专利名称：一种非2的整数幂阶的qam调制设计方法
技术领域：
本发明属于通信领域，具体涉及ー种非2的整数幂阶的QAM调制方式设计方法。
背景技术：
自适应调制是一种根据信道条件灵活选择数字调制方式的技术，用以在通信环境不稳定的情况下选择最优的通信方式。系统可以根据通信信道条件以及系统对通信质量的要求选择适当的调制方式，在信道条件好的情况下发送更多的信息，在信道条件不好的情况下发送较少的信息以保证通信质量。自适应调制可以增加系统的频谱利用率和数
据传输率，在近年来出现的各种系统中-尤其是正交频分复用(Orthogonal Frequency
Division Multiplexing, OFDM)系统和多输入多输出系统(multiple input multiple output, ΜΙΜΟ)中得到了越来越广泛的应用。根据自适应调制系统的特点，要求通信系统中存在多种相互之间性能间隔较小的调制方式，通信系统权衡通信信道条件和接收端对通信质量的要求，选择适当的调制方式。对于传统的三种调制体系——多进制移相键控(M-ary Phase Shift Keying，MPSK)、多进制移频键控(M_ary Frequency Shift Keying, MFSK)、多进制幅度键控(M_ary AmplitudeShift Keying, MASK)存在着在调制阶数増大后性能不佳的问题，这是由于其单ー变量调制的特点決定的，所以其并不满足自适应调制系统的要求。对于双变量的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)而言，在相同的信道条件下，为了使调制阶数为2n和调制阶数为2n+1的调制系统达到相同的误码率，其所要求的信干比(SignalInterference Ratio, SIR)的差异约为3dB,这个性能间隔对于自适应调制系统而言太大了。如何縮小自适应调制系统中各种调制方式之间的性能间隔，就成了ー个重要的研究课题。最近几年，面对各种通信方式性能间隔过大的问题，在实际应用中主要通过将调制方式结合各种參数的信道编码形成性能间隔比较小的编码调制系统，整体考量调制和信道编码部分，如何根据信道编码的特点将调制技术与其很好的结合成了重要的研究方向。在文献“吴毅凌，李红滨，赵玉萍.一种新的22n+1阶QAM星座图设计”中，作者针对信道编码的特点，提出了一种新的QAM星座图设计方法，获得了更好地性能，体现了信道编码和调制结合的理念。虽然信道编码种类多，和调制方式结合后会大大减小各种通信体系的性能间隔，但各种编码方式适用条件和參数选择的限制还是无法完全解决自适应调制系统性能间隔比较大的问题。在文献“Anh Tuan Le and Kiyomichi Araki, A group of modulation schemesfor adaptive modulation”中，作者提出了一种阶数为3x2η—1的QAM调制,在特定误比特率下该调制系统对SIR的要求和可达传输码速率均介于阶数为2η和阶数为2η+1的QAM调制之间，可以缩小调制方式之间的性能间隔。其实现过程是将3X2n_i个星座点分为点数为2n和211-1的两部分，当第一个发送的符号是点数为211-1那组星座点之ー时，第二个发送的符号就是点数为2n那组当中的点，若第一个发送的符号为点数为2n那组当中的点时，第二个发送的符号是星座图中全部的3 X 211-1个点之一，从而通过连续选择星座点实现22n+1种星座点组合，每种星座点组合映射ー个长度为2n+l的O、I序列，即通过发送两个连续符号来表示2n+l比特的信息，实现连续两个星座点的组合与一个比特序列的一一对应，其调制码率为(n+0. 5)比持/符号，通过分析与仿真均可表明其误比特率性能介于阶数为2n和阶数为2n+1的QAM调制之间。阶数为3X211-1的QAM调制有效地补充了自适应调制系统。尽管如此，该设计也只是设计出了调制阶数为3X211-1的QAM调制，各种调制方式之间的性能间隔依旧有
I.5dB左右。综上所述，面对自适应调制系统中各种调制方式性能间隔过大的问题，其中一部分研究者通过将调制和信道编码结合，通过改变信道编码的參数获得各种性能的通信体系，但是由于信道编码特性和參数的限制，并无法完全的解决性能间隔过大的问题；另一部分研究者通过将星座点进行巧妙的组合，突破调制阶数为2的整数幂的限制，设计出调制阶数为3X211-1的QAM调制，从调制方式上丰富选择，但是这两种方法受限于信道编码特点以及码速率限制，还是无法完全的满足自适应调制对调制制式的要求。
发明内容
针对自适应调制系统中各调制方式之间性能间隔过大的问题，本发明给出了ー种新的调制解调设计方法，按照此方法可以设计出调制阶数非2的整数幂的QAM调制，其性能介于已有的相邻两种调制方式之间，縮小各种调制方式之间的性能间隔。本发明提出ー种非2的整数幂阶的QAM调制的设计方法，大体分为以下五个步骤步骤ー设定待设计调制方式的码速率设计ー种新的QAM调制方式要先选定待设计调制方式的码速率，基于缩小调制方式性能间隔的需求选择特定的码速率，这里设定的码速率采用分数的格式k/n比持/符号，分母即为码速率的精度η;设两种相邻调制方式的调制阶数为W和2XW，则设定码速率区间为
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" η"步骤ニ 根据选定的码速率选定调制阶数；所述的调制阶数M的选定应參照如下两个条件⑴# =(2)在星座点最大能量确定的情况下选择最大的调制阶数。其中，第(I)个条件为必要条件。步骤三选定星座点分组方式根据选定的调制阶数M的值，穷举计算出可能的分组方式，在其中选择实现复杂度最低(參数全部为偶数且2的整数幂參数最多)的ー组參数作为星座点分组方式；步骤四排布星座点位置根据调制阶数M设定星座点的位置排布，即设定新QAM调制的星座图，排布应结合选定的分组方式和对调制方式信号峰均比的限制进行；步骤五设定符号比特序列映射关系
本步骤先根据星座点位置和分组方式建立分组设计方案，然后根据分组设计方案和之前设定的调制參数(包括码速率、调制阶数、分组方式、星座点位置)建立星座点组合和比特序列的映射关系。考虑到实现复杂度，映射关系优先按照单符号映射一比特段，各符号映射关系相互独立，多出的星座点组合再补缺进行映射，考虑到调制误比特率性能，映射尽量按照格雷映射或近似格雷映射；经过这五个步骤之后，符号与比特序列的映射关系确立。调制过程中将待调制的原始比特序列按照映射关系映射为星座点，解调过程中将按照规则判决出的星座点映射为比特序列。为了对新设计的QAM调制方式的性能进行验证，借鉴传统的QAM调制误比特率公式，本发明针对新提出的QAM设计方法提出了ー种误比特率计算方法，以用于对新设计出的QAM调制方式的误比特率性能进行推导，验证其实用性。
本发明提供ー种QAM调制的设计方法，通过将连续η个符号整体映射成比特序列，实现多种码速率、多种调制阶数的QAM调制，在两种性能相邻的传统调制方式之间创造一种新的调制方式，缩小两者的性能间隔，丰富了调制方式，为自适应调制系统提供更多的选择。
图I为本发明提供的设计方法流程图；图2为本发明中调制分组示意图；图3为本发明所涉及的分组方式穷举算法示意图；图4为本发明设定符号比特映射关系步骤中符号比特对应示意图；图5为本发明实施例一中选定调制阶数步骤中等能量星座点示意图；图6为本发明实施例一中分组方式穷举算法示意图；图7为本发明实施例一中选定的星座点排布方式及各星座点编号不意图；图8为本发明中提到的16QAM按照格雷映射的符号比特映射关系；图9为本发明实施例一 24QAM符号比特映射关系不意图(第一个符号编号为1-16)；图10为本发明实施例一 24QAM符号比特映射关系意图(第一个符号编号为17-24)；图11为实施例一中的24QAM误比特率仿真结果；图12为本发明实施例ニ中分组方式穷举算法示意图；图13为本发明实施例ニ中提到的32QAM十字形星座点排布方式；图14为本发明实施例ニ中选定的星座点排布方式及各星座点编号示意图；图15为本发明实施例ニ 28QAM符号比特映射关系示意图(第一个符号编号为1-16，第二个符号编号为1-28，第三个符号编号为1-28)；图16为本发明实施例ニ 28QAM符号比特映射关系意图(第一个符号编号为21-28，第二个符号编号为1-16，第三个符号编号为1-16)；图17为本发明实施例ニ 28QAM符号比特映射关系示意图(第一个符号编号为21-28，第二个符号编号为17-20，第三个符号编号为1-16)；
图18为本发明实施例ニ 28QAM符号比特映射关系示意图(第一个符号编号为17-20，第二个符号编号为1-20，第三个符号编号为1-16)；图19为实施例ニ中28QAM误比特率的仿真結果。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。调制设计的核心思想是通过一定的星座点选择方案实现2"种星座点选择方式，每ー种星座点选择映射ー个η比特的序列，从而实现η比特数据的调制。例如16QAM调制是在16个星座点中选择I个发送，显然这个选择有16种可能，可实现4比特数据的发送，其码速率为4比持/符号。对于传统的QAM调制方式，每ー个符号単独解调为比特序列，这就要求调制阶数为2的整数次幂，且其调制码速率被限制为整数。本发明提出ー种非2的整数幂阶的QAM调制的设计方法，通过将连续多个符号整 体解调实现码速率非整数的调制方式，该方法大体分为以下五个步骤，步骤流程图如图I所示，具体步骤实现如下步骤ー设定待设计调制方式的码速率设待设计调制方式的码速率为k/n比特/符号，即用连续η个符号传递k比特的数据，考虑到后续步骤的复杂程度，其码速率精度η尽量不要太大(建议不要超过4，本发明中优选为2或3)，码速率介于需要待縮小性能间隔的两种相邻调制方式的码速率之间，设两种相邻调制方式的调制阶数分别为W和2XW，则设定码速率区间为
权利要求
1.ー种非2的整数幂阶的QAM调制设计方法，其特征在于包括如下步骤 步骤ー设定待设计调制方式的码速率 设定的码速率采用分数的格式k/n比持/符号，分母即为码速率的精度η ;设两种相邻调制方式的调制阶数为W和2 X W，则设定码速率区间为
2.根据权利要求I所述的ー种非2的整数幂阶的QAM调制设计方法，其特征在于所述的星座点分组方式，具体方法如下 设调制分层层数为m，调制方式从M个星座点中选取连续η个星座点映射k比持，分组參数Msw应满足如下两规则
3.根据权利要求I所述的ー种非2的整数幂阶的QAM调制设计方法，其特征在于所述的符号比特映射关系的确定依照如下规则 (1)令映射关系中比特序列中的某ー个比特段只和某一特定符号有关； (2)使符号比特映射关系中相邻星座点映射的比特序列之间的汉明距最小。
4.根据权利要求I所述的ー种非2的整数幂阶的QAM调制设计方法，其特征在于所述的符号比特映射关系的确定按照如下步骤 (1)根据选择的分组方式将比特序列分段与符号建立对应关系，该对应关系的建立优先考虑星座点组合选择最多的第d层，其中d为使
5.根据权利要求I所述的ー种非2的整数幂阶的QAM调制设计方法，其特征在于所述的建立映射采用格雷映射或近似格雷映射。
6.根据权利要求I所述的ー种非2的整数幂阶的QAM调制设计方法，其特征在于 码速率精度η不要超过4。
7.—种误比特率计算方法，其特征在于通过式(3)计算出第i层中第j个符号的误符号概率Psu(M),将由式(3)计算出的各层误符号概率带入式(4)，计算出理论误比特率Pb(M)
全文摘要
本发明公开了一种调制阶数非2的整数幂阶的QAM)调制设计方法，属于通信领域。本发明通过设定码速率、选定调制阶数、排布星座点位置、选定星座点分组方式、设定符号比特映射关系五个步骤建立一个新的调制方式。依照本发明方法设计的新的调制方式，其码速率与误比特率性能可介于与其调制阶数相邻的两种传统调制方式之间，可以增加自适应通信系统中调制方式的选择，缩小调制方式之间的性能间隔，通过本发明公开的设计方法可以突破调制阶数对调制方式的限制，码速率的选择也不再必须是整数，大大丰富M-QAM调制体系。
文档编号H04L1/00GK102694765SQ20121015016
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者刘荣科, 常承伟 申请人:北京航空航天大学