第7章 TCM编码调制 for student.ppt

天津大学电子信息工程学院通信系 第7章 网格编码调制（ Trellis Coded Modulation TCM ) 实时系统采用的节省带宽的方法； 加入纠错编码带来的新问题（见MPSK差错概率曲线）； 调制与纠错编码本质上是一致的； 调制编码的发展。 对于多相信号MpSK 7.1 TCM概述 1、网格编码的优点 调制和编码统一考虑； 可以在不降低信息速率、不增加带宽或功率的情况下获得编码增益； TCM将多电平/多相位调制信号与网格编码方法（trellis-coding scheme）相结合。 Ungerboeck证明： 相对于无编码系统，在AWGN信道中采用TCM方式可以产生大约3dB的编码增益。 若编码的复杂性增大，还可以获得约6dB的增益。 2、TCM的做法 TCM做法：在每个码元持续时间内，TCM有限状态编码器从波形集中选择一个波形，作为传输的编码波形； TCM目的：既要提高系统性能，又不能增加系统的传输带宽； 为了降低误码率，加纠错编码，把信源符号集扩展一倍，为纠错编码提供所需的冗余度（如采用1/2卷积编码）； 为了不增加信道带宽，将用于调制信号码元的波形也扩展一倍（如4PSK ? 8PSK）。 3、4状态8PSK-TCM编码举例 4状态8PSK-TCM编码器的结构如图所示： 无编码：一个码元传输2个比特，用4PSK调制； 有编码：带宽不变，采用2/3卷积编码，一个码元需要传输3个比特，必须采用8PSK调制。 传统的调制、纠错编码 一般信道编码的考虑 TCM把信道编码与调制星座图看成一个总体来设计。 从编码框图上看：映射方法不同。 TCM的主要目标 TCM编码：使信道码元序列映射到信号空间（波形空间）所形成的路径之间的最小欧式距离（自由距离）为最大。 TCM译码：根据接收到的信号，从接收码序列可能的路径中选择出最似然的路径进行译码。比起逐个信号解调译码，性能要好很多。 4、卷积编码器 2 个存储单元组成4个状态M2M1(00,01,10,11) 用点（a,b,c,d）表示状态； 从a点开始，经过m=3段之后，后面各段网格结构都是重复的。 卷积编码的网格图 卷积编码的思想 在网格图上，有些路径是绝对不会发生，如a?c, a?d； b?a, b?b； c?c, c?d等的转移； 在接收端，就只考虑网格图上的路径，以便从中寻找一条与接收到的码序列相同或者差异最小的序列； 在接收时，只有一条正确路径，其余都是错误路径。因此，网格图上路径之间的距离越大，抗信道干扰的能力就越强，这时只要噪声干扰引起误判在一定的范围内，就不会误判。 5、4状态8PSK-TCM波形映射 4状态8PSK-TCM编码器的结构如图所示： 问题： 能否像卷积码那样，波形的映射满足一定的关系？映射成网格图上的一条路径？ 映射的本质： 8PSK信号星座图各点之间的欧式距离不同。有些点之间的距离大，有些点之间的距离小。 问题：能否将重要的比特映射成之间距离远的点，将不重要的比特映射成距离近的点。 引出两个问题 哪点之间的距离近，哪些点之间的距离远？（分割问题） 采用什么样的映射方法？（映射问题） 8PSK分割 7.2 网格编码思想 基本想法：星座图中，不是所有的信号子集都具有相等的距离属性。 如 MPSK，两极的信号具有最好的距离属性，易于彼此区分，而相邻的信号之间则具有相对较弱的距离属性，不易区分。 TCM编码器：假设发射机带有一个检测单元，当信道比特进入系统时， 可以识别出来其中某些信道比特最易受到信道的损害，于是就将这些比特映射成为具有最好距离属性的调制波形； 而对于那些相对强壮的比特，则被映射成具有较弱距离属性的波形。 在TCM中，调制和编码同时进行，检测单元根据属性的好坏，为信道码元分配波形。 1、增加信号冗余度 用卷积编码器增加信号的冗余度 （n,k,K）卷积码，有p个比特的冗余度。纠错编码的结果：信号集从2k增加到了2k+p TCM纠错编码：如果原来信号集为2k,扩展后的信号集为2*2k = 2k+1,相当于增加了一位冗余度,p=1。 Ungerboeck得出的结论是：用如下方法进行编码和调制，可以获得编码增益： 对绝大多数常规的无编码多电平调制，首先将无编码的信号波形增加1倍。 再以效率k/(k+1)对信息比特进行纠错编码； 然后将(k+1)个信道比特映射成为2k+1个波形之一。 2、调制波形的增加 每个例子都假定： 编码前、后采用的平均功率相等 为提供所需的冗余度，信号集从M=2k变为M’=2k+1。从而有M ’ =2M。 关键问题是： 符号集的增加，并没有导致所用带宽的增大。 因为非正交信号的传输带宽与星座图上信号点的密度无关。 非正交信号的传输带宽不依赖于星座图上信号点的密度，而只