無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法

專利名稱：無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了在有限的頻譜資源上實現(xiàn)高速率和大容量的無線通信，需要頻譜效率極高的技術(shù)，這是當(dāng)今無線通信領(lǐng)域的研究熱點。多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(MQAM)是ー種振幅調(diào)制和相位調(diào)制相結(jié)合的高階調(diào)制方式，頻譜效率高，當(dāng)結(jié)合格雷編碼星座圖映射方式使用時，可以進(jìn)一歩降低無線通信系統(tǒng)的誤碼率。數(shù)字通信系統(tǒng)中常用的解調(diào)方式分為硬判決解調(diào)與軟判決解調(diào)(簡稱軟解調(diào))兩種。硬判決是指對解調(diào)器輸出信號做N比特量化，分量高于門限輸出為1，否則輸出為0，屬于ー級量化，以序列之間的漢明距離作為度量進(jìn)行譯碼；軟解調(diào)屬于多級量化，傳統(tǒng)的軟判決譯碼器以歐氏距離作為度量進(jìn)行譯碼，其解調(diào)器不進(jìn)行判決，直接輸出模擬量，或是將解調(diào)器輸出信號進(jìn)行多電平量化(不是簡單的O、I兩電平量化)，然后送往譯碼器，編碼信道輸出的是沒有經(jīng)過判決的“軟信息”，由于軟判決避免了解調(diào)后誤判的影響，充分利用了信道輸出信號的信息，性能上優(yōu)于硬判決譯碼。傳統(tǒng)的接收信號的軟解調(diào)采用星座點最小歐式距離搜索的方法進(jìn)行，計算量大，效率不高，文獻(xiàn) F. Tosato and P. Bisaglia, “Simplified soft-output demapperfor binary interleaved COFDM with application to HIPERLAN/2,，，in Proc. IEEEICC’02，vol. 2，pp. 664-668，2002提出了一種通過計算格雷編碼MQAM調(diào)制信號的軟信息值(又稱對數(shù)似然比LLR Log-Likelihood Ratio)來實現(xiàn)軟解調(diào)的方法,該方法計算量小,硬件處理速度快，但是其中涉及到除法均衡，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實現(xiàn)；專利《格雷編碼M-QAM調(diào)制的并行軟比特信息計算的實現(xiàn)方法》，孫健，申請?zhí)?00910255806. 4雖然提及了除法均衡的替代算法，但是其僅適用于采用System Generator for DSP設(shè)計工具在XILINXVirtex-4FPGA上實現(xiàn)，采用該設(shè)計工具提供的特定的模塊搭建，并不是ー種通用的硬件設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供ー種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法，以實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的接收端不再使用均衡器對接收信號進(jìn)行除法均衡處理，直接通過計算接收信號的軟信息值LLR完成軟解調(diào)，且本發(fā)明提供ー種通用的硬件結(jié)構(gòu)，支持采用任何設(shè)計工具、利用所有可行的硬件資源進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)裝置，在XILINX Virtex-4型FPGA芯片上搭建，由軟信息計算模塊和解調(diào)模塊相連接組成，其特征在于軟信息計算模塊包括乘法單元a、b、C、IQ分離單元、存儲器單元、截取單元a、b、C、d、e、f、g、移位單元a、b、多路選擇器単元、減法單元a、b、C、取負(fù)值單元a、b、c和比特組合単元；其中存儲器単元與乘法單元c相連接,乘法單元c分別與減法單元a和移位單元a相連接,移位單元a后接分別連移位單元b和減法單元b,移位單元b與減法單元c連接,乘法單元b與IQ分離單元相連接，IQ分離單元和截取單元a相連接，IQ分離單元分別與截取単元b、多路選擇単元a和取負(fù)值單元a連接，截取單元b和取負(fù)值單元a分別與多路選擇単元a相連接，多路選擇單元a與減法單元a相連接，減法單元a分別與截取単元c、d、多路選擇単元b和取負(fù)值単元b連接，截取單元d、減法單元b和取負(fù)值單元b分別與多路選擇単元b相連接，減法単元b分別與截取単元e、f、多路選擇単元c和取負(fù)值單元c連接，截取單元f、減法單元C和取負(fù)值單元C分別與多路選擇單元C相連接,減法單元C與截取單元g相連接，截取單元a、C、e、g分別與比特組合單元相連接；解調(diào)模塊由截取單元①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧和⑨、比特組合單元①、②、③及④和多路選擇單元組成；其中截取單元②、③與比特組合單元①相連接(指示QPSK解調(diào)信號),截取單元④、⑤與比特組合單元②相連接(指示16QAM解調(diào)信號)，截取單元⑥、⑦與比特組合単元③相連接(指示64QAM解調(diào)信號)，截取單元⑧和⑨與比特組合単元④相連接(指示256QAM解調(diào)信號)，截取單元①與多路選擇単元相連接(指 示BPSK解調(diào)信號)，比特組合單元①、②、③、④的輸出端分別與多路選擇単元相連接；所述多路選擇單元是9輸入的多路選擇単元。ー種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法，在無線通信系統(tǒng)接收端信號處理的過程中，輸入信號被分為實部I路與虛部Q路同時進(jìn)行處理，現(xiàn)以I路為例，Q路處理過程同I路相同；設(shè)第i路接收信號中第k個比特的實部I路軟信息值(又稱對數(shù)似然比LLR，英文全稱為Log-Likelihood Ratio)的計算如下(Q路處理過程同I路相同)
Dl k Dj
L- +dLk,k>^<U ii LLRf(bI k) = Hf .Dlk其中>vM= Re〔ベ^^]為除法均衡后符號的實部，中第k個比特
V /づ
與距離其最近的星座點之間的距離，D1,^是yi[i]中第k-i個比特與距離其最近的星座點之間的距離，LLRi (bu)是接收信號第i路第k個比特I路的軟信息值，r[i]為接收端接
收信號，Hi為信道估計值H是Hi的復(fù)共軛，Cllik為第k個比特的判決區(qū)域?qū)挾鹊囊话耄?br> dlhM為調(diào)制階數(shù)，因為|私|2，得到改進(jìn)的接收端格雷編碼MQAM
巾rif號第i路第k個比特的I路LLR計算公式為
Re( Hj . r[/]],/( = I
LLR^ul. . ノ(1.2)
-|"桃ト。卜‘丨對，た>1其中LLRi (bu)是接收信號第i路第k個比特I路的軟信息值，LLRi Odi,H)是接收信號第i路第k-Ι個比特I路的軟信息值，r[i]為接收端接收信號，Hi為信道估計值，H是氏的復(fù)共軛，も，，為第k個比特的判決區(qū)域?qū)挾鹊囊话?，通信系統(tǒng)的發(fā)送端采用歸一化的調(diào)制星座，則接收端也進(jìn)行針對歸ー化星座點的處理，令も;λ=α(ΑΓ)·Λ/^72 Μ, k>l，M為調(diào)制階數(shù)，a (M)為針對歸ー化星座點的參數(shù)，其值由調(diào)制階數(shù)M決定，a (M)=O1M=O ；a (M) =1, M=2 ； a(M) = 1/V2, M=4 ； a(M) = IfyJlO, M=16 ； a(M) = I/-v/42, M=64 ；
a ( M) = I / λ/ 70. M=256 ；假設(shè)接收端已知信道估計值Hi,根據(jù)式(I. 2)，接收端不再對接收信號進(jìn)行均衡處理，而是直接利用接收信號r[i]計算接收信號的軟信息值，實現(xiàn)接收信號的軟解調(diào)，現(xiàn)以I 路為例，Q路處理過程同I路相同，該軟解調(diào)方法步驟如下I)將接收信號r[i]與信道估計值//仏入軟信息計算模塊，計算接收信號的軟信息值(I)將接收信號!· [i]與信道估計值//這入乘法単元，得到<· 送入IQ分離單元取實部，得到第I個接收比特的實部(I路)軟信息，即I丄Aibl ') = Rej /-/; ■ /'[/■])(2)將信道估計值Hi送入乘法單元得到Hi2,根據(jù)もバ=
k>l，計算M取值分別為0、2、4、16、64、256時第2個接收比特即k = 2的判決區(qū)域，存入存儲器單元中，調(diào)制階數(shù)Μ=2' Wt=Iog2(M)為存儲器的地址，根據(jù)設(shè)定的M值從存儲器中取
出對應(yīng)的も，2值，將も，2與Hi2送入乘法單元相乘，得到も,2私2 :(3)在數(shù)字信號處理中，輸入數(shù)字信號的每ー個比特是有高低位區(qū)別的，以4比特數(shù)字信號1100為例，其最左側(cè)的I即為該信號的最高位，最右側(cè)的O即為該信號的最低位；截取單元截取LLRi (by)的最高位作為多路選擇單元的控制信號，若該控制信號為0，則多路選擇單元輸出LLRiO^ふ若該控制信號為1，則多路選擇單元輸出-LLRi (bI;1)，其中，-LLRi (I^1)是LLRi (Bm)經(jīng)取負(fù)值單元進(jìn)行取負(fù)操作得到的；(4)將2與多路選擇単元的輸出值送入減法單元完成減法運算，即得到第2個比特的軟信息 LLRi (bI； 2) =_ I LLRi (bI； J | +dI； 21 Hi |2(5)依次計算第3個、第4個接收比特的判決區(qū)域，根據(jù)調(diào)制方式M，I路和Q路分別有Iog2 (M) /2個比特，由于設(shè)定的最高調(diào)制階數(shù)為M=256，可知共有4個比特，將も2ボ經(jīng)
移位単元右移一位即可得到も，3戌2，再將劣,3街經(jīng)移位単元右移一位即可得到も，4私2，再
根據(jù)式(1.2)重復(fù)步驟(3)、(4)即可計算出第3個、第4個比特的軟信息；(6)截取單元分別截取上述4個接收比特的軟信息的最高位作為軟判決得到的判決比持，并將所得4個判決比特值輸入比特組合単元，在比特組合単元中，按照第I個比特的判決值在最高位、第4個比特的判決值在最低位的形式進(jìn)行比特組合，得到I、Q兩路的判決比特值組合；
2)將接收信號的軟信息值送入解調(diào)模塊，完成接收信號的軟解調(diào)a.截取單元根據(jù)調(diào)制階數(shù)M分別對I、Q兩路的判決比特值組合從高位開始截取，每路截取Iog2 (M) /2個比特(即截取高Iog2 (M) /2位)；b.比特組合單元按照I路在高位、Q路在低位的形式對截取的Iog2(M)/2個比特進(jìn)行組合后送入多路選擇単元；c.多路選擇単元有9個數(shù)據(jù)輸入口(最多可以實現(xiàn)256QAM調(diào)制，可根據(jù)需要進(jìn)行擴展)、I個選擇參數(shù)輸入ロ sel (當(dāng)sel輸入值為N吋，多路選擇單元輸出第N個輸入ロ的數(shù)據(jù))，將步驟b中所得比特組合從第t=log2 (M)個輸入ロ輸入多路選擇単元，其他輸入ロ置0值，以セ=1呢2(10=0、1、2、4、6、8作為選擇參數(shù)，即能實現(xiàn)根據(jù)調(diào)制階數(shù)1選擇解調(diào)方式，從而得到最終的解調(diào)信號。本發(fā)明所述軟解調(diào)方法及其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)支持兩種工作方式，第一種是不進(jìn)行判決，直接輸出軟信息值，即根據(jù)調(diào)制階數(shù)M，將步驟I)中的步驟(5)所得Iog2 (M)/2個比特的軟信息值直接輸入譯碼器，不再進(jìn)行步驟(6)的處理；第二種是將軟信息值進(jìn)行多電平量化(不是簡單的0、1兩電平量化)，再進(jìn)行譯碼，S卩如步驟I)中的步驟(I)到步驟(6)所述。上述的LLR是英文Loglikelihood Ratio的縮寫,意為對數(shù)似然比。上述的 mqam 是英文 multiple quadrature amplitude modulation 的縮寫，意為多進(jìn)制正交幅度調(diào)制。本發(fā)明在提供了ー種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法，并在XILINX Virtex-4型FPGA芯片上實現(xiàn)，該方法支持了無線通信系統(tǒng)中無調(diào)制(M=O)，BPSK(M=2)，4QAM(M=4)，16QAM(M=16)，64QAM(M=64)，256QAM(M=256) 6 種調(diào)制方式信號的軟解調(diào)，上述參數(shù)不影響本發(fā)明的一般性。本發(fā)明與傳統(tǒng)的方法相比，無線通信系統(tǒng)的接收端不再使用均衡器對接收信號進(jìn)行除法均衡處理，解決了傳統(tǒng)除法運算在硬件中實現(xiàn)復(fù)雜的問題；采用通過計算軟比特信息的方法來完成解調(diào)，與傳統(tǒng)的星座點最小歐氏距離搜索的解調(diào)方法相比，本發(fā)明可以大大降低硬件的計算量。


圖I為本發(fā)明軟解調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。圖2為本發(fā)明方法的流程圖；其中I) -2)為其各個步驟。圖3為多進(jìn)制正交幅度調(diào)制功率歸ー化參數(shù)表。圖4為本發(fā)明軟解調(diào)裝置中的軟信息計算模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為軟信息計算模塊中的存儲器単元中判決區(qū)域值Clu(M)存放位置及以t為地址(t=log2 (M))、從存儲器単元中取出判決區(qū)域值Cllik(M)的示意圖，即步驟I)中的步驟(2)
存儲器單元存放數(shù)據(jù)的示意框圖，根據(jù)
權(quán)利要求
1.一種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)裝置，在XILINX Virtex-4型FPGA芯片上搭建，由軟信息計算模塊和解調(diào)模塊相連接組成，其特征在于軟信息計算模塊包括乘法單元a、b、C、IQ分離單元、存儲器單元、截取單元a、b、C、d、e、f、g、移位單元a、b、多路選擇器單元、減法單元a、b、C、取負(fù)值單元a、b、c和比特組合單元；其中存儲器單元與乘法單元c相連接,乘法單元c分別與減法單元a和移位單元a相連接,移位單元a后接分別連移位單元b和減法單元b，移位單元b與減法單元c連接，乘法單元b與IQ分離單元相連接，IQ分離單元和截取單元a相連接，IQ分離單元分別與截取單元b、多路選擇單元a和取負(fù)值單元a連接，截取單元b和取負(fù)值單元a分別與多路選擇單元a相連接，多路選擇單元a與減法單元a相連接，減法單元a分別與截取單元c、d、多路選擇單元b和取負(fù)值單元b連接，截取單元d、減法單元b和取負(fù)值單元b分別與多路選擇單元b相連接，減法單元b分別與截取單元e、f、多路選擇單元c和取負(fù)值單元c連接，截取單元f、減法單元c和取負(fù)值單元C分別與多路選擇單元c相連接,減法單元c與截取單元g相連接，截取單元a、C、e、g分別與比特組合單元相連接；解調(diào)模塊由截取單元①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧和⑨、t匕特組合單元①、②、③及④和多路選擇單元組成；其中截取單元②、③與比特組合單元①相連接，截取單元④、⑤與比特組合單元②相連接，截取單元⑥、⑦與比特組合單元③相連接，截取單元⑧和⑨與比特組合單元④相連接，截取單元①與多路選擇單元相連接，比特組合單元①、②、③、④的輸出端分別與多路選擇單元相連接；所述多路選擇單元是9輸入的多路選擇單元。
2.一種無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法，在無線通信系統(tǒng)接收端信號處理的過程中，輸入信號被分為實部I路與虛部Q路同時進(jìn)行處理，現(xiàn)以I路為例，Q路處理過程同I路相同； 設(shè)第i路接收信號中第k個比特的實部I路軟信息值的計算如下
全文摘要
無均衡器的多進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號的軟解調(diào)方法，屬無線通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解調(diào)裝置是在XILINX Virtex-4型FPGA芯片上搭建，由軟信息計算模塊和解調(diào)模塊相連接組成；本發(fā)明方法步驟為無線通信系統(tǒng)的接收端利用已知的信道估計值；直接對接收信號軟解調(diào)；將解調(diào)信號進(jìn)行譯碼恢復(fù)出原始發(fā)送信號。本發(fā)明使得接收端不再使用均衡器對接收信號進(jìn)行除法均衡處理，解決了傳統(tǒng)除法運算在硬件中實現(xiàn)復(fù)雜的問題；采用通過計算軟比特信息的方法來完成解調(diào)，與傳統(tǒng)的星座點最小歐氏距離搜索的解調(diào)方法相比，本發(fā)明可以大大降低硬件的計算量。
文檔編號H04L27/38GK102664862SQ20121014759
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者孫健, 宮紀(jì)波, 袁東風(fēng), 趙俞 申請人:山東大學(xué)