CN101087180B - 无线信道的译码方法、装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线信道译码方法及其应用，在对无线信号进行编码时，根据低密度奇偶校验码LDPC译码输出特征选取与其级联编码的外码；当发送无线信号时，先通过所述外码对该信号进行编码，再对该信号进行LDPC编码；当接收无线信号时，先进行LDPC译码，再根据所述外码进行译码。本发明还公开了一种无线信道的译码装置及其应用，本发明系统包括：编码装置、译码装置。利用本发明，可以有效地提高无线信道译码的正确率。

Description

无线信道的译码方法、装置及其应用

技术领域

本发明涉及信道编译码技术，具体涉及一种无线信道的译码方法、装置及其应用。

背景技术

信道编码技术可改善数字信息在传输过程中由于噪声和干扰而造成的误差，提高系统可靠性。因而提供高效的信道编译码技术成为移动通信系统中的关键技术之一。移动通信系统所提供的业务种类的多样性、灵活性，对差错控制编译码提出了更高的要求。

传统的信道编译方案主要有BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)码、Turbo码，近来还提出了LDPC(Low Density Parity Check Codes，低密度奇偶校验码)码，用于第四代移动通信系统的信道编码方法。LDPC码性能优于传统Turbo码，具有复杂度较低的解码器，并且允许并行运算，因此适用于要求低误码率和高速数据处理性能的移动通信系统。

LDPC是一类可以用非常稀疏的Parity-check(奇偶校验矩阵)或Bi-Partitegraph(二分图)定义的线性分组纠错码。现有的信道译码方案中LDPC码单独使用，其译码一般采用SPA(Sum Product Algorithm，和积译码算法)译码算法。这使得LDPC码的特点没有被充分发掘利用，还存在一定的译码错误率，从而影响系统的接收性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线信道的译码方法及其应用，以克服现有技术中利用LDPC进行编码的方法译码正确率低、影响系统接收性能的缺点，有效地提高无线信道译码的正确率。

本发明的另一个目的是提供一种无线信道的译码装置及其应用，保证无线信号译码的正确性，提高无线通信系统接收性能。

为此，本发明提供如下的技术方案：

一种无线信道的译码方法，用于对采用外码与低密度奇偶校验码LDPC级联编码的信号进行译码，所述方法包括：

A、对接收的信号用SPA算法进行迭代译码，输出软判决信息序列；

a、根据所述软判决信息序列检查是否所有的校验式都满足，如果所有的校验式都满足，则执行步骤b，如果有校验式不满足，则执行步骤c；

b、对所述软判决信息序列用BCH硬译码算法进行译码，获得所需的无线信号，结束译码过程；

c、对所述软判决信息序列进行Chase软译码，输出软译码信息序列，然后执行步骤d；

d、检查Chase软译码次数是否达到了预定的迭代次数；如果已达到，则执行步骤e；否则，返回步骤A；

e、将输入软信息序列硬判决后输出。

一种无线信道的编译码方法，包括以下步骤：

当发送无线信号时，先根据选定的与低密度奇偶校验码LDPC级联编码的外码对所述无线信号进行编码，再对编码后的无线信号进行LDPC编码；

当接收无线信号时，先进行LDPC译码，再采用联合软输出迭代译码算法对LDPC译码后的信号进行译码，获得所需的无线信号，译码过程具体包括：

A、对接收的信号用SPA算法进行迭代译码，输出软判决信息序列；

a、根据所述软判决信息序列检查是否所有的校验式都满足，如果所有的校验式都满足，则执行步骤b，如果有校验式不满足，则执行步骤c；

b、对所述软判决信息序列用BCH硬译码算法进行译码，获得所需的无线信号，结束译码过程；

c、对所述软判决信息序列进行Chase软译码，输出软译码信息序列，然后执行步骤d；

d、检查Chase软译码次数是否达到了预定的迭代次数；如果已达到，则执行步骤e；否则，返回步骤A；

e、将输入软信息序列硬判决后输出。

由以上提供的本发明技术方案可以看出，本发明根据无线系统的实际信道具有突发性和随机性的特点以及LDPC译码输出的特征，选定一个具有纠随机误能力的编码作为外码，将具有极强突发误码纠错能力的LDPC码作为内码。在编码时，对需要发送的无线信号先按照选定的外码进行编码，再进行LDPC编码；在译码时，先进行LDPC译码，再按照选定的外码方案进行译码。这样，使选定外码方案可以充分利用LDPC译码输出的软译码信息，从而进一步提高译码性能。尤其是可以通过选定的外码和LDPC码两者译码输出的相互迭代，可以获得优异的译码性能，降低无线信道的误块率，更好地满足实际通信需求。

附图说明

图1是本发明无线信道编译码方法的实现流程图；

图2是本发明无线信道编译码方法中LDPC码的译码流程图；

图3是本发明无线信道编译码方法中BCH纠错硬译码的实现流程图；

图4是本发明无线信道编译码方法中BCH纠错纠删译码的实现流程图；

图5是本发明无线信道编译码方法中BCH软译码的实现流程图；

图6是本发明无线信道译码方法的一个实施例的实现流程图；

图7是本发明无线信道译码装置的原理框图；

图8是本发明无线信道编译码系统原理框图；

图9是本发明无线信道编译码系统第一实施例原理框图；

图10是本发明无线信道编译码系统第二实施例原理框图；

图11是本发明无线信道编译码系统第三实施例原理框图；

图12是本发明无线信道编译码系统第四实施例原理框图。

具体实施方式

本发明的核心在于根据无线系统的实际信道具有突发性和随机性的特点以及LDPC译码输出的特征，选定一个具有随机误码纠错能力的编码作为外码，将LDPC码作为内码。在编码时，对需要发送的无线信号先按照选定的外码进行编码，再进行LDPC编码；在译码时，先进行LDPC译码，再按照选定的外码方案进行译码。

本技术领域人员知道，LDPC码译码通常采用SPA(和积译码算法)译码算法，能够方便地输出软译码信息，这些软信息可以在后续的译码环节中被进一步利用。本发明即根据LDPC码译输出特征，选取与其级联编码的外码。由于BCH译码具有纠随机错误的特点，因此，可以将BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenhem)码作为信道编码的外码，将LDPC码作为内码，对无线信号进行级联编码，进一步提高译码的正确性。

由于RS码是BCH码的一种，并且对纠块错误比较有效，因此，也可以将RS码作为信道编码的外码，与LDPC码配合使用。

在对需要发送的无线信号编码时，根据LDPC译码输出特征选取与其级联编码的外码，具体可以是BCH码或者RS码。当发送无线信号时，先通过选取的外码对该信号进行编码，然后再对该信号进行LDPC编码。

相应地，在对接收的这种采用外码与LDPC级联编码的信号进行译码时，首先，对接收到的无线信号进行LDPC译码；然后根据使用的外码，比如BCH码或者RS码，对LDPC译码后的信号进行译码，获得所需的无线信号。对LDPC和使用的外码的译码的实现过程将在后面详细描述。

参照图1，图1示出了本发明无线信道编译码方法的实现流程，包括以下步骤：

步骤101：当发送无线信号时，先通过选定的外码对该信号进行编码，再对该信号进行LDPC编码。

步骤102：当接收无线信号时，先进行LDPC译码，再根据所述外码进行译码。

前面已经提到，LDPC码通常采用SPA译码算法，假设采用BPSK(二相相移键控)调制，LDPC编码得到的码字序列X经BPSK调制后被送入信道，在接收端解调器的输出作为LDPC译码器的输入。其中信道假设为离散无记忆型，叠加的是AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)，则译码器的输入为：

r＝x+n，

定义如下符号：

比特节点x_n＝b的概率，即

参与校验节点z_m的所有比特节点的集合，即

参与比特节点x_n的所有校验节点的集合，

除了比特节点x_n之外参与校验节点z_m的所有比特节点的集合；

除了校验节点z_m之外参与比特节点x_n的所有校验节点的集合；

除了z_m外x_n参与的其它校验节点提供的信息上x_n＝b的概率；

给定x_n＝b和所有

的可分概率分布的条件下，满足校验z_m＝0的概率。

SPA译码的基本思想就是“试验-检验-再试验”，先固定一信息位，计算符合有这一位信息比特参与的校验方程成立的概率，然后假设某一校验方程成立，计算这一校验方程成立的所有信息比特分别为0、1的概率，这样，在校验节点和信息节点之间相互不断地传递校验信息，更新对方的概率，从而达到最终实现最优译码的目的。

SPA译码流程如图2所示：

步骤201：判断是否为第一次迭代，如果是，则进到步骤202；否则，进到步骤203；

步骤202：根据接收信息给各比特节点赋初值，即初始化各比特的初始概率：

$f_n^1=P(x_n=1|y_n)=\frac{1}{1+\exp (-2a{y}_n/s^2)};$

$f_n^0=P(x_n=0|y_n)=1-f_n^1=\frac{1}{1+\exp (2a{y}_n/s^2)};$

$q_{\mathrm{mn}}^0=f_n^0,$ $q_{\mathrm{mn}}^1=f_n^1.$

步骤203：纵向步骤(校检节点传给比特节点的信息)：根据迭代节点信息

计算比特节点信息

其中选择a_mn使

步骤204：横向步骤(比特节点传给校检节点的信息)：根据比特节点信息

计算迭代节点信息

令 $d{q}_{\mathrm{mn}}=q_{\mathrm{mn}}^0-q_{\mathrm{mn}}^1,$ 则

其中，

$r_{\mathrm{mn}}^0=\frac{1}{2}(1+d{r}_{\mathrm{mn}});$ $r_{\mathrm{mn}}^1=\frac{1}{2}(1-d{r}_{\mathrm{mn}})$

步骤205：更新伪后验概率并判断是否译码成功，也就是说，判断是否所有的校验方程都满足：

其中，选择a_n使

当时，x_n＝0；当

时，x_n＝1。

如果满足，即xH^T＝0时，进到步骤208；否则，进到步骤206。

步骤206：判断是否达到了最大迭代次数。如果达到，则进到步骤207；否则，返回步骤203。

步骤207：报告译码失败。

步骤208：报告译码成功。

以BCH码为例，对于外码的译码可以采用以下几种方式：纠错硬译码算法、纠错纠删译码算法、软译码算法等，下面分别进行详细说明。

1.采用纠错硬译码算法对BCH码进行译码

BCH纠错硬译码算法就是根据BCH码的数学定义，在其生成多项式的各个根处，如果没有传输错误，对应的伴随式应该为0。而有错误时，对应的伴随式只和错误序列有关，而和传输哪个码字无关。据此列出伴随式序列和错误模式间的方程。然后借用连接多项式及LFSR(线性反馈移位寄存)方法解该方程从而完成译码。

BCH纠错硬译码的实现流程如图3所示：

步骤301：根据输入序列R_i(i＝0，1...N-2)和该BCH码生成的多项式g(x)的根计算伴随式序列S_i(i＝0，1...D-2)：

$S_i=r\left(D\right){|}_{D=b^{j+i}}=e\left(D\right){|}_{D=b^{j+i}}=E_{j+i}=\underset{p=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{m_p}{\left(b^{j+i}\right)}^{m_p}$ i＝0，1…d-2.

步骤302：根据S_i用Berlekamp-Massey递归法求出连接多项式系数B_i(i＝1，2...t)：

定义连接多项式 $B\left(D\right)=(1-L_{p}D)_{p=1}^t=1+B_{1}D+B_2{D}^2+\·\·\·B_t{D}^t,$ 并利用Berlekamp-Massey递归得到B(D)。

步骤303：用连接多项式系数B_i递归求出频域的错误序列E_i(i＝0，1...N-2)。

步骤304：对E_i进行反变换得到时域错误序列e_i(i＝0，1...N-2)。

步骤305：输入序列和错误序列e_i进行模2加输出，同时判断模2加后的序列是否是一个合法码字；如果是，则输出译码成功标志；否则，输出译码失败标志。

2.采用纠错纠删译码算法对BCH码进行译码

BCH纠错纠删译码算法和纠错硬译码算法相似。只不过在计算出伴随式序列后，需要根据删除位置得到修正后的伴随式多项式。然后用LFSR方法求解方程，再根据求得的修正伴随式序列反求出伴随式序列。伴随式序列进行适当的循环移位并进行反变化就可以得到错误模式，从而完成译码。

BCH纠错纠删译码算法流程如图4所示：

设擦除S个符号，纠正r个符号，2r+s￡d-1

步骤401：根据输入序列R_i和该BCH码的生产多项式g(x)的根计算伴随式序列S_i(i＝0，1...D-2)：

$S_i=r\left(D\right){|}_{D=b^{j+i}}=e\left(D\right){|}_{D=b^{j+i}}=E_{j+i}=\underset{p=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{m_p}{\left(b^{j+i}\right)}^{m_p}$ i＝0，1…d-2

步骤402：根据擦除位置Z_i(i＝1，2...S)和伴随式序列S_i生成修正后的伴随多项式T_i(i＝0，1...D-S-2)：

$T_i=\underset{p=0}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{C}_p{S}_{i+s-p}$ 0￡i￡d-s-2

步骤403：根据T_i用Berlekamp-Massey法(即LFSR算法)求出连接多项式系数B_i(i＝1，2...r)。

步骤404：用连接多项式系数B_i递归求出所有的修正伴随式T_i(i＝0，1...N-2)。

步骤405：用T_i反求出伴随式序列S_i(i＝0，1...N-2)。

步骤406：对伴随式S_i进行循环移位得到频域的错误序列E_i(i＝0，1...N-2)。

步骤407：对E_i进行反变换得到时域错误序列e_i(i＝0，1...N-2)。

步骤408：输入序列和错误序列e_i进行模2加输出，同时判断模2加后的序列是否是一个合法码字。如果是，则输出译码成功标志，否则，输出译码失败标志。

由于LDPC码在进行SPA译码后能输出软信息，从而可以根据软输出信息将s个可靠度比较低的比特进行擦除，然后进行纠错纠删译码，从而可以进一步提高译码性能。

3.采用软译码算法对BCH码进行译码

软译码可以采用Chase软译码方法，其流程图如图5所示：

步骤501：根据输入软信息产生M个最可能的错误模式，并设置变量i＝0，译码成功标志为false。

步骤502：取第i个错误模式和输入序列硬判决后的值进行模2加，并对模2加后的序列进行译码。

步骤503：判断译码是否成功；如果成功，则进到步骤504；否则，进到步骤505。

步骤504：置译码成功标志为true，计算译码输出序列和输入软信息序列的度量值，并保存该度量值和输出译码值。

步骤505：将变量i加1。

步骤506：判断变量i是否小于M；如果是，则返回步骤502；否则，进到步骤507。

步骤507：判断译码成功标志是否为true；如果是，则进到步骤508；否则，进到步骤509。

步骤508：挑出译码输出序列和输入软信息序列的度量值最小的译码输出序列输出，并输出译码成功标志。

步骤509：将原输入软信息序列硬判决后输出，并输出译码失败标志。

这种译码方法由于利用了全部软输出信息，性能较前两种更好些，只是要恰当的选择码字和BCH的软译码算法，以便实现不致于太过复杂。

除了上述方法外，还可以对LDPC码和BCH码都使用软输出迭代译码算法。

参照图6所示本发明无线信道译码方法的一个实施例的实现流程，包括以下步骤：

步骤601：设置变量i＝0，并设置译码成功标志为false。

步骤602：对接收的无线信号用SPA算法进行M次迭代译码，并输出软判决信息序列。

步骤603：根据输出的软判决信息序列检查是否所有的校验式都满足。如果不是，则进到步骤604；否则，进到步骤608。

步骤604：对输出的软判决信息序列用Chase软译码算法进行译码，并输出各个符号对应的译码码字和软判决信息间的度量值。

步骤605：将变量i加1。

步骤606：判断变量i是否小于M，M为预先设定的迭代次数，比如，M＝20，或者M＝50等。如果是，则返回步骤602；否则，进到步骤607。

步骤607：对软判决信息序列硬判决后输出，并输出译码失败标志。

步骤608：对所述软判决信息序列用BCH硬译码算法进行译码，获得所需的无线信号；并输出译码成功标志。

这种译码方法由于通过多次迭代，非常充分地利用了LDPC和BCH码的软输出信息，性能会更好。

总之，用BCH来处理LDPC译码后剩下的少量随机错误，将进一步提高译码性能，降低错误平层。尤其是用LDPC+BCH迭代译码，可以非常充分的利用LDPC输出的软信息，使误块率更低，同时可降低LDPC的迭代次数，更好地满足实际通讯需求。

参照图7，图7示出了本发明无线信道译码装置的原理框图：

该装置包括：外码译码器S21和LDPC译码器S22。其中，LDPC译码器S22用于对接收的无线信号进行LDPC译码；外码译码器S21与LDPC译码器S22相连，用于根据使用的外码对LDPC译码后的无线信号进行译码。

其中，外码译码器可以是BCH译码器或者RS译码器，外码译码器可以有多种不同的实现方式，将在后面详细描述。

参照图8，图8是本发明系统的原理框图：

该系统包括：编码装置S1、译码装置S2。

其中，编码装置S1。包括外码编码器S11和LDPC编码器S12。外码编码器S11用于根据选取的外码对需要发送的无线信号进行编码；LDPC编码器S12与外码编码器S11相连，用于对通过外码编码后的无线信号进行LDPC编码。

译码装置S2与图7所示相同，包括外码译码器S21和LDPC译码器S22，LDPC译码器S22用于对接收的无线信号进行LDPC译码；外码译码器S21与LDPC译码器S22相连，用于根据选取的外码对LDPC译码后的无线信号进行译码。

其中，外码编码器可以是BCH编码器或者RS编码器；同样，外码译码器可以是BCH译码器或者RS译码器。

外码译码器可以有多种不同的实现方式，下面以BCH码为例详细说明。

参照图9所示本发明系统第一实施例原理框图：

在该实施例中，本发明编码装置中的外码编码器使用BCH编码器S41，译码装置中的外码译码器使用BCH纠错硬译码算法，包括硬判决器S42和纠错法BCH译码器S43。其中，硬判决器S42可以是一个简单的门限判决，即如果输入判决器的数据大于0，判决器就输出0，否则判决器输出1。

信号发送端将信源经过BCH编码器S41、LDPC编码器S12进行编码后，调制到相应的信道进行发射；

信号接收端收到该信号后，对该信号进行解调。然后，首先由LDPC译码器S22对解调后的信号采用SPA方式进行译码，由硬判决器S42对LDPC译码器S22输出的符号进行硬判决，再由纠错法BCH译码器S43对硬判决后的符号进行BCH译码，将译码后的信号传送给信宿。

参照图10所示本发明系统第二实施例原理框图：

在该实施例中，本发明编码装置中的外码编码器使用BCH编码器S41，译码装置中的外码译码器使用BCH纠错纠删译码算法，包括删除器S51和纠错纠删BCH译码器S52。其中，删除器S51对LDPC译码输出的预定个数的可靠度最小的软信息进行擦除，即对这预定个数的可靠度最小的软信息，删除器S51总输出为0。

信号发送端将信源经过BCH编码器S41、LDPC编码器S12进行编码后，调制到相应的信道进行发射；

信号接收端收到该信号后，对该信号进行解调。然后，首先由LDPC译码器S22对解调后的信号采用SPA方式进行译码，由删除器S51挑选出可信度最低的预定个数的符号进行删除，并对其他符号进行硬判决；再由纠错纠删BCH译码器S52对硬判决后的符号进行BCH译码，将译码后的信号传送给信宿。

参照图11所示本发明系统第三实施例原理框图：

在该实施例中，本发明编码装置中的外码编码器使用BCH编码器S41，译码装置中的外码译码器使用BCH软译码算法，包括BCH软译码器S61。

信号发送端将信源经过BCH编码器S41、LDPC编码器S12进行编码后，调制到相应的信道进行发射；

信号接收端收到该信号后，对该信号进行解调。然后，首先由LDPC译码器S22对解调后的信号采用SPA方式进行译码，再由BCH软译码器S61对LDPC译码器S22译码后的符号进行BCH译码，将译码后的信号传送给信宿。

参照图12所示本发明系统第四实施例原理框图：

与上述图11所示实施例相同，在该实施例中，本发明译码装置中的外码译码器仍然使用BCH软译码算法，只是需要对BCH软译码器S61的输出信息进行多次迭代，进一步提高译码性能。

信号发送端将信源经过BCH编码器S41、LDPC编码器S12进行编码后，调制到相应的信道进行发射；

信号接收端收到该信号后，对该信号进行解调。然后，首先由LDPC译码器S22对解调后的信号采用SPA方式进行译码，再由BCH软译码器S61对LDPC译码器S22译码后的符号进行BCH译码，将BCH软译码器S61的软输出信号返回LDPC译码器S22，进行迭代，迭代次数可以预先设定。最后，将译码后的信号传送给信宿。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (2)

1.一种无线信道的译码方法，其特征在于，用于对采用外码与低密度奇偶校验码LDPC级联编码的信号进行译码，所述方法包括：

A、对接收的信号用SPA算法进行迭代译码，输出软判决信息序列；

a、根据所述软判决信息序列检查是否所有的校验式都满足，如果所有的校验式都满足，则执行步骤b，如果有校验式不满足，则执行步骤c；

b、对所述软判决信息序列用BCH硬译码算法进行译码，获得所需的无线信号，结束译码过程；

c、对所述软判决信息序列进行Chase软译码，输出软译码信息序列，然后执行步骤d；

d、检查Chase软译码次数是否达到了预定的迭代次数；如果已达到，则执行步骤e；否则，返回步骤A；

e、将输入软信息序列硬判决后输出。

2.一种无线信道的编译码方法，其特征在于，包括以下步骤：

当发送无线信号时，先根据选定的与低密度奇偶校验码LDPC级联编码的外码对所述无线信号进行编码，再对编码后的无线信号进行LDPC编码；

当接收无线信号时，先进行LDPC译码，再采用联合软输出迭代译码算法对LDPC译码后的信号进行译码，获得所需的无线信号，译码过程具体包括：

A、对接收的信号用SPA算法进行迭代译码，输出软判决信息序列；

a、根据所述软判决信息序列检查是否所有的校验式都满足，如果所有的校验式都满足，则执行步骤b，如果有校验式不满足，则执行步骤c；

b、对所述软判决信息序列用BCH硬译码算法进行译码，获得所需的无线信号，结束译码过程；

c、对所述软判决信息序列进行Chase软译码，输出软译码信息序列，然后执行步骤d；

d、检查Chase软译码次数是否达到了预定的迭代次数；如果已达到，则执行步骤e；否则，返回步骤A；

e、将输入软信息序列硬判决后输出。

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