一种基于8×8非均匀星座的不等差错保护方案研究

摘 要:针对传统等差错保护(EEP)系统不能很好保护传输数据中重要数据的缺点,提出一种基于格状编码调制(TCM)的8×8非均匀星座不等差错保护(UEP)方案,接收端采用一个软输出Viterbi译码器进行重要和不重要码流的联合译码,使接收端系统得到简化,同时还可获得一定的编码增益。仿真结果表明,该UEP方案能使重要码流相对于不重要码流有很大的编码增益,且此编码增益可通过调节非均匀星座相关参数来改变。

关键词:不等差错保护; 格状编码调制; 非均匀星座; 软输出Viterbi译码

中图分类号:TN911.31 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)09-0007-04

Scheme of Unequal Error Protection Based on 8×8 Nonuniformly Spaced Constellations

ZHOU Zhi-hua, WANG Gang, LIU Jun

(Communication Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Abstract: Aiming at the shortcoming that an equal error protection system can not protect the important data well, a scheme of the unequal error protection(UEP) designed with trellis code modulation and 8×8 nonuniformly spaced constellations is proposed. A Viterbi decoder with soft-decision output is adopted in the receiver to decode the important and less important data jointly, which not only simplifies the receiver, but also obtains more coding gain. The simulation results of this UEP scheme show that the important data can obtain much more coding gain than the less important data and the coding gain can be changed by altering relevant parameters of the constellations.

Keywords: unequal error protection; trellis code modulation; nonuniformly spaced constellation; Viterbi decoding with soft-decision output

0 引 言

不等差错保护(Unequal Error Proteetion,UEP)是相对于同等差错保护而言的,在网络资源有限或者传输信道环境恶劣的情况下,平等差错保护使得重要码流得不到足够的保护,而使接收端性能严重下降。不等差错保护则根据信源输出码流的重要性不同,对重要码流进行重点保护,虽然降低了不重要码流的一些抗噪声性能,但对接收端的总体性能却有很大的提高。在如今的多媒体通信中,由于信源输出的表示低频和边缘信息的数据,其重要性明显高于表示高频信息数据的重要性,所以非常适合利用UEP机制进行传输,已经有很多文献对此进行了研究[1-7],并且这种机制在欧洲的高清数字电视地面广播系统中已得到了广泛的应用[1]。

文献[5]中提出利用信号星座的叠加来产生一种全新的非均匀星座以及利用不同编码星座的时分多路复用两种UEP方案,在接收端译码需要使用两个独立的译码器分别对重要和不重要码流进行译码,由于使用了两个译码器,势必会增加接收端系统的复杂度,同时没有对重要和不重要码流进行联合译码,从而会损失一些编码增益。

另外,不同编码星座的时分多路复用方案还需使用两个不同的信号星座。文献[8]提出了利用格状编码调制(Frellis Code Modulation,TCM)及(多进制正交幅度调制(Hultiple quadrature Amplitude Modulation,MQAM)均匀星座来提供UEP的方案,虽然这种方案的收端只需一个译码器,但其对重要码流能提供的保护能力有限,且没有对不重要码流进行编码调制,从而损失了一些编码增益。

本文提出了接收端只需要一个译码器,即基于TCM的8×8非均匀星座UEP方案,接收端采用重要和不重要码流联合译码,最后得到了更好的译码性能。

1 基于8×8非均匀星座的UEP系统方案设计

本文提出的收端只需一个译码器,即基于TCM的8×8非均匀星座UEP方案系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图

其基本想法如下:首先根据信源编码器输出的码流信息的重要性将其分为重要码流和不重要码流,然后重要码流和非重要码流都经过码率为2/3的(3,2,3)TCM编码器,编码后共同决定映射到8×8非均匀星座图中哪一个星座点。此处采用的(3,2,3)TCM编码为最佳Ungerboeck码[9],其编码结构如图2所示。

图2 (3,2,3) TCM编码器

8×8非均匀星座图如图3所示,此星座图由64个星座点组成,每8个靠的比较近的星座点组成一个星座点群,称为大星座点,大星座点对应的8个星座点称为小星座点。2个大星座点之间的欧氏距离定义为2个大星座点对应的8个小星座点之间的最小欧氏距离。

图3 8×8非均匀星座

在图3中,设大星座点之间的最小欧氏距离为d1,小星座点之间的最小欧氏距离为d2,当d1>d2时,大星座点所能获得的抗噪声性能就要好于小星座点,因此当把信源输出的重要码流映射到大星座点上,而不重要码流映射到小星座点上进行传输的话,那么重要码流所能获得的抗噪声性能就要好于不重要码流,而且可以根据实际情况,通过改变d1/d2的值来调节重要码流的抗噪声性能,从而满足不同的需求。

在本UEP系统中,为了突出基于非均匀星座所产生的UEP性能,重要码流和不重要码流都采用了相同的(3,2,3)TCM编码,一次都可进行2 b信息的编码。对于重要码流,编码器输出的3 b信息根据文献[9]中的映射规则(UP映射规则)映射到其中一个大星座点上,然后根据不重要码流编码输出的3 b信息,同样采用UP映射规则,决定映射到前面选定的那个大星座点下的具体哪一个小星座点上。因此,本方案的频谱利用率为4 b/s/Hz,其中重要码流和不重要码流各占50%。当然,可以通过改变重要码流或者不重要码流的编码方案来改变系统的频谱利用率和重要码流所占的比例等参数。

在接收端,本文采用了一种基于软判决Viterbi译码[10]的重要和不重码流联合译码方法。

设信道软输出抽样为:

rn=an+wn

(1)

式中:an是输入调制器的离散信号;wn是双边功率谱密度为N0/2时加性高斯白噪声的抽样。此时,最佳译码器的判决规则是从所有编码信号序列中选出一个序列{n},使得序列{n}与接收序列{rn}之间具有最小平方欧氏距离,也即找到满足下式的{n}:

∑|rn-n|=min|rn-an|2

(2)

对最佳软判决译码,最可能的错误发生在具有最小平方欧氏距离的两个序列{an}和{bn}之间,这一最小平方欧氏距离又称为最小平方自由距离,记作d2free,即有:

d2free=min∑|an-bn|2,

{an},{bn}∈C,{an}≠{bn}

(3)

文献[5]所提到的译码方法是先进行重要码流译码,然后根据重要码流的译码结果再进行不重要码流译码,由于这种译码方法将重要码流和不重要码流的译码分开来进行,会损失一定的编码增益,而且重要码流的译码错误会传播,并影响到不重要码流的译码。由于可以把发端的两个编码器联合起来当成一个总的编码器,所以本文采用了基于这个总编码器的重要和不重要码流联合译码方法,这样重要和不重要码流就可同时进行译码,互相作用。

从微观上来讲,由于重要码流和不重要码流同时发生前面提到的最小平方欧氏距离错误的概率低于单个码流发生这种错误的概率,因此,理论上可以改善重要和不重要码流的译码性能。

2 本方案的UEP性能

为了便于分析本方案的UEP性能,设有一个基于64QAM均匀星座的等差错保护(EEP)系统,信源输出的码流直接通过图2所示的(3,2,3)卷积码编码器进行编码,然后再按通常映射规则映射到64QAM星座点上。设64QAM星座点的最小欧氏距离为d0,并假设前面的UEP系统与这里的EEP系统等概率地取星座点集中的信号且系统发射功率相等,则UEP系统中的重要码流相对于EEP系统中码流的编码增益为:

GM=10logd2free1d20

(4)

式中:d2free1为重要码流的最小平方自由距离,由于它是通过重要码流的TCM产生的,所以其大小与重要码流TCM中的编码器及调制的大星座点之间的最小欧氏距离d1有关。

同理可得,UEP系统中不重要码流相对于EEP系统中码流的编码增益GL及UEP系统中重要码流相对于不重要码流的编码增益GML分别为:

GM=10logd2free2d20

(5)

GML=10logd2free1d2free2

(6)

式中:d2free2为不重要码流的最小平方自由距离,其大小与非重要码流TCM中的编码器及调制的小星座点之间的最小欧氏距离d2有关。因此,可以通过改变d1/d2的比值或调整重要和非重要码流的TCM编码结构来改变UEP系统的性能。

3 仿真结果及其分析

图4给出了本UEP系统及一个基于64QAM均匀星座的EEP系统的仿真结果图。两个系统信号发射的功率一样,且均为加性高斯白噪声信道。

图4 本UEP方案和64QAM方案仿真结果

从图4可以看出,当d1/d2=2时,本UEP系统中的重要码流相对于EEP系统码流的编码增益最高可为6.5 dB,相对于不重要码流的编码增益可达10 dB左右;当d1/d2=3时,本UEP系统中的重要码流相对于EEP系统码流的编码增益最高可为8 dB,相对于不重要码流的编码增益可达14 dB左右。因此,可以通过改变d1/d2的值来改变系统的UEP性能。

在SNR

图5给出了本UEP方案和文献[5]及文献[8]中的UEP方案在相同发射功率及信道条件下的仿真结果对比。

图5 三种UEP方案的对比

从图5中可以看出,本文和文献[5]的UEP方案提供的对重要码流的保护能力明显好于文献[8],这主要是因为前两种UEP方案是基于非均匀星座的,是以不重要码流欧氏距离的减少来换取重要码流欧氏的增大,从而增大重要码流的抗噪声性能,而文献[8]是基于均匀星座的,它是用TCM技术增大重要码流的抗噪声性,但由于TCM所能提供的编码增益有限,所以它对重要码流提供的保护能力也很有限,均低于前两种UEP方案。不过由于它没有降低不重要码流的最小欧氏距离,因而对不重要码流提供的抗噪声性能要好于前两种方案。

从图5中还可看出,本方案提供的重要和不重要码流抗噪声性能都要好于文献[5]的,这主要是因为本方案采用的是重要和不重要码流联合译码方法,相对于对两种码流进行独立的译码会有一定的编码增益,从而改善了译码性能。

4 结 语

提出的基于格状编码调制(TCM)的8×8非均匀星座不等差错保护方案,在d1/d2=2时,重要码流相对不重要码流有10 dB左右的增益,很好地保护了重要码流信息,而且可以通过改变d1/d2的值来改变系统的UEP性能,以满足实际应用。

另外,由于接收端采用了重要和不重要码流联合译码的方法,使得接收端只需要一个译码器就能进行重要和不重要码流的译码,从而降低了接收端的系统复杂度,同时还能获得一定的编码增益,改善接收端的误码性能。因而,本系统方案在实际多媒体通信中很有应用价值。

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