改进加性高斯白噪声信道上的性能的适配性正交幅度调制传输机制

摘要

一种电缆发送器，支持多种低密度奇偶校验(LDPC)编码率，例如1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9和9/10；并且支持多种正交幅度调制(QAM)机制，例如4-QAM、16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM或更高。对于所选择的调制机制，电缆发送器按照所选择的编码率的函数在使用不均匀的码元星座或均匀的码元星座之间进行选择。

说明书

技术领域

本发明总地涉及通信系统，并且更具体地涉及一种具有多种码率和调制机制的通信系统。

背景技术

数字视频广播-电缆(DVB-C)是第一代电缆传输系统(例如，参见EN 300429V.1.2.1(1998-04)Digital Video Broadcasting(DVB)；Framing structure，channel coding and modulation for cable systems)。然而，当前正在研究向第二代电缆系统DVB-C2的演进以提高传输能力，从而在电缆环境下提供诸如高清晰度电视(HDTV)、视频点播(VoD)、以及其他高级个人化的和交互的服务之类新的服务。

在第二代电缆系统中改进性能的一种方式是采用在第二代数字视频广播-卫星(DVB-S2)系统(例如，参见European Telecommunications StandardsInstitute(ETSI)Draft EN 302307，v.1.1.1，2004年6月)中使用的低密度奇偶校验(LDPC)前向纠错码来用于DVB-C2中。在DVB-S2中，已知这些LDPC码与正交幅度调制(QAM)结合在诸如4-QAM、16-QAM、16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM等的QAM机制范围中具有良好性能。在这些QAM机制每个中，对于所有的LDPC编码率在DVB-S2中使用均匀的码元(信号点)星座。实际上，甚至对于DVB-C、DVB-S以及甚至对于诸如DVB-地面2(T2)的下一代系统都使用均匀的码元星座。

发明内容

已经研究了电缆广播传输环境，并发现AWGN信道是主要的传输环境。这样，依据本发明原理，已经观察到：通过按照编码率的函数将码元星座适配为不均匀的码元星座或均匀的码元星座，可以得到更好的编码增益并且增加电缆系统的容量。

在本发明的示例实施例中，电缆发送器支持多种LDPC编码率，例如1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9和9/10；并且支持多种QAM机制，例如4-QAM、16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM或更高。对于所选择的调制机制，电缆发送器按照所选择的编码率的函数在使用不均匀的码元星座或均匀的码元星座之间进行选择。例如，对于1024-QAM机制，当编码率大于或等于8/9时，电缆发送器使用均匀的1024码元星座；而当编码率小于8/9时，电缆发送器使用不均匀的1024码元星座。

在本发明的另一示例实施例中，电缆接收器支持多种LDPC编码率，例如1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9和9/10；并且支持多种QAM机制的解调，例如4-QAM、16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM或更高。对于所选择的调制机制，电缆接收器按照所选择的编码率的函数在使用不均匀的码元星座或均匀的码元星座之间进行选择。例如，对于1024-QAM机制，当编码率大于或等于8/9时，电缆接收器使用均匀的1024码元星座；而当编码率小于8/9时，电缆接收器使用不均匀的1024码元星座。

考虑上述内容，如从阅读具体实施方式部分将显而易见的，其他实施例和特征也是可能的并且也落在本发明原理之内。

附图说明

图1示出了体现本发明原理的系统的示例高级框图；

图2示出了用于图1的发送器或接收器中的、根据本发明原理的示例流程图；

图3图示了用于32不均匀的PAM码元星座的表格一；

图4图示了使用表格一的值的不均匀的1024-QAM码元星座；

图5图示了用于32均匀的PAM码元星座的表格二；以及

图6图示了使用表格二的值的均匀的1024-QAM码元星座。

具体实施方式

除了本发明构思之外，图中示出的元素是公知的，并且将不对其进行详细描述。例如，除了本发明构思之外，假设熟悉离散多音调(DMT)传输(也称为正交频分多路复用(OFDM)或编码正交频分多路复用(COFDM))，并且在此不对其进行描述。此外，假设熟悉电视广播、接收器和视频编码，并且在此不对其进行详细描述。例如，除了本发明构思之外，假设熟悉当前的以及提出的推荐TV标准，诸如NTSC(全国电视系统委员会)、PAL(逐行倒相)、SECAM(顺序与存储彩色电视系统)、ATSC(高级电视系统委员会)(ATSC)、数字视频广播(DVB)、数字视频广播-地面(DVB-T)(例如，参见ETSI EN 300744V1.4.1(2001-01)，Digital Video Broadcasting(DVB)；Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrialtelevision)；数字视频广播-电缆(DVB-C)(例如，参见EN 300429V.1.2.1(1998-04)Digital Video Broadcasting(DVB)；Framing structure，channel codingand modulation for cable systems)；数字视频广播-卫星(DVB-S2)系统(例如，参见European Telecommunications Standards Institute(ETSI)Draft EN302307，v.1.1.1，2004年6月)；以及中国数字电视系统(GB)20600-2006(数字多媒体广播-地面/手持(DMB-T/H))。同样，除了本发明构思之外，假设熟悉其他传输概念(诸如八级残留边带(8-VSB)、相移键控(PSK)、正交幅度调制(QAM))以及接收器组件(诸如，射频(RF)前端)或者接收器部分(诸如，低噪声块、调谐器和下变换器)，连同快速傅里叶变换(FFT)元件、谱偏移器(spectrum shifter)、信道状态信息(CSI)估计器、均衡器、解调器、相关器、泄漏积分器和平方器(squarer)。此外，除了本发明构思之外，假设熟悉处理信号(诸如，形成信道状态信息)，并且在此不对其进行描述。类似地，除了本发明构思之外，用于产生传输比特流的格式化及编码方法(诸如，运动画面专家组(MPEG)-2系统标准(ISO/IEC 13818-1))是公知的，并且在此不对其进行描述。还应注意，可以使用传统的编程技术来实现本发明构思，同理，将不在此对传统的编程技术进行描述。在这点上，可以在模拟或数字域中实现这里描述的实施例。最后，图中相同编号标识相似元素。

如之前提到的，在诸如DVB-S2或者甚至DVB-T2之类的第二代系统中，将均匀的码元星座用于所有的LDPC编码率。然而，如何利用调制技术有效地组合LDPC码以得到最大的编码增益和整形增益(shaping gain)仍是有益的问题。根据信息理论，已知如果发送器输出的幅度在加性高斯白噪声(AWGN)信道中遵循高斯分布则除了可以获得编码增益之外还可以获得整形增益。存在两种得到整形增益的方法。

一种方法是将均匀的QAM星座与用于选择每个码元(信号点)的不同的概率一起使用以便提供整形增益。这种类型的方法包括网格整形(trellisshaping)、使用前缀码、或者类似的将信号星座细分为可变大小的区域。但是该方法在发送器设计中需要一个额外的整形编码元件，这导致了发送器复杂度的某种增加。

第二种方法是使用不均匀的码元星座来获得整形增益，即几何整形。这里，假设利用相同概率来选取星座的每个码元，并且以在发送器处产生输出信号的高斯分布的方式来布置码元，例如在较低功率电平处使用更多码元，而在较高功率电平处使用较少码元。该方法不需要发送器中的额外整形编码元件。

不幸地，上面提到的标准使用均匀的码元星座的一个原因是由于在使用不均匀的码元星座中的一些缺点。首先，整形增益通常随着QAM星座的阶数的增加而增加，例如，对于1024-QAM，整形增益为大约0.7dB，对于256-QAM，整形增益为大约0.5dB，但是对于低阶数QAM，整形增益非常小。因此在低阶QAM机制(诸如QPSK、或16-QAM)中使用不均匀的码元星座没有显著的增益。另外，整形增益通常随着编码率的增加而降低。实际上，对于非常高的编码率，整形增益甚至可能变为负的。最后，另一缺点是不均匀的码元星座在衰落信道环境下工作不佳。

已经研究了电缆广播传输环境，并且发现AWGN信道是主要的传输环境。同理，依据本发明原理，已经观察到：通过按照编码率的函数将码元星座适配为不均匀的码元星座或均匀的码元星座，可以得到更好的编码增益并且增加电缆系统的容量。

现在参考图1，示出依据本发明原理的系统的高级框图，其包括发送器100和接收器150。在发送器100和接收器150中仅示出了与本发明构思有关的那些部分。发送器100通过通信信道10将信号102传输(或广播)到接收器150。说明性地，假设信道10表示AWGN信道(诸如由电缆系统表示的)，但是本发明构思不限于此，而且可以应用于有线或无线通信系统。由于通信信道10影响传输信号，例如噪声等，这导致接收器150接收到信号149。

说明性地，发送器100支持多种LDPC编码率，例如1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9和9/10。例如，如本领域已知的，编码率2/5意味着：对于施加到LDPC编码器的每两个比特，通过LDPC编码器产生五个输出比特，例如，已经增加了三个奇偶比特。此外，如这里定义的，编码率1/4是最小的编码率，而编码率9/10是最大的编码率。因此，编码率1/2小于编码率5/6。例如在上面提到的DVB-S2系统中描述了这些LDPC编码率，并且这些LDPC编码率现在应用于电缆系统。发送器100还支持多种m-QAM机制，例如4-QAM、16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM，其中参数m表示码元星座的阶数或大小，并且是大于1的整数。根据本发明原理，发送器100按照编码率的函数在使用不均匀的m-码元星座和均匀的m-码元星座之间进行选择。

发送器100包括LDPC编码器105(表示前向纠错编码器)以及QAM调制器110。发送器100是基于处理器的系统并且包括一个或多个处理器及相关联的存储器，如在图1中以虚线框形式示出的处理器140和存储器145所表示的。在该背景下，计算机程序或软件存储在存储器145中以供处理器140执行，并且例如实现LDPC编码器105。处理器140表示一个或多个存储程序控制处理器，并且这些存储程序控制处理器不必专用于发送器功能，例如处理器140还可以控制发送器100的其他功能。存储器145表示任何存储设备，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等；可以在发送器100内部和/或外部；并且根据需要是易失性的和/或非易失性的。

以互补的方式，接收器150支持相同数目的LDPC编码率，例如1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9和9/10；以及相同数目的m-QAM机制，例如4-QAM、16-QAM、64-QAM、256-QAM、1024-QAM，以便恢复原始数据。根据本发明原理，接收器150按照编码率的函数在使用不均匀的m-码元星座和均匀的m-码元星座之间进行选择。

接收器150包括QAM解调器160以及LDPC解码器155(表示前向纠错解码器)。像发送器100一样，接收器150也是基于处理器的系统并且包括一个或多个处理器及相关联的存储器，如在图1中以虚线框形式示出的处理器190和存储器195所表示的。在该背景下，计算机程序或软件存储在存储器195中以供处理器190执行，并且例如实现LDPC解码器155。处理器190表示一个或多个存储程序控制处理器，并且这些存储程序控制处理器不必专用于接收器功能，例如处理器190还可以控制接收器150的其他功能。存储器195表示任何存储设备，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等；可以在接收器150内部和/或外部；并且根据需要是易失性的和/或非易失性的。

应注意到，除了本发明构思之外，图1中所示的说明性系统根据如在上面提到的标准中和其他DVB标准中定义的DVB来起作用。例如，DVB传输系统传输数据帧。在这点上，DVB传输系统使用传输参数信令(TPS)，使得发送器可以向接收器提供每个所传输的帧的信令参数，例如编码率和调制机制(例如，参见ETSI EN 300744V1.5.1(2004-11)，Digital Video Broadcasting(DVB)；Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrialtelevision)。为了该示例的目的，假设发送器100使用如在DVB中定义的TPS来向接收器150提供信令参数。在TPS中指定的值，例如编码率和调制机制可以逐帧地变化。另外，如何选择编码率以及如何选择码元星座大小与本发明构思无关，并且根据DVB来执行。同理，在DVB中，在信道上传输的服务确定要使用或选择的编码率和m-QAM机制。对于给定信道(例如，频带)，编码率和码元星座的大小确定系统的吞吐量。例如，如果在信道上传输HDTV服务，则高编码率和大码元星座将是优选的。同样，如果正在信道上传输单个标准清晰度TV(SDTV)服务，则低编码率和更小的码元星座将是足够的。然而，如果正在信道上传输多个SDTV服务，则高编码率和大码元星座又将是优选的。

返回发送器100，将如由输入信号101表示的数据施加到LDPC编码器105，其根据如在上面提到的DVB-S2标准中定义的上面提到的编码率中所选择的编码率来对数据进行编码以便向QAM调制器110提供编码数据106。经由信号109(其例如由处理器140提供)，将LDPC编码器105设置到所选择的编码率。同样，经由信号113(其例如由处理器140提供)来提供QAM调制器110要使用的所选择的m-QAM机制。然而，根据本发明原理，QAM调制器110还经由信号112(其例如由处理器140提供)被设置为使用不均匀的码元星座或均匀的码元星座。QAM调制器110使用所选择的m-QAM机制和星座类型(均匀的或不均匀的)，来经由信号102提供对应的QAM调制信号以供传输。

现在参考图2，示出了用于发送器100的、根据本发明原理的说明性流程图。在步骤305，处理器140确定(或选择)供LDPC编码器109使用的编码率(其经由信号109设置)以及供QAM调制器110使用的m-QAM机制(其经由信号113设置)。在步骤310，处理器140比较所选择的编码率R与阈值T_m。如果所选择的编码率R大于或等于阈值T_m，则处理器140经由信号112在步骤315中将QAM调制器110设置为使用均匀的码元星座。然而，如果所选择的编码率R小于阈值T_m，则处理器140经由信号112在步骤320中将QAM调制器110设置为使用不均匀的码元星座。

说明性地，如果选择256-QAM机制(m＝256)，则T₂₅₆＝8/9。因此，根据本发明原理，对于编码率1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5和5/6，使用不均匀的256码元星座；而对于编码率8/9和9/10，使用均匀的256码元星座。作为进一步的说明，如果选择1024-QAM机制(m＝1024)，则T₁₀₂₄＝8/9。因此，根据本发明原理，对于编码率1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5和5/6，使用不均匀的1024码元星座；而对于编码率8/9和9/10，使用均匀的1024码元星座。可以根据经验确定用于其余的m-QAM机制的其他T_m阈值。如从上面对于256-QAM和1024-QAM给出的两个示例中可以观察到的，可以是所有T_m值都相同的情况，但是并不要求这种情况。

应注意，QAM调制器110使用的各种不同的码元星座被存储在存储器(例如存储器145)中。因此，根据本发明原理，QAM调制器110实际上适配于码元星座。该适配性星座设计容易实现，并且不需要显著的附加成本，这可以使得所有编码率在AWGN信道上实现更好性能。对于不均匀的码元星座，以使得在发送器处产生输出星座信号的高斯分布的方式来布置每个星座码元的坐标。对于均匀的码元星座，在信号空间中均匀地布置每个星座码元的坐标。在这点上，对于不均匀的星座和均匀的星座两者，在图3和图4中示出了用于1024-QAM机制的说明性表格。

如本领域已知的，可以将1024-QAM机制表示为两个32-PAM(脉冲幅度调制)星座的交叉点，一个32-PAM星座沿着同相(I)轴而另一个沿着正交相(Q)轴。图3的表格一提供了不均匀的PAM星座的32个码元的规范化的信号点(这些点再次出现在I轴和Q轴上)。应注意到，经由使用“±”符号，表格一实际上包含32个条目。同理，表格一表示图4中说明性地示出的不均匀的1024-QAM星座。如本领域已知的，规范化的码元星座仅意味着每个码元的平均能量为1。为了比较不同的码元星座的目的，优选的是将星座规范化。例如，考虑具有位于沿轴的以下坐标(-3，-1，1，3)的码元的4-PAM星座。在规范化之后，规范化的星座变为：-1.3416，-0.4472，+0.4472，+1.3416，其中每个码元的平均能量被规范化为1(例如，参见″Signal Shaping by QAMfor AWGN Channels and Applications Using Turbo Coding″，Dirk Sommer，Gerhard P.Fettweis.ITG Conference Source and Channel Coding，页81-86，2000年1月)。

同样，图5的表格二提供了用于均匀的PAM星座的32个码元的规范化的信号点(这些点再次出现在I轴和Q轴两者中)。应该再次注意，经由使用“±”符号，表格二实际上包含32个条目。同理，表格二表示在图6中说明性地示出的均匀的1024-QAM星座。

现在返回图1，接收器150以与发送器100互补的方式执行，并且同样仅提供概述。接收器150经由上面提到的TPS信令确定用于所接收的帧的所选择的m-QAM机制和编码率。同样，经由例如来自处理器190的信号159将LDPC解码器155设置为所选择的编码率；经由例如来自处理器190的信号163将QAM解码器160设置为所选择的m-QAM调制。另外，处理器190执行例如图2的上述流程图，以便确定QAM解调器190使用不均匀的星座还是均匀的星座。在步骤305，如已经提到的，处理器190一接收到TPS信令，就确定(或选择)要供LDPC解码器155使用的编码率(其是经由信号159设置的)、以及要供QAM解调器160使用的m-QAM机制(其是经由信号163设置的)。在步骤310，处理器190比较所选择的编码率R与阈值T_m。如果所选择的编码率R大于或等于阈值T_m，则处理器190经由信号162在步骤315中将QAM解调器160设置为使用均匀的码元星座。然而，如果所选择的编码率R小于阈值T_m，则处理器190经由信号162在步骤320中将QAM解调器160设置为使用不均匀的码元星座。QAM解调器160解调所接收的信号149，并将解调后的编码数据提供到LDPC解码器155，LDPC解码器155提供纠错后的数据151。如上所述，对于1024-QAM码元星座，T_m＝8/9并且图3的表格一和图5的表格二可以被存储在存储器(例如存储器195)中，使得QAM解调器160根据需要适配码元星座。应注意，替代执行图3的流程图，接收器150依据适当修改的TPS信令可以恢复与使用均匀的码元星座或者不均匀的码元星座相关联的信息。

如上所述，根据本发明原理，对于给定的m-QAM机制，可以按照编码率的函数来选择不均匀的码元星座或均匀的码元星座。该适配性星座设计容易实现，并且不需要显著的附加成本，这可以使得所有编码率在AWGN信道上实现更好性能。尽管在LDPC编码的背景下描述本发明构思，但是本发明构思不限于此，而可以应用于其他的信道编码机制。类似地，尽管在电缆系统的背景下进行描述，但是本发明的构思也可以应用于其他的通信系统，而不论它们是否像AWGN。

考虑上述内容，前面仅仅说明了本发明原理，因此应理解，本领域技术人员将能够想象出尽管在这里未明确描述、但体现本发明原理并且在其精神和范围之内的各种替代布置。例如，尽管在分立功能元件的背景下进行说明，但是这些功能元件可以在一个或多个集成电路(IC)中实施。类似地，尽管被作为分立元件示出，但是(例如图1的)任何元件或所有元件可以在受存储程序控制的处理器(例如，数字信号处理器)中实现，所述处理器执行相关联的软件。此外，本发明原理可应用于其他类型的通信系统，例如，卫星、无线保真(Wi-Fi)、蜂窝等。实际上，本发明构思还可应用于固定的或移动的接收器。因此，应理解，可以对说明性实施例做出各种修改，并且在不偏离如由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以想象出其他布置。