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        下一代數(shù)字地面廣播技術(shù)——在雙極化MIMO傳輸中LDPC碼的解碼方法

        2014-02-08 07:41:40宋文君
        中國傳媒科技 2014年10期
        關(guān)鍵詞:解碼載波方差

        文|宋文君

        許多國家正在進(jìn)行下一代數(shù)字地面廣播的研究,以便提高大容量內(nèi)容服務(wù),如超高清(SHV)。在本文中,提出了大容量傳輸技術(shù),使用超多層(例如,1024QAM或4096QAM)正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和雙極化多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)。

        MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)通過在發(fā)送端和接收端使用多個(gè)天線分別完成信號的發(fā)送和接收,實(shí)現(xiàn)了分集增益和空間復(fù)用增益,大幅度地提高了信道容量和頻帶利用率。MIMO系統(tǒng)中,同一時(shí)刻不同天線發(fā)送不同的信息比特,它們在每一根接收天線上疊加,相互形成干擾,當(dāng)符號周期小于信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展,即出現(xiàn)信道的頻率選擇性衰落時(shí),接收信號會產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾。因此,克服來自多天線和多徑的干擾成為MIMO系統(tǒng)檢測的主要問題。

        在過去的研究中發(fā)現(xiàn),接收到的水平極化和垂直極化波的能量是不同的,這是因?yàn)樗鼈儾煌膫鬏斕匦?,這樣降低了BER(誤碼率)特性。為了解決這一問題,需要使用LDPC碼(低密度奇偶校驗(yàn))方案和多維交織方法。在本文中,我們提出了一種LDPC碼的譯碼方法,使用雙極化MIMO傳輸信道響應(yīng)進(jìn)一步改善誤碼率性能。信道衰落的失真引起了載波符號之間的功率差,這降低了誤碼率性能。我們使用信道響應(yīng)評估噪聲方差,不僅可以得到OFDM信號中的所有載波符號噪聲方差的平均值,而且可以得到每個(gè)載波符號噪聲方差的值,并將這提供給LDPC碼的譯碼方案。該方法是基于LLR(對數(shù)似然比)的和積譯碼算法的迭代計(jì)算的過程。LLR迭代計(jì)算考慮到每個(gè)載波符號的噪聲方差。這些措施使LLR計(jì)算更準(zhǔn)確,并可以提高譯碼性能。

        解碼方法

        1.和積算法

        常規(guī)的和積算法中,第i個(gè)LLR由公式(1)給出:

        公式1

        在這里,是一個(gè)條件概率密度函數(shù)。發(fā)射信號x和接收信號y由公式(2)和(3)給出:

        公式2

        公式3

        LDPC碼的長度為n。和積算法是工作在LDPC碼的Tanner圖(LDPC的校驗(yàn)矩陣)的信息傳送算法。重復(fù)此操作,直到滿足一個(gè)奇偶校驗(yàn)或者迭代次數(shù)達(dá)到最大值。和積算法中有詳細(xì)的說明,圖1顯示了傳統(tǒng)方法的框圖。

        圖1 傳統(tǒng)方法的框圖

        2.和積算法和偽隨機(jī)LLR

        和積譯碼算法的第t次迭代產(chǎn)生初次排列c,見公式(4)。

        公式4

        偽隨機(jī)LLR的使用公式5可以得到。向量和可以通過在c中置換為0和1來獲得,公式分別為(6)和(7)。這些向量生成副本的符號?!皞巍庇脕肀砻髟搶?shù)似然是不是真正的對數(shù)似然。

        公式5

        公式6

        公式7

        接下來,向量和在(8)和(9)中被定義。μ是每個(gè)符號的比特?cái)?shù)。有復(fù)制的符號,它在或中有第i位數(shù)據(jù)。向量和相差只有一位,如果使用灰度映射方案他們在I-Q圖的位置一個(gè)挨著一個(gè)。此外,在和中,副本符號除向量和外,都是相同的。結(jié)果,偽LLR變成公式(10)。在這里是中的一個(gè)載波符號,包含第i位數(shù)據(jù)符號。是所有載波符號的平均噪聲方差。偽LLR變成和積算法中t+1輪的輸入。圖2顯示了偽LLR的解碼方法框圖。

        = 公式8

        = 公式9

        公式10

        圖2 偽LLR解碼方法框圖

        3.提出的方法

        在迭代計(jì)算LLR中,我們替代的不是所有載波符號平均噪聲方差,而是每個(gè)載波的符號的噪聲方差。每個(gè)載波符號的噪聲方差從MIMO信道響應(yīng)H的矩陣和經(jīng)過MIMO檢測的所有載波符號的平均噪聲方差中獲得。這些值表明每個(gè)載波符號的CNR(載波噪聲比)。噪聲的方差是恒定的,見公式(10)。根據(jù)每個(gè)載波的符號的方差噪聲,我們得到的偽LLR更準(zhǔn)確地在雙極化MIMO傳輸,解碼的結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。因此,公式(11)用于獲得偽LLR的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。每個(gè)載波的符號噪聲方差偽LLR是和積算法第t+1個(gè)輸入。圖3顯示了提出的方法的方框圖。

        公式11

        圖3 設(shè)計(jì)方法的框圖

        驗(yàn)證

        我們在計(jì)算機(jī)中模擬驗(yàn)證了所提出的方法。奇偶校驗(yàn)矩陣和比特交織方案與在DVB-T2系統(tǒng)相同。輸入數(shù)據(jù)流分為兩個(gè)流(一個(gè)水平極化,另一個(gè)垂直極化)與多元交織方法,載波調(diào)制方案64QAM或4096QAM。圖4顯示計(jì)算機(jī)仿真方框圖,表I顯示參數(shù)表。

        圖4 計(jì)算機(jī)仿真的方框圖

        表I 計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)

        圖5顯示的在不同的接收功率的信道響應(yīng)的差異。在這里,我們假設(shè)水平極化和垂直極化之間沒有交叉極化分量。所需的CNR的定義在LDPC解碼后假定BER小于1E-7。圖6和圖7標(biāo)記了仿真所需的水平和垂直極化波的CNRs。比較所需的CNRs,顯然所提出的方法的改進(jìn),增加了接收功率的差異。此外,我們可以看到,改進(jìn)雙極化MIMO傳輸后,即使接收功率沒有區(qū)別,4096QAM比64QAM變化更大。

        有兩個(gè)原因。第一,接收功率的差異信息包括在解碼過程中。在OFDM符號中,偽LLR能獲得每個(gè)載波的符號的更精確的噪聲方差,而不是所有載體的平均噪聲方差。這意味著,如果在兩種極化下所有載波符號的CNRs不是相同的水平,該方法將強(qiáng)于傳統(tǒng)的方法。第二,一個(gè)復(fù)合載波調(diào)制方案將使OFDM符號中的載波符號模糊。圖8顯示了在I-Q圖64QAM信號排列。圖8有的信號點(diǎn)(稱為“環(huán)繞信號點(diǎn)”)被別的信號(被稱為“邊緣信號點(diǎn)”)所包圍。在一般情況下,如果采用QAM方案,被包圍的信號點(diǎn)容易生成誤差點(diǎn)。環(huán)繞信號給所有信號點(diǎn)的誤差率的比例是36/64 = 56.3%。在另一方面,4096QAM比64QAM還有更多的環(huán)繞信號點(diǎn),在這種情況下,比率是3844/4096=93.8%。這些值表明,復(fù)合載波調(diào)制方案降低了誤碼率性能。請注意所提出的方法產(chǎn)生兩個(gè)副本的符號,偽LLR與他們進(jìn)行迭代計(jì)算。如果他們與接收到的載波的符號相同,偽LLR計(jì)算會更準(zhǔn)確。此外,偽LLR復(fù)制符號更準(zhǔn)確。如果有許多環(huán)繞信號點(diǎn),迭代方法使用兩個(gè)并排符號來緩解誤碼率降低。

        出于這個(gè)原因,明確的是,當(dāng)使用雙極化MIMO技術(shù)和超多的OFDM技術(shù)時(shí),使用LDPC碼的譯碼方法運(yùn)行良好。

        圖5 信道響應(yīng)和接收功率的差異

        圖6 仿真結(jié)果(4096QAM)

        圖7 仿真結(jié)果(64QAM)

        圖8 64QAM符號排列

        結(jié)論

        這種LDPC碼的譯碼方法,它使用雙極化MIMO傳輸?shù)男诺理憫?yīng)進(jìn)行LLR迭代計(jì)算,從實(shí)驗(yàn)決定中產(chǎn)生了復(fù)制符號,通過0或者1取代相關(guān)的位數(shù)。在那之后,偽LLR迭代計(jì)算接收到的信號與噪聲方差,接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確解碼。我們進(jìn)行了雙極化MIMO傳輸下不同信道響應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真,發(fā)現(xiàn)所提出的方法優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。這種方法將對下一代數(shù)字電視傳輸技術(shù)起到積極的推動作用,為大容量數(shù)據(jù)傳輸打下基礎(chǔ)。

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