实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系统及方法

摘要

本发明公开了一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系统及方法，该系统包括：对数域最大后验概率处理模块；低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块，与该对数域最大后验概率处理模块同时对相同输入符号进行处理；低复杂度最大值对数域最大后验概率算法利用绝对欧式距离代替相对欧式距离间接实现最小欧式距离的放缩，对部分星座点实现高功率效率；判决模块，将该对数域最大后验概率处理模块输出的比特序列通过QAM符号映射表找到对应的实部和虚部，将实部和虚部与星座符号映射比例系数比对，根据比较结果选择性输出对数域最大后验概率处理模块或低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块的结果，通过本发明，可提高QAM的功率效率。

说明书

技术领域

本发明涉及数字芯片物理层数字信号处理算法，特别是涉及一种实现低复 杂度高功率效率的QAM软判决系统及方法。

背景技术

在3GPP和IEEE802.16等众多标准中，QAM(QuadratureAmplitude Modulation，正交振幅调制)作为高速通信不可或缺的符号映射技术得到各国学 者和工程师的高度重视，高阶QAM技术所具有的高带宽效率更是人们所迫切追 求的。然而，由于高阶QAM技术的符号间最小欧氏距离小于低阶调制的最小欧 氏距离，导致较低的功率效率，无法满足人们在低信噪比下对信号完整性的要 求，在工业界的使用更是对信噪比提出很高的要求。

对数域最大后验概率(log-MAP)作为标准软判决的提出给人们在追求高功 率效率的道路上提供了广阔的空间。由于当前的调制技术使得符号映射的星座 图最小欧式距离固定不变，导致无论人们怎么努力都无法超越log-MAP算法的 性能。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种实现低复杂 度高功率效率的QAM软判决系统及方法，其利用绝对欧式距离代替相对欧式距 离实现最小欧式距离的放缩，进而提高QAM的功率效率，使得log-MAP算法 实现的功率效率作为性能下限。

为达上述及其它目的，本发明提出一种实现低复杂度高功率效率的QAM 软判决系统，包括：

对数域最大后验概率处理模块，利用log-MAP算法对输入的符号进行处 理；

低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块，与该对数域最大后验概率 处理模块同时对相同输入符号进行处理，该低复杂度最大值对数域最大后验概 率算法利用绝对欧式距离代替相对欧式距离间接实现最小欧式距离的放缩，对 部分星座点实现高功率效率；

判决模块，将该对数域最大后验概率处理模块输出的比特序列通过QAM 符号映射表找到对应的实部和虚部，将实部和虚部与星座符号映射比例系数进 行比对，根据比较结果选择性输出该对数域最大后验概率处理模块或该低复杂 度最大值对数域最大后验概率处理模块的处理结果。

进一步地，于该判决模块中，如果均大于该比例系数，则输出该低复杂度 最大值对数域最大后验概率处理模块的结果，相反则输出该对数域最大后验概 率处理模块的处理结果。

进一步地，该对数域最大后验概率处理模块处理星座图坐标轴两侧的符 号。

进一步地，该低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块处理星座图外 侧符号，即除了坐标两侧符号之外的部分。

进一步地，该系统适用于高阶QAM软判决。

为达到上述目的，本发明还提供一种实现低复杂度高功率效率的QAM软 判决方法，包括如下步骤：

步骤一，利用对数域最大后验概率处理模块和低复杂度最大值对数域最大 后验概率处理模块同时对输入符号进行处理；

步骤二，判决模块首先将该对数域最大后验概率处理模块输出的比特序列 通过QAM符号映射表找到对应的实部和虚部，将实部和虚部与星座符号映射的 比例系数进行比对，根据比较结果选择性输出该对数域最大后验概率处理模块 或该低复杂度大值对数域最大后验概率处理模块的处理结果。

进一步地，该低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块对输入的符号 利用绝对欧氏距离代替相对欧氏距离，使得待测符号到相邻符号的判断转换为 待测比特以绝对欧氏距离为度量的判断，间接实现最小欧氏距离的放缩，放大 外侧星座图点最小欧氏距离，缩小坐标轴两侧星座点最小欧氏距离，该对数域 最大后验概率处理模块则利用log-MAP算法对输入的符号进行处理。

进一步地，于步骤一中，利用对数域最大后验概率处理模块处理星座图坐 标轴两侧的符号，利用最大值对数域最大后验概率处理模块处理星座图外侧符 号，即除了坐标两侧符号之外的部分。

进一步地，于步骤二中，如果均大于该比例系数，则输出该低复杂度最大 值对数域最大后验概率处理模块的结果，相反则输出该对数域最大后验概率处 理模块的处理结果。

进一步地，该方法适用于高阶QAM软判决。

与现有技术相比，本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系 统及方法，其利用绝对欧式距离代替相对欧式距离实现最小欧式距离的放缩， 进而提高QAM的功率效率，使得log-MAP算法实现的功率效率作为性能下限。

附图说明

图1为本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系统的系统结构 示意图；

图2为本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决方法的步骤流程 图；

图3为本发明较佳实施例中16QAM实轴坐标上对星座图外侧符号的判决示 意图；

图4为本发明较佳实施例中16QAM实轴坐标上对星座图坐标轴两侧符号的 判决示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术 人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明 亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基 于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系统的系统结 构示意图。如图1所示，本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系 统，包括：对数域最大后验概率(log-MAP)处理模块101、低复杂度最大值对 数域最大后验概率(lc-max-log-MAP)处理模块102以及判决模块103。

其中，对数域最大后验概率处理模块101和低复杂度最大值对数域最大后 验概率处理模块102同时对相同输入符号进行处理，将输出结果分别送到判决 模块103处理，低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块102对输入的符 号利用绝对欧氏距离代替相对欧氏距离，使得待测符号到相邻符号的判断转换 为待测比特以绝对欧氏距离为度量的判断，间接实现最小欧氏距离的放缩，放 大外侧星座图点最小欧氏距离，缩小坐标轴两侧星座点最小欧氏距离，对数域 最大后验概率处理模块101利用log-MAP算法对输入的符号进行处理，；判决模 块103首先将log-MAP算法输出的比特序列通过QAM符号映射表找到对应的 实部和虚部，将实部和虚部分别与星座符号映射的比例系数进行比较，如果均 大于该比例系数，则输出低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块102的 结果，相反则输出对数域最大后验概率处理模块101的处理结果，该比例系数 就是完成星座符号映射的比例系数，也就是通常实现比特位到符号映射的幅值。

本发明中，对数域最大后验概率处理模块101所采用的方法(log-MAP算 法)对星座图坐标轴两侧的符号判决有优势，而低复杂度最大值对数域最大后 验概率处理模块102所采用的方法对星座图外侧符号(除了坐标轴两侧的符号 以外)判决有优势，因此，本发明利用对数域最大后验概率处理模块101处理 星座图坐标轴两侧的符号，而利用低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模 块102处理星座图外侧符号(除了坐标轴两侧的符号以外)。

在此需说明的是，高阶QAM相对低阶QAM外侧星座点占总星座点的比 例高于坐标轴两侧星座点占总星座点的比例，所以，本发明的判决原则适合高 阶QAM，然而，这种判决原则是以牺牲系统吞吐率为代价，实时对输入符号进 行处理是弥补这一损失的可选方案。

图2为本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决方法的步骤流 程图。如图2所示，本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决方法， 包括：

步骤201，利用对数域最大后验概率处理模块和低复杂度最大值对数域最 大后验概率处理模块同时对输入符号进行处理(不是并行处理)，处理结果分别 送到判决模块处理。其中，低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块对输 入的符号利用绝对欧氏距离代替相对欧氏距离，使得待测符号到相邻符号的判 断转换为待测比特以绝对欧氏距离为度量的判断，间接实现最小欧氏距离的放 缩，放大外侧星座图点最小欧氏距离，缩小坐标轴两侧星座点最小欧氏距离； 对数域最大后验概率处理模块则利用log-MAP算法对输入的符号进行处理。

步骤202，判决模块首先将log-MAP算法输出的比特序列通过QAM符号 映射表找到对应的实部和虚部，将实部和虚部分别与星座符号映射的比例系数 进行比对，如果均大于该比例系数，则输出最大值对数域最大后验概率处理模 块的结果，相反则输出对数域最大后验概率处理模块的处理结果。

以下将进一步说明本发明之低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模 块的具体实现。

如果在误比特率一致的情况下，系统所需要的信噪比越低功率效率越高。 在实际应用中，QAM软判决普遍采用log-MAP算法实现，max-log-MAP算法 对log-MAP算法进行了简化处理，输出形式为对数似然比(Log-LikelihoodRatio， LLR)：

$L\left(b_i\right)\approx \frac{{\left(\underset{b_i=1}{\min }\right|y-x_b\left|\right)}^2-{\left(\underset{b_i=0}{\min }\right|y-x_b\left|\right)}^2}{2{\sigma }^2}---\left(1\right)$

其中y是接收到的符号，x是星座图信号，b是组成符号的比特位，σ²是 信道噪声的方差。

本发明之低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块利用Gray码(格 雷码)的特点，使得均衡器输出的待测符号在星座上与其相邻符号之间的判断， 转换成待测比特位的绝对欧式距离度量的判断，以提升系统功率效率。以 16QAM为例子，具体实现原理如下：

步骤1，对星座图外侧符号进行判决。

(一)如图3所示，设待测点到坐标原点的距离为绝对欧氏距离y0，s和 s`是待测点和待测点镜像，s和s`到实轴的距离均为y`。

(二)符号二进制表示方法是将负数符号位表示成“1”，所以，如果y0小 于0，可以判定实部的第一个比特位是“1”。从相对欧式距离大小可以看出，待 测点距离“10”近，可硬判决为“10”，相对欧式距离为C。

(三)对于第一个比特位判决错误的情况下为“01”，此时相对欧式距离为 A。如果LLR小于0判决比特为“1”，那么，

$\begin{array}{cc}L\left(b_3\right)=\frac{C-A}{2{\sigma }^2}& y0<0\end{array}.---\left(2\right)$

对于第二比特位的判决需要重新观察图3的星座图。

(四)Gray码映射符号具有部分对称的特点，使符号或者符号镜像满足坐 标轴正(负)半轴符号比特位的分布按照正半轴是比特“1”负半轴是比特“0”的原 则，图中所示待测点的镜像s`符合此原则。

(五)s`距离原点镜像O`的距离为绝对欧氏距离y1，O`是虚轴镜像和实轴 的交点，如果y1大于0，可以判决实部的第二个比特位是“0”。

(六)第二个比特位判决错误的情况下为“01”，此时相对欧式距离为B， 判决正确的相对欧式距离依然为C。如果LLR大于0判决比特位为“0”。因此

$\begin{array}{cc}L\left(b_4\right)=\frac{B-C}{2{\sigma }^2}& y1\ge 0\end{array}.---\left(3\right)$

(七)待测点落在符号“01”和“00”之间，硬判决为“00”的处理过程和上文 保持一致，这里不再赘述其处理过程。

对星座图坐标轴内侧的符号进行判决以及硬判决为“01”或“11”的情况，可按 照上方法参照图4得到软输出LLR值，这里不再赘述其处理过程。

在此需说明的是，这里仅仅以待测符号在实轴上的处理过程为例子，在虚 轴上的投影处理过程保持一致。另外，本发明以16QAM为例子，更高阶的QAM 实现方法也保持一致。

本发明的低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块的核心思想是利 用绝对欧氏距离代替相对欧氏距离，使得待测符号到相邻符号的判断转换为待 测比特以绝对欧氏距离为度量的判断，间接实现最小欧氏距离的放缩，放大外 侧星座图点最小欧氏距离，缩小坐标轴两侧星座点最小欧氏距离。从上述 16QAM软判决LLR输出过程可以发现。如果待测点落在“10”和“11”之间 或者“01”和“00”之间，最小欧氏距离被放大，性能会超过log-MAP算法。 如果待测点落在“11”和“01”之间，由于待测点距离原点的距离小于1/2最小 欧氏距离，即绝对欧式距离小于1/2最小欧氏距离，最小欧氏距离被缩小，经过 AWGN信道就会影响LLR输出值的判断。

随机信号中包括绝对欧氏距离小于1/2最小欧氏距离的符号，如果对于接 收符号先进行硬判断，然后，对大于1/2最小欧式距离的值进行lc-max-log-MAP 算法实现，剩下的进行log-MAP算法实现，这将导致整体性能的恶化。原因是 在进行符号判断的时候已经采用了硬判决。因此，本发明采用了利用对数域最 大后验概率处理模块与低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块结合的方 式，利用对数域最大后验概率处理模块处理星座图坐标轴两侧的符号，而利用 低复杂度最大值对数域最大后验概率处理模块处理星座图外侧符号(除了坐标 轴两侧的符号以外)。

综上所述，本发明一种实现低复杂度高功率效率的QAM软判决系统及方 法，其利用绝对欧式距离代替相对欧式距离间接实现最小欧式距离的放缩，进 而提高QAM的功率效率，使得log-MAP算法实现的功率效率作为性能下限。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。 任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行 修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。