

(3)gf(3)ldpc码译码器根据第l个6进制符号的概率pl^a计算gf(3)ldpc码的译码先验概率其中，第l个3进制符号的译码初始概率的计算公式如下，与分别表示第l个3进制符号为0、1与2的初始概率，

(4)gf(3)ldpc码译码器执行gf(3)ldpc码的迭代译码，由先验概率pt与迭代译码后变量节点的概率信息计算gf(3)ldpc码译码的后验概率其中第l个3进制符号的后验概率和分别表示第l个3进制符号判决为0、1和2的后验概率，判决得到gf(3)ldpc码的译码码字若码字与3进制校验矩阵ht满足或gf(3)ldpc码译码迭代次数达到20次，则结束译码；

(5)gf(2)ldpc码译码器根据第l个6进制符号的概率pl^a与gf(3)ldpc码译码的后验概率postt计算gf(2)ldpc码译码的先验概率第l个2进制符号的先验概率的计算公式如下，其中，表示第l个2进制符号为0的概率，表示第l个2进制符号为1的概率，

(6)gf(2)ldpc码译码器执行gf(2)ldpc码迭代译码，由先验概率pb与迭代译码后变量节点的概率信息计算gf(2)ldpc码译码的后验概率判决得到gf(2)ldpc码的译码码若码字与2进制校验矩阵hb满足或gf(2)ldpc码译码迭代次数达到20次，则结束译码；

(7)整体迭代次数iter增加1次，并判断是否达到最大整体迭代次数iterout＝3，若iter＞＝iterout，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(8)；

(8)gf(3)ldpc码译码器根据6进制符号的概率与gf(2)ldpc码译码的后验概率postb更新gf(3)ldpc码译码初始概率pt并返回步骤(4)继续执行，具体地，和分别表示步骤(6)中gf(2)ldpc码译码后，第l个2进制符号为0和1的后验概率，第l个3进制符号的概率和的更新规则如下

(9)将gf(2)ldpc码译码码字与gf(3)ldpc码译码码字进行并串转换得到恢复后的信息序列且按照与发送端相同的映射规则将与映射为6进制码字

在awgn信道下，首先，对本发明实施例中6进制码迭代译码方法的ser性能进行了验证。仿真结果如附图5所示，图中iter表示gf(2)ldpc码与gf(3)ldpc码的整体迭代次数。与整体迭代1次的ser性能相比，ser为10^-6时，整体迭代2次时，本实施例约有0.2db的性能增益。其次，仿真了5-qam与gf(5)nb-ldpc码结合的编码调制方法，基于7-qam的编码调制方法以及结合6进制码的6-psk传输方法的ser性能，与本实施例进行比较。仿真结果如附图6所示，ser为10^-6时，提出的编码调制方案与未加编码的6-qam相比，获得了约9.8db的编码增益；迭代3次时，与基于7-qam的编码调制方法相比，本实施例有0.8db的增益。与结合6进制码的6-psk传输方法相比，本实施例有约1.6db的性能增益。而与基于5-qam的编码调制方法相比，ser性能相差仅为0.3db，即验证了本发明方法的有效性。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，

只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。