[发明专利]一种基于格雷映射的优化网格编码调制系统编码设计方法

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理数据编码技术领域，具体涉及TCM系统的编码调制准则和设计方法。

背景技术

网格编码调制（Trellis-Coded Modulation，TCM）是一种基于卷积编码的编码调制，它能够有效利用频谱带宽获得编码增益并适用于高速信号传输，于1976年首先由Ungerboeck提出[1]。与传统卷积编码相比，TCM将编码和调制相结合，联合考虑编码与调制的参数和性能，减少额外冗余比特，将冗余信息映射到扩展的调制星座符号集上，在相同的符号发送速率下通过增大编码器的自由距离以获得编码增益。

最近几十年，研究针对TCM系统设计投入了大量的工作，致力于寻找性能优越的编码准则。文献[2]中列举了部分利用计算机搜索得到的最优编码方式，文献[3][4]将星座图扩展到多维空间并给出了多维TCM的优点及参考编码方案。采用8PSK的四维TCM译码器经过优化设计可达到631.2Mb/s的高吞吐率[5]。文献[6]中提出了一种基于三进制布局的18阶调制六角形蜂窝星座图，文献[7]针对非对称星座图专门进行编码优化，不同程度增加了编码调制系统的灵活性。针对高斯信道和衰落信道的不同特性，基于比特交织的编码调制（Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM）通过编码器的比特交织改善系统性能[8]。在此基础上，迭代译码算法BICM-ID（Bit-Interleaved Coded Modulation - Iterative Decoding）使编码调制系统进一步获得了类似Turbo码的优秀纠错能力[9]。最近，文献[10]提出了基于高斯信道的TCM优化方法，通过优化状态转移过程中输出的汉明距离进一步提高编码增益。但是，文章只给出了8PSK调制下状态数为4和8时的优化方案，随着调制阶数上升码率进一步增大之后，比如码率R=3/4，16QAM调制，同一初始状态存在四对平行转移分支，其输出结果{0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14}的优化配对显得更为复杂且优化改善程度有限。为此本发明提出基于格雷（Gray）映射的新型编码改进方案，对高阶高码率TCM进行优化。

一般来说，TCM将码率                                                的二进制卷积码和进制（）星座图调制相结合。一种典型的TCM系统发送端结构如图1所示，该系统分为编码器和符号映射器两个部分。每次个信息比特进入编码器，其中个比特进入系统反馈卷积编码器，产生输出比特，其中是校验比特，是信息比特。这个比特和个非编码比特一起进入符号映射器。在卷积编码器状态转移中，由于非编码比特的存在，可能出现从同一初始状态出发具有相同次态而输出不同的情况，这些状态转移路径称为并行转移路径或平行路径。

在接下来的符号映射中，向量映射到符号集的个点的某一个。TCM编码的首要准则就是保证状态图中的平行路径输出对应到星座图上具有最大的欧式距离，以确保未编码比特在星座图映射上得到最大程度的保护。为此采用集合分割（Set Partition, SP）方法[2]来选择子集序列，以 8PSK调制为例，对应二进制分割树如图2所示。该方法把符号集等大小地分割为更小的子集，保证每一层分割都最大化最小平方子集距离，即保证同一子集的符号点之间最小平方欧式（Minimum Squared Euclidean, MSE）距离最大。

参考文献

[1] G. Ungerboeck. Channel coding with multilevel/phase signals [J]. IEEE Trans. Information Theory, 1982, IT-28: 55-57.

[2] G. Ungerboeck. Trellis-Coded Modulation with Redundant Signal Sets. Part II: State of the Art [J]. IEEE Commun. Mag., 1987, 25: 12-21.

[3] S S Pietrobon, R H Deng, A LaFanechere, et al. Trellis Coded Multi-Dimensional Phase Modulation [J]. IEEE Trans. Inform. Theory, 1990, 36: 63-89.