（通信与信息系统专业论文）比特交织编码调制系统的理论和软解调技术.pdf

南京航空航天大学博士学位论文 摘要 1 9 7 4 年m a s s e y 根据s h 砌1 0 n 信息论最早证明了若将编码与调制作为一个整体进行最佳 设计可以大大地改善系统性能。1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出了著名的网格编码调制( t c m ) 技术。 t c m 技术的提出被公认为是自s h a r u l o n 提出信息论以来通信领域的一个里程碑。但t c m 在 衰落信道中的性能并不理想。比特交织编码调制( b i c m ) 技术通过在编码器和调制器之间插入 比特交织器提高了系统在衰落信道下的分集度并增强了系统设计的灵活性。近年来，b i c m 由于频谱利用率高、在衰落信道中性能优异等优点逐渐作为当今通信系统中的主流技术，如 e t s i 制定的d t 、d a b 和d i t m ；3 g p p 制定w c d m a 的增强版本h s p a 及其演进版本 l t e ；i e e e 制定的8 0 2 1 l 和8 0 2 1 6 等系列标准。 为了减小由于编码器和调制器级联后的性能损失，b i c m 的解调器通过软解调为译码器 提供每个比特的度量值。虽然根据最大似然( m l ) 准则得出的比特度量值具有最优的系统性 能，但在高阶调制中，m l 比特度量值的计算非常复杂。因此m a x l o g 是最常用的比特度量 值计算方法。为了适应自适应调制的需求并简化高阶调制时的计算复杂度，本论文的主要工 作为对各种调制方式下的比特度量值的近似计算进行研究。 在无限长交织器假设下，本文首先给出了b i c m 系统传统的独立并行子信道模型，并分 析了信道容量、截止速率和误码率性能限。针对实际应用中有限长交织器的情况，引入了非 匹配译码模型及其广义互信息( g m i ) 分析方法。在此基础上，本文证明了g m i 的凸函数性质， 系统地给出了b i c m 系统的g m i 计算方法，得到了在非匹配译码模型中性能的上限，为比较 现有的各种b i c m 系统性能提供了依据。 本文针对格雷标号方式下的p s k 调制，提出一种低复杂度的比特度量计算方法。本文首 先用三角函数给出格雷码各个比特的取值表达式，在此基础上推导出各个比特度量值之间的 递推关系，利用递推可将所有比特统一转换为最高比特的度量值来计算，然后本文再给出最 高比特度量值的计算方法。由于相邻比特间的递推关系与调制阶数无关，因此该方法不受调 制阶数的影响，可用于自适应调制系统，且在高阶调制下具有很小的计算复杂度。本文以广 义互信息和系统误码率为衡量指标，表明该简化方法在a w g n 信道和衰落信道中的性能损 失很小。 本文给出a s k 和q a m 调制方式的低复杂度比特度量值计算方法。该方法仍然利用递推 将所有比特的度量值转换为最高比特的度量值来计算。由于最高比特的度量值函数是该方法 的关键，因此本文给出了三种近似函数，其中分段线性函数的性能和m a x l o g 完全相同，非 线性函数的和m a x - l o g 各有优劣，然后根据前两个近似函数的优缺点，给出了性能更优的混 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 合近似函数。通过分析和仿真表明，本文所提的方法不仅计算复杂度低，且其性能和m a x - l o g 非常接近。若采用混合近似函数，该方法的性能将超过m a ) 【l o g 。 本文对阶数为2 2 七州的调制方式的比特度量值计算进行了研究。由于在b i c m 系统中，采 用c r o s s - q a m 星座的3 2 q a m 和1 2 8 一q a m 是两种最常用的方式。本文针对这两种调制方式， 提出来一种使用区域划分的线性比特度量值函数，即比特度量值函数近似为分区域线性函数。 该方法先根据m a x - l o g 度量值的取值将复平面划分为多个区域，再根据区域边界判决简单和 近似误差小的原则进行两次区域合并，其中第2 次区域合并会引入部分一定计算误差，在实 际应用中，可根据系统的实际需要进行取舍。该方法也可以进一步应用到阶数更高的调制方 式。通过分析仿真表明，该方法可大大降低计算负担且性能优异。 关键词：比特交织编码调制，比特度量值，广义互信息，高阶调制 i l 南京航空航天大学博士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d m g t os h a n n o ni n f b m a t i o nt h e o 吼m 笛s e yp r 0 v e dm a tt l l es y s t e mp e 巾咖a j l c ec a l lb e i m p r 0 v e dg r e a t l yb yo p t i m i z i n gc h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nt o g a m e ri nl9 7 4 t h e nu n g e r b o e c k p r o p o s e dt h ef l m o u s i r e n i sc o d e dm o d u l a t i o n ( t c m ) t e c h n i q u ei n19 8 2 t c mi sc o n s i d e r i n ga s a m i l e s t o n ei nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n sa n e rs h a n n o ni n f o m a t i o nm e o r y h o w e v e r m e p e r f o 册锄c eo ft c mi sn o tr o b u s ti nf 碉i n gc h 锄e 1 b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l 撕o n ( b i c m ) t e c l l l l i q u ei n s e n s 也eb i ti n t e r l e a v e r b e 铆e e nc o d e ra 1 1 dm o d u l a t o r t oi m p r o v et 1 1 ed e g r e eo fd i v e r s 时 i nf a d i n gc h 锄e lu ，h i c hc 锄i m p r o v em ep e r f b m a l l c eo fb i c ms y s t e mi n l d i n gc h a l l n e l 锄d e n h 锄c et l l ef l e ) 【i b i l i t ) ，o fs y s t e m i nt h er e c e n ty e a r s ，b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( b i c m ) h a s b e c o m e 吐l ed ef - a c t os c h e m eo fm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t sf l e x i b i l i 劬h i g l ls p e c 仇j l e 伍c i e n c ya 1 1 dr o b u s tp e r f o m a n c eo v e rf a d i n gc h 猢e l s ，s u c h 嬲d v b - ld a b ，d r m ，h s d p a ， 8 0 2 11 8 0 2 1 6 觚dl t ee t c 1 1 1o r d e r t or e d u c et h ep e b m a l l c el o s sf o rc 弱c a d i n ge n c o d e ra j l dm o d u l a t o r ，t h es o rb i t m e t r i c sa r ec o m p u t e db ym ed e m o d u l a t o ra n dp r o v i d e dt om et i l es o r d e c i s i o nd e c o d e r t h e o p t i m a lb i t m e t r i c sf o rb i c ms y s t e m sa r em a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) b i tm e t r i c s ，b u t 廿l e c a l c u l a t i o nf o rm eb i tm e t r i c sa r et o oc o m p l i c a t e dt o 妇p l i c a t i o ni nh i g h - o r d e rm o d u l a t i o n s o m a x - l o gi s 廿l em o s tc o m m o nb i tm e t r i cg e n e r a t i o nm e t l l o di np r a c t i c e t bm e e tm en e e d0 f a d a p t i v em o d u l a t i o ni nm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，也ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h sm em e t l l o d so f b i tm e t r i cc a l c u l a t i o nf o rs o m em o d u l a t i o nt y p e sa 1 1 dp r o p o s e ds o m eg e n e r a lb i tm e 仃i cg e n e r a t i o n 印p r o a c h e sw i 也l o wc o m p l e x i t ya n ds i m i l a re v e nb e n e rp e r | 0 玎i l a i l c et 1 1 a nm a ) 【- l o g f i r s t l y ，t 1 1 ec o n v e n t i o n a lp a r a l e ns u b - c h 锄e lm o d e la n dt 1 1 en e wd i s m a t c h e dd e c o d i n gm o d e l a ed e s c r i b e df o rb i c ms y s t e m s t h e nt h eg e n e r a l i z e dm u t u a l i n f o m a t i o n ( g m i ) i si n 仃0 d u c e d t b m a k et 1 1 eg m i 觞ap e 雨皿a n c em e 弱u r e m e mf o rd i 艉r e n tb i tm e t r i c s ，t 1 1 i sd i s s e r t a t i o nd e r i v e d s o m ep r o p e n i e so fg n t h ec o n v e xp r o p e r 哆s i m p l i f i e st l l ec o m p l e x i 妙t oc o m p u t e rg m i t h e r e l a t i o n s h i po ft 1 1 eb i tm e t r i ca 1 1 dg m i i sf u r t h e re l a b o r a t e d t h i sd i s s e n a t i o np r o p o s e sal o wc o m p l e x i t ) rb i tm e t i r cc a l c u l a t i o nm e t h o df o rp s ks i g n a l i n g w 胁g r a yl a b e l i n g t h i sa p p r o a c hc o n v e i t sa l lb i tm e t r i c st ot 1 1 eb i tm e 仃i co fm o s ts i g l l i f i c 枷b i t ( m s b ) b yr e c u r s i o n t h ec o m p l e x i t yo ft h em e t h o di sv e d ，l o wc o m p a r e dt om a x l o gb i tm e 仃i c b e c a u s eo ft 1 1 er e c u r s i v ef o 珊u l ai su n r e l a t e dt om o d u l a t i o no r d e r ，t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nb e u s e df o ra n ym o d u l a t e ds i g n a l so fp s ka n di sv e d rs u i t a b l ef o ra d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e m s t h e i i l 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 g m ia n db i te r r o rr a t e ( b e 】酌a r eu s e dt om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo ft 1 1 i ss i m p l i f e db i tm e 订i c s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et 1 1 i sm e t l l o dh a ss i m i l a rp e o m a n c ec o m p a r e dt om lb i tm e t i r c o v e ra w g nc h a l l r i e la n 5 if a d i n gc h a n n e l s t h i sd i s s e n 砒i o ne ) ( t e n d st 1 1 ea b o v em e t h o dt oa s k 孤dq a ms i 印a l sw h i c hi sm o r ec o m m o n i np r a c t i c ef o rh i g h - o r d e rm o d u l a t i o n t h i sm e m o di sb a s e d0 nt l l eb i tm 硎cc a j c u l a t i o nf u n c t i o no f m s bb yr e c u r s i o n f o rt l l ei m p o r t a n c eo f 廿1 em e t r i c 如n c t i o no f 廿l em s b ，廿1 i sd i s s e 咖i o nd e r i v e d n o n - l i n e a ra n dp e i c e 谢s el m e a ra p p r o x i m a c em n c t i o n s 锄d 狮a l y s e 廿1 e i rp e 0 n n 柚c e si nb i c m s y s t e m s t h e 也em i x e da p p r x i m a t e 凡n c t i o ni sd e r i v e dw h i c hh a sb e t t 甜p e 怕m a n c e 吐l em a x l o 吕 m e n 也en l l i i l b e ro fb i t sp e rs y m b o l i so d d ，m ec r o s s - q a ma n dp s e u d o - g r a yi st i l eb e s tc o n s t e l l a t i o n a n dl a b e l 证gt l ，p e i nb i c ms y s t e m s ，3 2 - q a m 锄d1 2 8 一q a ma r et l l em o s tc o m m o nm o d u l a t i o nt ) ，p e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as i m p l i f i e db i tg e n e r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e db a s eo nr e g i o nd i v i d i n g t h e c o m p l e xp l a n ei sd i v i d e dt 0s o m er e g i o n sb ym a x - l o gb i tm e t r i c sf i r s t l y t h e nw em e 唱e dt 1 1 e s e r e g i o l l sb yi t sb i tm e 仃i cg e n c 斌i o n 缸q c t i o nw h i c h c a l lm a l ( er e g u l a rr e g i o nb 9 u i l d a 阱 k e y w o r d s ： b i t - i n t e r l e a v e dc 0 d e dm o d u l a t i o n ，b i tm e t r i c ，g e n e r a lm u t u a lh f o m a t i o n ， h i 曲- 0 r d e rm o d u l 撕o n i v 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 图表清单 图2 1 编码调制系统框图8 图2 2 比特交织编码调制系统框图8 图2 3b i c i l 并行子信道模型l o 图2 4c m 系统和b i 叫系统在a w g n 信道条件下的性能比较1 3 图2 5c m 系统和b i c m 系统在r a y l e i 曲衰落信道条件下的性能比较1 3 图2 6 ，删f s ) 的函数曲线1 9 图2 75 。，的取值2 0 图2 8 格雷码的重要特性2 2 图2 9 格雷码与自然二进制码的互换规则2 2 图2 1 0 格雷码的公式化取值示意图2 5 图3 11 6 一p s k 格雷映射星座图3 1 图3 21 6 - p s k 格雷星座的对称性3 2 图3 3 函数石( ，) 的功能示意图3 3 图3 41 6 一p s k 调制下哥( ，) 的取值范围3 4 图3 5 比特度量值的简化计算原理3 4 图3 6 比特度量值的简化计算递推流程3 5 图3 7 人。( ，- ) 的简化计算示意图3 6 图3 81 6 一p s k 信号的比特度量值计算结果比较3 9 图3 9p s k 信号在a w g n 信道中的广义互信息4 0 图3 1 0 ( 2 ，1 ，8 ) 卷积码在a w g n 信道中的p s k 误码率性能4 1 图3 1 l ( 2 ，1 ，8 ) 卷积码在r a y l e i g h 衰落信道中的p s k 误码率性能4 l 图3 1 2l d p c 码在a w g n 信道中的p s k 误码率性能4 2 图3 1 3l d p c 码在r a y l e i g h 衰落信道中的p s k 误码率性能4 2 图4 1m 删星座分布4 3 图4 28 一a s k 映射星座图4 4 图4 3 卅星座点分布( 8 一a s k ) 4 4 图4 4 吕( ，) 的取值范围4 6 图4 5 最高位比特的星座图4 7 图4 6 非线性函数e ( r ) 和分段线性函数e ( r ) 的性能4 9 v i 南京航空航天大学博士学位论文 图4 7 近似函数的性能对比5 0 图4 88 一a s k 的比特度量值5 1 图4 9 方形q a m 的信号分解5 2 图4 1 02 5 6 一q a m 计算量对比图5 3 图4 1 1a w g n 信道中m - a s k 信号的g m i 值5 4 图4 1 2a w g n 信道中m q a m 的g m i 值5 4 图4 1 3r a y l e i g h 衰落信道中m - a s k 信号的g m i 值5 5 图4 1 4a w g n 信道中( 2 ，1 ，8 ) 卷积码的俨q a m 误码率性能5 6 图4 1 5r a y l e i g h 衰落信道中( 2 ，l ，8 ) 卷积码的俨q a m 误码率性能5 6 图4 1 6a w g n 信道中l d p c 码的肛q a m 误码率性能5 7 图4 1 7r a y l e i g h 衰落信道中l d p c 码的俨q a m 误码率性能5 7 图5 1r e c t a n g u l a r q a m 到c r o s s q a m 的转化过程6 0 图5 2 相邻星座点标号的汉明距离6 1 图5 33 2 - q a m 星座图及其星座点标号6 l 图5 4 集合z 中的星座点6 2 图5 53 2 _ q a m 复平面第一象限区域划分6 2 图5 6 度量值简化计算图6 3 图5 7 第1 次合并后的复平面区域划分6 4 图5 8 第2 次合并后的复平面区域划分6 5 图5 91 2 8 一q a m 的星座子集图6 7 图5 1 06 0 对应的复平面分块及2 次合并过程6 7 图5 1 1 反对应的复平面分块及2 次合并过程6 8 图5 1 26 对应的复平面分块及2 次合并过程6 8 图5 1 3 挽对应的复平面分块及2 次合并过程6 8 图5 1 4 包对应的复平面分块及2 次合并过程6 9 图5 1 56 对应的复平面分块及2 次合并过程6 9 图5 1 6 良对应的复平面分块及2 次合并过程一7 0 图5 1 7 计算量对比图7 1 图5 1 8 广义互信息对比图7 1 图5 1 93 2 一q a m ( 2 ，l ，6 ) 卷积码的b 职性能对比7 2 图5 2 03 2 一q a ml d p c ( 8 0 2 1 6 ) 码下的b e r 性能对比7 3 图5 2 11 2 8 一q a m ( 2 ，l ，6 ) 卷积码下b e r 性能对比7 3 i ) ( 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 图5 2 21 2 8 一q a ml d p c ( 8 0 2 1 6 ) 码下的b e r 性能对比7 4 图6 1 随机交织和无交织的系统性能对比( 卷积码，6 4 一q a m ，a w g n 信道) 7 7 图6 2 随机交织和无交织的性能对比( l d p c 码，6 4 一q a m ，a w g n 和r a y l e i g h 衰落信道) 7 7 图6 3a w g n 信道中发送信号为1 + 时的接收信号分布图( 磊“= 7 d b ) 7 8 表2 14 位格雷码和自然二进制码对照表2 3 表2 2 i l 度量值和m a x - l o g 计算量2 6 表3 1p s k 比特度量值简化计算方法的递推过程3 8 表3 2 计算量对比3 9 表4 1 俨a s k 比特度量值递推计算过程5 1 表4 2 肛q a m 比特度量值递推计算过程5 2 表4 3 计算量对比5 3 表5 1 第1 次合并后的每块区域的线性度量值函数6 5 表5 2 合并后的每块区域的线性度量值函数6 5 表5 3 计算量对比7 0 x 南京航空航天大学博士学位论文 ) c r ( ) r 0 注释表 虚数单位 复数域 实数域 矩阵转置 异或操作 集合m 的大小，即元素个数 统计平均 已知z 的条件下，x 和y 的条件互信息 信道容量 截止码率 码字6 到占成对错误概率 非匹配译码模型中第刀个符号的度量函数 取最大值 向下取整 格雷码各个比特取值的三角函数式 对数似然比 与实轴夹角为9 的过原点直线 发送符号集合 发送符号子集 翻转函数 旋转函数 最高比特度量值的分段线性函数 最高比特度量值的非线性函数 最高比特度量值的混合函数 平均错误 广义互信息函数 取正负号 x i z ，西 ， ) ) ) ； ) m刚c r删川磁圳川删删掣只州刚 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 缩略词 m 眦o l r e d v b d a b t c m s p b c m m 吐c b i c m b i c m i d m s p g m i c s i u b e 熵 p e p m s e w m e b r g c l d p c a s k q a m p s k 缩略词 英文全称 m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t l o n gt e 珊e v o l u t i o n d i g i t a l d e ob r o a d c a s t i n g d i g i t a l la u d i 0b r o a d c a l s 缸g 7 r r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n s e tp a n i t i o n b l o c kc o d e dm o d u l a t i o n m u l t i - l e v e lc o d i n g b i t _ i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n b i t 1 1 1 t e r l e a 、，e dc o d e dm o d u l a t i o nw i t hn e r a t i v e m o d i f i e ds e tp a n i t i o n i l l g g e n e r a l 溉dm u t u a li i l f b 皿a t i o n c h a i l n e ls t a t ei i 面m a t i o n u i l i o nb 0 u n d e x p u 玛a ：c i o nb o u l l d p a i n ，i s ee n - 0 rp r o b a b i l i t ) ， m a ) 【i i i l u ms q u a r e de u c l i d e a l lw e i g h t m a ) 【i m u ml 汰e l i h o o d b i n a d r - r e n e c t e dg r a yc o d e l o wd e n s 时p a r i 够c h e c kc o d e a m p l i t i l d es h i f tk e y i n g q u a d r a ：t u r ea m p l i t l j d em o d u l a t i o n p h a s es h i f ik e y i i l g 中文全称 多输入多输出 长期演进 数字视频广播 数字音频广播 格码调制 集合分割 分组编码调制 多级调制 比特交织编码调制 迭代译码的比特交织编码调制 修正的集合分割 广义互信息 信道状态信息 联合界 删余界 成对错误概率 最大均方欧式权重 最大似然 二进制反射格雷码 低密度校验码 幅移键控 正交幅度调制 相移键控 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 无线通信的发展 随着科学技术的迅猛发展，社会生产力水平得到快速提高。以信息技术为主导的新技术 革命和产业革命浪潮正推动着人类社会由工业社会向信息社会转变，人类社会的生产方式正 在发生重大而深刻的变化。通信技术作为人们传播信息和获取信息的重要手段，已在当今的 信息化进程中扮演越来越重要的角色，其中代表通信发展趋势的移动通信以其便捷性和时效 性等优势，已成为当前人们最主要的通信手段之一。信息社会的发展使宽带信息服务逐步延 伸到了移动终端，以提供语音业务为主的传统蜂窝移动通信正演变为提供互联网接入、各种 视频和多媒体业务的宽带移动通信系统。这意味着新一代移动通信系统必须能支持每秒百兆 以上的传输速率。近年来，第三代移动通信系统不断向宽带化演进，以支持宽带数据业务。 这包括3 g p p 主导的3 g 增强型h s d p a 、h s l 刀) a 、l 1 限等演进技术标准，3 g p p 2 主导的 c d m a 2 0 0 01 x e v - d or o 、e v - d or a 等演进技术标准。与此同时，由正e e 主导的宽带无线 接入晰m a ) 【技术以向移动通信方向演进，并于2 0 0 7 年被国际电信联盟( i t u ) 正式接纳为3 g 标准技术之一。在3 g 移动通信宽带化和宽带无线接入技术移动化的演进基础上，世界各国 及标准化组织对第四代移动通信技术的研究也日渐升温。2 0 0 6 年i t u 正式命名第四代移动通 信为i m t - a d v a j l c e d ，近期启动的3 g p p l t e a d v a n c e d 和i e e e8 0 2 1 6 m 则以满足i t u 定义的 i m t - a d v a i l c e d 技术标准要求为其工作目标。 多径衰落是无线通信特有的现象，也是制约进一步提高传输速率的重要瓶颈。多径指无 线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的现象，衰落是指由于多径及信道的变化导 致接收信号的幅度发生随机变化的现象。导致信号衰落的信道被称作衰落信道。根据信号带 宽和相干带宽的关系，可以分为频率选择性衰落和频率非选择性衰落即平坦衰落。根据符号 的持续时间和相干时间的关系，可以分为快衰落和慢衰落。对抗衰落最有效的方法就是采用 分集技术，发送端将同一信息分散于多个衰落特性统计独立的信号分别传送，接收端收集这 些信号并进行特定的处理，从而减小衰落对信号影响，即“分散传输，集中处理”。常用的分 集方案时间分集、频率分集、空间分集等。 另外随着无线通信系统的进一步发展，频谱资源也越来越紧张。为了在有限的频带资源 内提高传输速率并对抗多径衰落。现代无线通信系统一般采用如下几类方法： 在传统的点对点通信的基础上，进一步联合优化信道编译码、调制解调、同步和均衡等模 块的性能。 多天线技术( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) ：在不增加频谱资源和发送功率的情况 1 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 下，m i m o 技术可以成倍地提高信道容量。 网络化技术：分布式天线、协作通信和网络编码等技术的出现，利用无线电波的广播传输 特点，进一步提高通信系统的空间分集度及信道容量。 本论文的研究主要集中于传统点对点通信的编码和调制领域。在点对点通信系统中，可 靠性和有效性是系统设计的两个永恒主题。信道编码是提高系统可靠性的主要手段，而高阶 调制则是提高频带利用率的常见方式。因此为了在有限的频带资源内达到可靠的高速传输速 率，信道编码和高阶调制必须同时使用。传统的联合编码调制方案将信道编码和高阶调制视 为整体而进行联合优化以达到最优性能。但随后的研究表明，联合优化后由于信道编码和高 阶调制相互牵制，系统设计和现实非常不灵活，难以实现自适应传输，且系统性能的鲁棒性 不高，在a w g n 信道中最优的联合设计在衰落信道中未必最优。比特交织编码调制放弃了对 最优性能的追求，以微小的性能损失为代价，通过在编码器和调制器之间插入比特交织器而 将信道编码和高阶调制相分离，使其两者可以独立设计，且在衰落信道中具有很好的性能鲁 棒性。因此b i c m 系统广泛应用于现代无线通信系统，如i e e e8 0 2 1 1 a 僮( m f i ) 、h i p e r i ，a n 2 、 i e e e8 0 2 16 ( w m ax ) 、d i g i t a l d e ob r o a d c a s t i n 曲、d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、 d i 己m ( d 酶t a l 咖i om o n d i a l e ) 和l t e ( l o n gt e 舳e v o l u t i o n ) 等多种通信标准均采用b i c m 作为 其物理层的系统结构。 1 2 比特交织编码调制技术的发展 信道编码的本质上是在发送信息中增加一些可控的冗余，接收机利用冗余来纠正信道中 传输错误。增加的冗余会降低有效的传输速率，通常有两种方法来补偿速率损失：通过提高 调制速率来提高传输速率，但会因此增加信号带宽。如果信道的带宽受限，则只能通过扩大 调制符号集来提高传输速率，即高阶调制。但在平均功率不变的约束下，高阶调制的星座点 间距变小，若采用硬判决则导致译码前的错误比特增多，会抵消甚至超过编码增益。例如为 了使8 p s k 在相同条件下达到无编码q p s k 的误码率性能( 1 0 5 ) ，至少需采用6 4 状态、约束 长度为7 的2 3 码率的卷积编码器，否则使用信道编码级联高阶调制的方案只会使性能下降 并且复杂度增加。 在通信发展的早期阶段，由于大多采用硬判决译码，因此信道编码和高阶调制并不同时 使用。信道编码一般用于功率受限的通信系统，而高阶调制则一般用于带宽受限的通信系统。 出现此问题的最主要的原因是接收端在对接收信号进行硬判决的过程中使产生了不可恢复的 信息损失，星座阶数越高，则损失越大。如果在接收端采用基于最大似然准则的软判决译码， 解调器将所有信息都送给译码器，则系统性能将得到很大改善。 2 南京航空航天大学博士学位论文 由于软判决译码的错误概率取决于码字之间的欧式距离，则最佳的编码调制系统应该把 编码序列的欧氏距离而不是汉明距离作为设计度量。因此m a s s e y 【1 1 在1 9 7 4 年提出联合编码 调制的思想，将编码器和调制器作为一个整体进行优化设计，使编码和调制级联后产生的编 码信号序列之间具有最大的自由欧氏距离。在上述思想指导下，联合编码调制技术在二十世 纪8 0 年代有了突破性的进展。 1 9 8 2 年，u n g e r b o c e k 【2 】首次提出采用格码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ，t c m ) 的方法， 这是联合编码调制发展的一个重要里程碑。t c m 将码率为，2 ”+ 1 卷积码和高阶调制相联合。 通过集合分割( s e tp a n i t i o n ，s p ) 的方法来对星座点进行标号以获得最大自由欧氏距离。在 a w g n 信道下，结合四状态、2 3 码率的卷积码级联8 p s k 调制的t c m 方案比未编码q p s k 优3 d b 。为了解决相位模糊问题，w e i l 3 卅设计了旋转不变t c m ，并被应用于9 6 k b s 和1 4 k b s 的电话m o d e m 中。由于在高维信号空间中设计自由度更高，w e i 【5 】和f o m e y 【6 8 1 等人将二维 t c m 推广为多维t c m 。随后，j p l 实验室d d i v s a i 盯和m k s i m o n o 】为了优化t c m 在衰 落信道中的性能，提出了衰落信道下设计t c m 非欧空间度量判据，并给出一种新的集分割 方法。另外，日本学者i m a i 【l l 】曾于1 9 7 7 年提出将分组码和调制相结合的分组调制( b l o c k c o d e dm o d u l a t i o n ，b c m ) 方案，又称为多级编码( m u l t i l e v e lc o d i n g ，m l c ) 。m l c 在9 0 年 代后开始得到重视【1 2 1 4 1 。1 9 9 9 年，w a c h s m a n n i l 5 】对m l c 的理论进行了分析和总结，给出完 整的理论分析和设计准则。 联合编码调制由于需要对信道编码和高阶调制进行联合优化设计，因此其系统设计复杂 且不灵活，与现代通信系统要求的多速率、自适应等要求相违背。1 9 9 2 年，z e h a v i 【1 6 】在m l c 方案的基础上提出了比特交织编码调制( b i t - 1 1 1 t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n 。b i c m ) 的思想，逐 渐引起普遍关注。b i c m 通过引入比特交织器而在一定程度上将编码器和调制器分离，在理 想交织条件下，编码器和调制器可以独立设计，从而极大地简化了b i c m 系统的设计复杂度。 因此相比于t c m ，b i c m 系统具有高度的设计灵活性，可根据实际应用需求实现不同的编码 调制组合方案。虽然独立设计编码器的b i c m 系统由于追求最大化的汉明距离，牺牲了部分 欧氏距离，但码的分集数最大化使其在衰落信道下具有高度的鲁棒性。1 9 9 8 年，gc a i r e l l 7 】 等人给出了b i c m 系统的理论框架，并对b i c m 系统的性能进行了详细的理论分析和并给出 了系统设计准则，是b i c m 系统理论发展的一个重要里程碑。c a i r e 等人在论文中表明虽然 b i c m 系统的信道容量小于联合编码调制的信道容量，但两者差别不大可以忽略，并证明了 b i c m 系统的误码率主要取决于信道编码的汉明距离和高阶调制星座的最小欧氏空间调和均 值和最小近邻数，因此b l c m 系统可以独立设计信道编码和调制星座。 与此同时，随着t u r b o 码【l8 】的出现，人们意识到在通信系统的各个模块之间通过软信息 进行迭代可以提高性能。b r i n k 和“2 0 2 1 1 等人受此启发提出了迭代比特交织编码调制 比特交织编码调制系统中的通用比特度量值研究 ( b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o nw i t hi t e r a t i v ed e c o d i n g ，b i c m i d ) ，在解调器和译码器之间 进行外信息迭代。随后，c h i n d a p o l 【2 2 】等人发现，c a i r e 提出的最优星座设计准则已不再适用 于b i c m i d 系统，并给出了一种优于g r a y 映射的星座集分割方法( m o d i f i e ds e tp a n i t j o n i n g ， m s p ) 。由于迭代结构会增加系统的延时和复杂度，因此本文并未考虑b i c m i d 结构。 在b i c m 系统中，编码器和调制器级联后能够独立工作且性能损失很小的原因在于接收 机并不通过硬判决的方式对接收符号直接进行检测，而是从中提取出若干个比特度量值提供 给译码器进行译码，此过程一般称为软信息提取或软解调，比特度量值在有些文献中被称为 三值1 2 3 。2 4 1 。因此比特度量值的计算是b i c m 系统中的关键步骤。在随后的研究中可以发现， 接收机并不能通过