一種基于8×8非均勻星座的不等差錯保護方案研究

摘 要:針對傳統(tǒng)等差錯保護(EEP)系統(tǒng)不能很好保護傳輸數(shù)據(jù)中重要數(shù)據(jù)的缺點，提出一種基于格狀編碼調(diào)制(TCM)的8×8非均勻星座不等差錯保護(UEP)方案，接收端采用一個軟輸出Viterbi譯碼器進行重要和不重要碼流的聯(lián)合譯碼，使接收端系統(tǒng)得到簡化，同時還可獲得一定的編碼增益。仿真結(jié)果表明，該UEP方案能使重要碼流相對于不重要碼流有很大的編碼增益，且此編碼增益可通過調(diào)節(jié)非均勻星座相關參數(shù)來改變。

關鍵詞:不等差錯保護; 格狀編碼調(diào)制; 非均勻星座; 軟輸出Viterbi譯碼

中圖分類號:TN911.31 文獻標識碼:A

文章編號: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

不等差錯保護(Unequal Error Proteetion，UEP)是相對于同等差錯保護而言的，在網(wǎng)絡資源有限或者傳輸信道環(huán)境惡劣的情況下，平等差錯保護使得重要碼流得不到足夠的保護，而使接收端性能嚴重下降。不等差錯保護則根據(jù)信源輸出碼流的重要性不同，對重要碼流進行重點保護，雖然降低了不重要碼流的一些抗噪聲性能，但對接收端的總體性能卻有很大的提高。在如今的多媒體通信中，由于信源輸出的表示低頻和邊緣信息的數(shù)據(jù)，其重要性明顯高于表示高頻信息數(shù)據(jù)的重要性，所以非常適合利用UEP機制進行傳輸，已經(jīng)有很多文獻對此進行了研究[1-7]，并且這種機制在歐洲的高清數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)中已得到了廣泛的應用[1]。

文獻[5]中提出利用信號星座的疊加來產(chǎn)生一種全新的非均勻星座以及利用不同編碼星座的時分多路復用兩種UEP方案，在接收端譯碼需要使用兩個獨立的譯碼器分別對重要和不重要碼流進行譯碼，由于使用了兩個譯碼器，勢必會增加接收端系統(tǒng)的復雜度，同時沒有對重要和不重要碼流進行聯(lián)合譯碼，從而會損失一些編碼增益。

另外，不同編碼星座的時分多路復用方案還需使用兩個不同的信號星座。文獻[8]提出了利用格狀編碼調(diào)制(Frellis Code Modulation，TCM)及(多進制正交幅度調(diào)制(Hultiple quadrature Amplitude Modulation，MQAM)均勻星座來提供UEP的方案，雖然這種方案的收端只需一個譯碼器，但其對重要碼流能提供的保護能力有限，且沒有對不重要碼流進行編碼調(diào)制，從而損失了一些編碼增益。

本文提出了接收端只需要一個譯碼器，即基于TCM的8×8非均勻星座UEP方案，接收端采用重要和不重要碼流聯(lián)合譯碼，最后得到了更好的譯碼性能。

1 基于8×8非均勻星座的UEP系統(tǒng)方案設計

本文提出的收端只需一個譯碼器，即基于TCM的8×8非均勻星座UEP方案系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其基本想法如下:首先根據(jù)信源編碼器輸出的碼流信息的重要性將其分為重要碼流和不重要碼流，然后重要碼流和非重要碼流都經(jīng)過碼率為2/3的(3，2，3)TCM編碼器，編碼后共同決定映射到8×8非均勻星座圖中哪一個星座點。此處采用的(3，2，3)TCM編碼為最佳Ungerboeck碼[9]，其編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 (3，2，3) TCM編碼器

8×8非均勻星座圖如圖3所示，此星座圖由64個星座點組成，每8個靠的比較近的星座點組成一個星座點群，稱為大星座點，大星座點對應的8個星座點稱為小星座點。2個大星座點之間的歐氏距離定義為2個大星座點對應的8個小星座點之間的最小歐氏距離。

圖3 8×8非均勻星座

在圖3中，設大星座點之間的最小歐氏距離為d1，小星座點之間的最小歐氏距離為d2，當d1>d2時，大星座點所能獲得的抗噪聲性能就要好于小星座點，因此當把信源輸出的重要碼流映射到大星座點上，而不重要碼流映射到小星座點上進行傳輸?shù)脑挘敲粗匾a流所能獲得的抗噪聲性能就要好于不重要碼流，而且可以根據(jù)實際情況，通過改變d1/d2的值來調(diào)節(jié)重要碼流的抗噪聲性能，從而滿足不同的需求。

在本UEP系統(tǒng)中，為了突出基于非均勻星座所產(chǎn)生的UEP性能，重要碼流和不重要碼流都采用了相同的(3，2，3)TCM編碼，一次都可進行2 b信息的編碼。對于重要碼流，編碼器輸出的3 b信息根據(jù)文獻[9]中的映射規(guī)則(UP映射規(guī)則)映射到其中一個大星座點上，然后根據(jù)不重要碼流編碼輸出的3 b信息，同樣采用UP映射規(guī)則，決定映射到前面選定的那個大星座點下的具體哪一個小星座點上。因此，本方案的頻譜利用率為4 b/s/Hz，其中重要碼流和不重要碼流各占50%。當然，可以通過改變重要碼流或者不重要碼流的編碼方案來改變系統(tǒng)的頻譜利用率和重要碼流所占的比例等參數(shù)。

在接收端，本文采用了一種基于軟判決Viterbi譯碼[10]的重要和不重碼流聯(lián)合譯碼方法。

設信道軟輸出抽樣為:

rn=an+wn

(1)

式中:an是輸入調(diào)制器的離散信號;wn是雙邊功率譜密度為N0/2時加性高斯白噪聲的抽樣。此時，最佳譯碼器的判決規(guī)則是從所有編碼信號序列中選出一個序列{n}，使得序列{n}與接收序列{rn}之間具有最小平方歐氏距離，也即找到滿足下式的{n}:

∑|rn-n|=min|rn-an|2

(2)

對最佳軟判決譯碼，最可能的錯誤發(fā)生在具有最小平方歐氏距離的兩個序列{an}和{bn}之間，這一最小平方歐氏距離又稱為最小平方自由距離，記作d2free，即有:

d2free=min∑|an-bn|2，

{an}，{bn}∈C，{an}≠{bn}

(3)

文獻[5]所提到的譯碼方法是先進行重要碼流譯碼，然后根據(jù)重要碼流的譯碼結(jié)果再進行不重要碼流譯碼，由于這種譯碼方法將重要碼流和不重要碼流的譯碼分開來進行，會損失一定的編碼增益，而且重要碼流的譯碼錯誤會傳播，并影響到不重要碼流的譯碼。由于可以把發(fā)端的兩個編碼器聯(lián)合起來當成一個總的編碼器，所以本文采用了基于這個總編碼器的重要和不重要碼流聯(lián)合譯碼方法，這樣重要和不重要碼流就可同時進行譯碼，互相作用。

從微觀上來講，由于重要碼流和不重要碼流同時發(fā)生前面提到的最小平方歐氏距離錯誤的概率低于單個碼流發(fā)生這種錯誤的概率，因此，理論上可以改善重要和不重要碼流的譯碼性能。

2 本方案的UEP性能

為了便于分析本方案的UEP性能，設有一個基于64QAM均勻星座的等差錯保護(EEP)系統(tǒng)，信源輸出的碼流直接通過圖2所示的(3，2，3)卷積碼編碼器進行編碼，然后再按通常映射規(guī)則映射到64QAM星座點上。設64QAM星座點的最小歐氏距離為d0，并假設前面的UEP系統(tǒng)與這里的EEP系統(tǒng)等概率地取星座點集中的信號且系統(tǒng)發(fā)射功率相等，則UEP系統(tǒng)中的重要碼流相對于EEP系統(tǒng)中碼流的編碼增益為:

GM=10logd2free1d20

(4)

式中:d2free1為重要碼流的最小平方自由距離，由于它是通過重要碼流的TCM產(chǎn)生的，所以其大小與重要碼流TCM中的編碼器及調(diào)制的大星座點之間的最小歐氏距離d1有關。

同理可得，UEP系統(tǒng)中不重要碼流相對于EEP系統(tǒng)中碼流的編碼增益GL及UEP系統(tǒng)中重要碼流相對于不重要碼流的編碼增益GML分別為:

GM=10logd2free2d20

(5)

GML=10logd2free1d2free2

(6)

式中:d2free2為不重要碼流的最小平方自由距離，其大小與非重要碼流TCM中的編碼器及調(diào)制的小星座點之間的最小歐氏距離d2有關。因此，可以通過改變d1/d2的比值或調(diào)整重要和非重要碼流的TCM編碼結(jié)構(gòu)來改變UEP系統(tǒng)的性能。

3 仿真結(jié)果及其分析

圖4給出了本UEP系統(tǒng)及一個基于64QAM均勻星座的EEP系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖。兩個系統(tǒng)信號發(fā)射的功率一樣，且均為加性高斯白噪聲信道。

圖4 本UEP方案和64QAM方案仿真結(jié)果

從圖4可以看出，當d1/d2=2時，本UEP系統(tǒng)中的重要碼流相對于EEP系統(tǒng)碼流的編碼增益最高可為6.5 dB，相對于不重要碼流的編碼增益可達10 dB左右;當d1/d2=3時，本UEP系統(tǒng)中的重要碼流相對于EEP系統(tǒng)碼流的編碼增益最高可為8 dB，相對于不重要碼流的編碼增益可達14 dB左右。因此，可以通過改變d1/d2的值來改變系統(tǒng)的UEP性能。

在SNR<15 dB時，UEP系統(tǒng)的重要碼流誤碼性能要比EEP系統(tǒng)碼流的誤碼性能好很多，這在中低信噪比下可以很好地改善接收端的性能。不過隨著信噪比的提高，UEP中的重要碼流相對于非重要碼流及EEP系統(tǒng)碼流的編碼增益逐漸降低，這主要是因為在高信噪比下，影響上述誤碼性能的主要因素，即噪聲功率已經(jīng)變得很低了。

圖5給出了本UEP方案和文獻[5]及文獻[8]中的UEP方案在相同發(fā)射功率及信道條件下的仿真結(jié)果對比。

圖5 三種UEP方案的對比

從圖5中可以看出，本文和文獻[5]的UEP方案提供的對重要碼流的保護能力明顯好于文獻[8]，這主要是因為前兩種UEP方案是基于非均勻星座的，是以不重要碼流歐氏距離的減少來換取重要碼流歐氏的增大，從而增大重要碼流的抗噪聲性能，而文獻[8]是基于均勻星座的，它是用TCM技術(shù)增大重要碼流的抗噪聲性，但由于TCM所能提供的編碼增益有限，所以它對重要碼流提供的保護能力也很有限，均低于前兩種UEP方案。不過由于它沒有降低不重要碼流的最小歐氏距離，因而對不重要碼流提供的抗噪聲性能要好于前兩種方案。

從圖5中還可看出，本方案提供的重要和不重要碼流抗噪聲性能都要好于文獻[5]的，這主要是因為本方案采用的是重要和不重要碼流聯(lián)合譯碼方法，相對于對兩種碼流進行獨立的譯碼會有一定的編碼增益，從而改善了譯碼性能。

4 結(jié) 語

提出的基于格狀編碼調(diào)制(TCM)的8×8非均勻星座不等差錯保護方案，在d1/d2=2時，重要碼流相對不重要碼流有10 dB左右的增益，很好地保護了重要碼流信息，而且可以通過改變d1/d2的值來改變系統(tǒng)的UEP性能，以滿足實際應用。

另外，由于接收端采用了重要和不重要碼流聯(lián)合譯碼的方法，使得接收端只需要一個譯碼器就能進行重要和不重要碼流的譯碼，從而降低了接收端的系統(tǒng)復雜度，同時還能獲得一定的編碼增益，改善接收端的誤碼性能。因而，本系統(tǒng)方案在實際多媒體通信中很有應用價值。

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