不等概率可变长符号联合信源信道编码的调制

doi:10.12263/DZXB.20200169

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (12): 2372-2380.DOI: 10.12263/DZXB.20200169

不等概率可变长符号联合信源信道编码的调制

谢雨, 凃国防, 张灿, 高绍帅

中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100048

收稿日期:2020-02-14 修回日期:2020-04-03 出版日期:2021-12-25
- 作者简介:
- 谢雨女，1989年生于安徽芜湖.中国科学院大学电子电气与通信工程学院博士生.研究方向为联合信源信道编译码.E-mail：xydrizzle@hotmail.com
  凃国防男，1954年生于湖南，中国科学院大学电子电气与通信工程学院博士生导师，教授，主要研究方向为数字通信、图像编码、信号处理、空间数据链与安全
  张灿女，1954年生于湖南，中国科学院大学电子电气与通信工程学院博士生导师，教授，主要研究方向为移动无线通信，无线网络安全和信息处理.
  高绍帅男，1976年生于山东德州，中国科学院大学电子电气与通信工程学院博士生导师，教授，主要研究方向为无线通信，视频处理与通信，联合信源信道编码.
- 基金资助:
- 国家自然科学基金 (61571416); 中国科学院奖励基金 (2017-06-17)

Joint Source-Channel Coding Modulation for Non-Equiprobable Variable-Length Symbols

XIE Yu, TU Guo-fang, ZHANG Can, GAO Shao-shuai

School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China

Received:2020-02-14 Revised:2020-04-03 Online:2021-12-25 Published:2021-12-25
- Supported by:
- National Natural Science Foundation of China (61571416); Award Fund of Chinese Academy of Sciences (2017-06-17)

摘要/Abstract

摘要：

传统的信源信道编码调制，都是基于四十年代香农分离理论的比特级和定长符号级解调译码，采用均匀分布和等概率的星座映射，在资源受限的无线通信系统中，难以与动态变化的多径信道相匹配，不可逾越通信技术发展所面对的可靠性墙和功耗墙等障碍.本文针对比特级和定长符号级调制/解调译码框架的局限，将变长信源信道编码与非等概率、优化的非均匀APSK(Amplitude Phase Shift Keying)调制星座映射相结合，提出了不等概率可变长符号联合信源信道编码的调制方法.仿真实验结果表明：该方法在10的-5次方量级的符号差错率下，同现存的符号级2D-8PSK方法比较，至少可获得约2.5dB的功率信噪比增益，同现存的比特级16APSK方法比较，至少可获得约1.1dB的功率信噪比增益.

关键词: 联合信源信道编译码, 不等概率符号调制, 非均匀星座图映射

Abstract:

Conventional joint source-channel coded modulation is based on bit-level or fix-length symbol-level demodulation and decoding, derived from Shannon’s separation theory in 1940s. Uniform distribution and equiprobable constellation mapping are used, but they are not suitable for dynamic multipath channels. Meanwhile, the assumption of separation theory cannot be satisfied in source limited communication networks, and obstacles such as reliability and power consumption cannot be surmounted faced by the development of communication technology. The limitation of bit-level and fix-length symbol-level modulation/demodulation and decoding is paid attention. By combining variable-length joint source-channel coding with non-equiprobable and optimized unequal APSK(Amplitude Phase Shift Keying) modulation constellation mapping, a method of joint source-channel coding modulation for non-equiprobable variable-length symbols is proposed. The simulation experiments show that the proposed method obtains an SNR(Signal Noise Ratio) gain over 2.5dB compared to the existing symbol-level 2D-8PSK method, and an SNR（Signal Noise Ratio） gain over 1.1dB compared to existed bit-level 16APSK method, under the SER(Symbol Error Rate) of the order of -5 of 10.

Key words: joint source-channel encoding/decoding, modulation for non-equiprobable symbols, unequal constellation mapping

中图分类号:

TN911.3

谢雨, 凃国防, 张灿, 等. 不等概率可变长符号联合信源信道编码的调制[J]. 电子学报, 2021, 49(12): 2372-2380.

Yu XIE, Guo-fang TU, Can ZHANG, et al. Joint Source-Channel Coding Modulation for Non-Equiprobable Variable-Length Symbols[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(12): 2372-2380.

图/表 13

图1 系统结构框图

表1 12个不等概率可变长符号编码及参数

可变长符号序号	概率分布 $p I$	可变长编码码字n	可变长编码码长 $l n$
1	0.4926	0	1
2	0.2428	10	2
3	0.1122	110	3
4	0.0572	11111	5
5	0.0305	11100	5
6	0.0163	111100	6
7	0.0155	111011	6
8	0.0153	111010	6
9	0.0082	1111010	7
10	0.0050	11110111	8
11	0.0028	111101101	9
12	0.0016	111101100	9

表1 12个不等概率可变长符号编码及参数

可变长符号序号	概率分布 $p I$	可变长编码码字n	可变长编码码长 $l n$
1	0.4926	0	1
2	0.2428	10	2
3	0.1122	110	3
4	0.0572	11111	5
5	0.0305	11100	5
6	0.0163	111100	6
7	0.0155	111011	6
8	0.0153	111010	6
9	0.0082	1111010	7
10	0.0050	11110111	8
11	0.0028	111101101	9
12	0.0016	111101100	9

图2 一种典型的4+12-APSK星座点排布

图3 12APSK非均匀星座图

表2 相邻星座点距离表达式

相邻星座点距离	距离表达式
$d 1$	$2 r 1$
$d 2$	$2 s i n (π / 8) r 2$
$d 3$	$r 2 - r 1$
$d 4$	$(12 r 2 - r 1) 2 + (12 r 2) 2$

表2 相邻星座点距离表达式

相邻星座点距离	距离表达式
$d 1$	$2 r 1$
$d 2$	$2 s i n (π / 8) r 2$
$d 3$	$r 2 - r 1$
$d 4$	$(12 r 2 - r 1) 2 + (12 r 2) 2$

表3 12个不等概率变长符号和非均匀星座映射及参数

变长符号n	概率分布 $p I$	非均匀星座映射角度
1	0.4926	0（QPSK）
2	0.2428	$π$ （QPSK）
3	0.1122	$π / 2$ （8PSK）
4	0.0572	$3 π / 2$ （8PSK）
5	0.0305	$5 π / 4$ （8PSK）
6	0.0163	$π / 4$ （8PSK）
7	0.0155	$7 π / 4$ （8PSK）
8	0.0153	$3 π / 4$ （8PSK）
9	0.0082	$π$ （8PSK）
10	0.0050	0（8PSK）
11	0.0028	$3 π / 2$ （QPSK）
12	0.0016	$π / 2$ （QPSK）

表3 12个不等概率变长符号和非均匀星座映射及参数

变长符号n	概率分布 $p I$	非均匀星座映射角度
1	0.4926	0（QPSK）
2	0.2428	$π$ （QPSK）
3	0.1122	$π / 2$ （8PSK）
4	0.0572	$3 π / 2$ （8PSK）
5	0.0305	$5 π / 4$ （8PSK）
6	0.0163	$π / 4$ （8PSK）
7	0.0155	$7 π / 4$ （8PSK）
8	0.0153	$3 π / 4$ （8PSK）
9	0.0082	$π$ （8PSK）
10	0.0050	0（8PSK）
11	0.0028	$3 π / 2$ （QPSK）
12	0.0016	$π / 2$ （QPSK）

图4 符号集分组

图5 组内符号对BPSK映射示意图

图6 一种次优化的不等概率符号不规则星座图映射方案

图7 符号级调制解调系统误符号率曲线

图8 12APSK非均匀星座图及参数

图9 16QAM、16APSK星座图及参数

图10 定长比特符号调制系统误符号率曲线

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