CN101272224B - 全球数字广播系统中的ldpc分层信道编解码实现方法 - Google Patents

Abstract

全球数字广播系统中的LDPC分层信道编解码实现方法属于DRM系统LDPC编解码技术领域。其特征在于，编码时用比特分割电路把需要编码的数据分成多个层次，对各层数据用一个生成矩阵编码，再经过星座图影射电路形成星座图数据；在解码时则相反。本发明具有编解码增益高，运算简单，易于实现的优点。

Description

全球数字广播系统中的LDPC分层信道编解码实现方法

技术领域

本发明涉及一种全球数字广播(DRM)系统中信道编解码LDPC的具体实现方案，采用本方法替代原方案中的卷积编码，具有编解码运算简单，实现复杂度小等优点，同时比卷积编码方案具有更高的编码增益，属于无线通信的接收技术领域。

背景技术

DRM(Digital Radio Mondiale)是全球数字广播标准，它适用于频率在30Mhz以下包括短波、中波和长波在内的数字调幅广播。2001年4月，DRM联盟提出的系统建议在国际电信联盟(ITU)作为正式建议书而获得通过；在2001年10月被欧洲电信标准化组织(ETSI)标准化；并在2002年3月经国际电工协会(IEC)通过，DRM系统规范正式生效，为调幅广播的数字化铺平了道路。国际上不少广播机构的部分发射台已经从2003年6月开始以DRM方式正式投入商业广播运行中了。

DRM系统采用正交频分复用(OFDM)调制方式，将待传输的数据经过正交幅度调制(QAM)调制后，和导频信息一起映射到不同子载波上，然后利用反离散傅立叶变换(IDFT)完成OFDM调制，将频域信号转化到时域。由于调制采用64QAM或者16QAM，因此可将信道分成2～3个速率和保护程度不等的层，各层可以采用独立的信道编码方式。DRM标准建议采用卷积编码和viterbi译码方式，各层选择相同的生成多项式，通过采用不同的尾部删除模式实现不同的编码速率。近年来人们对LDPC编码方式有了比较多地关注，发现LDPC具有更好的编码增益。因此利用LDPC编码方式替代卷积编码能够使DRM系统获得更高的信道增益。

DRM标准中规定了A、B、C、D四种鲁棒性模式和4.5Khz、5Khz、9Khz、10Khz、18Khz、20Khz 6种频带占用模式。信道划分为FAC、SDC、MSC三个信道，其中FAC信道采用4QAM调制，SDC信道采用4QAM或者16QAM调制，MSC信道采用16QAM或者64QAM。各个鲁棒性模式和频带占用模式下，每个信道的不同层都有不同的信道容量。根据对每个信道的保护程度要求，各信道的各层具有不同的编码速率。如表1所示。

鲁棒模式	频带模式	信道	层	编码前	编码后	码率
							A/B/C/D	9/10K	FAC	1	72	130	0.55385
A	10K	SDC	1	266	810	0.3284
							A	10K	SDC	2	532	810	0.65679
A	10K	MSC	1	1968	5918	0.33254
							A	10K	MSC	2	3936	5918	0.66509
A	10K	MSC	3	4724	5918	0.79824
							B	10K	SDC	1	210	644	0.32609
B	10K	SDC	2	420	644	0.65217
							B	10K	MSC	1	1554	4674	0.33248
B	10K	MSC	2	3108	4674	0.66496
							B	10K	MSC	3	3728	4674	0.7976
C	10K	SDC	1	188	576	0.32639
							C	10K	SDC	2	376	576	0.65278
C	10K	MSC	1	1225	3688	0.33216
							C	10K	MSC	2	2450	3688	0.66432
C	10K	MSC	3	2940	3688	0.79718
							D	10K	SDC	1	97	304	0.31908
D	10K	SDC	2	194	304	0.63816
							D	10K	MSC	1	813	2453	0.33143
D	10K	MSC	2	1626	2453	0.66286
							D	10K	MSC	3	1952	2453	0.79576
A	9K	SDC	1	235	718	0.3273
							A	9K	SDC	2	470	718	0.6546
A	9K	MSC	1	1750	5264	0.33245
							A	9K	MSC	2	3500	5264	0.66489
A	9K	MSC	3	4200	5264	0.79787
							B	9K	SDC	1	184	564	0.32624
B	9K	SDC	2	368	564	0.65248
							B	9K	MSC	1	1363	4102	0.33228
B	9K	MSC	2	2726	4102	0.66455
							B	9K	MSC	3	3272	4102	0.79766

表1DRM信道码率

表1中列出了频谱占用模式9K和10K时不同鲁棒性模式下各信道各层的码率。

LDPC码是一种线性分组码，它于1962年由Gallager提出，之后很长一段时间没有受到人们的重视。直到1993年Berrou等提出了turbo码，人们发现turbo码从某种角度上说也是一种LDPC码，近几年人们重新认识到LDPC码所具有的优越性能和巨大的实用价值。1996年MacKay和Neal的研究表明.采用LDPC长码可以达到turbo码的性能，而最近的研究表明，被优化了的非规则LDPC码采用可信传播(Belief Propagation)译码算法时，能得到比turbo码更好的性能。目前，LDPC码被认为是迄今为止性能最好的码。LDPC码是当今信道编码领域的最令人瞩目的研究热点，近几年国际上对LDPC码的理论研究以及工程应用和VLSI(超大规模集成电路)实现方面的研究都已取得重要进展。基于LDPC码的上述优异性能可广泛应用于光通信、卫星通信、深空通信、第四代移动通信系统、高速与甚高速率数字用户线、光和磁记录系统等。

发明内容

为了将LDPC编码方式应用于DRM系统，需要解决分层编码和译码的问题，这里提出了一种针对DRM系统的LDPC编码方案和分层迭代译码方案。

对于各种鲁棒性模式、频谱占用模式以及不同信道，采用的编解码流程相同。这里以鲁棒性B模式，频谱占用模式10K，MSC信道的编解码流程为例展开说明。

没有特殊说明的情况下，文中符号按照以下约定：

L_i：第i层信息比特数量，

M_i：第i层校验比特数量，

N_i：第i层信道比特数量，

L_i，N_i，M_i三者之间总是满足L_i＝N_i-M_i，

x_i：向量

代表原始信息序列，

y_i：向量

代表编码后序列，

I_i：向量

代表原始信息序列在编码后序列的位置索引，

I_i，x_i，y_i之间满足

G_i：第i层生成矩阵，大小为L_i×N_i，

H_i：第i层校验矩阵，大小为N_i×L_i，

G_i，H_i之间满足

本发明的特征在于，所述方法依次含有以下步骤。

编码过程参考图2，其中中包含：

步骤(1)获取需要进行编码的MSC数据，将数据按照每幀长度8390bit划分成MSC幀，每幀按照第0层1554bit，第1层3108bit，第2层3728bit划分成3层；

步骤(2)对各层数据分别编码，编码过程按照(1)式进行；

y_i＝G_i×x_i    (1)

步骤(3)星座图影射，比特顺序按照{i₀，i₁，i₂，q₀，q₁，q₂}＝{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}。各层数据的影射顺序按照{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}＝{y_0，2k，y_1，2k，y_2，2k，y_0，2k+1，y_1，2k+1，y_2，2k+1}。如图(1)所示。得到星座图数据；

解码过程参考图3，其中包含：

步骤(1)对接收到的星座图数据s_i解影射，解影射采用最小欧氏距离原则度量方法，将该星座点映射为理想星座点中距离最近的一个。每个标准星座点的坐标为(i₀i₁i₂，q₀q₁q₂)；

步骤(2)记{i₀，i₁，i₂，q₀，q₁，q₂}＝{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}＝{y_0，2k，y_1，2k，y_2，2k，y_0，2k+1，y_1，2k+1，y_2，2k+1}，按照

将数据分成y₀，y₁，y₂三层，C_i＝10000；

步骤(3)第n次第i层迭代开始，第一次执行此步骤时n＝0，i＝0，

对该层数据进行解码，解码按照式(2)进行；

$x_i=\{y_{{i,I}_{i,1}},y_{{i,I}_{i,2}},......y_{{i,I}_{i,,L_i}}\}---\left(2\right)$

步骤(4)对接收数据进行校验，效验按照(3)进行；

C_i＝sum(H_i×y_i)    (3)

步骤(5)如果C_i＝0则该层解码结束；

步骤(6)按照式(1)编码得到y_i′；

步骤(7)利用y_i′以及y_i-1′...y₀′低层解码结果以及s_i重新度量第i+1层。度量准则为在第i层为y_i′，.....第0层为y₀′的情况下，离s_i最近的标准星座点；

步骤(8)如果i+1＜＝最大层数，i更新为i+1跳转到3进入下一层的解码循环；

如果i+1＞最大层数，各层在步骤5中结束，则整个解码结束；

否则，进入下一次迭代。i＝0，n更新为n+1；

当n＞10时强行结束迭代过程。

本发明提出的DRM系统中信道编解码方案，其优点主要包括LDPC码具有较好的随机码特性，在与信源或者信道级联时不需要额外加交织器，系统的复杂度和延时都比Turbo码低，LDPC码具有接近Shannon限的优异性能。同时本发明中将LDPC编码、分层迭代译码方式巧妙结合，充分利用LDPC编码本身较好的随即特性，在编码之前省去比特交织过程，从一定程度上也简化了编码和解码过程。

附图说明

图1是DRM系统中星座图影射方式

图2是LDPC+分层编码结构图

图3是LDPC+分层迭代译码结构图

具体实施方式

编码过程：获取需要进行编码的MSC数据，将数据按照每幀长度8390bit划分成MSC幀，将每镇数据分成3层，每层比特数按照表1中所述，这里以鲁棒性模式B频谱占用模式10K为例，第0层1554bit，第1层3108bit，第2层3728bit。3层编码后的长度均为4674bit。

对各层数据分别编码，编码过程按照(4)式进行。

y_i＝G_i×x_i    (4)

编码完成后对编码后的数据进行星座图影射，由于各层编码后的长度均相等，所以编码后的数据可以按照{i₀，i₁，i₂，q₀，q₁，q₂}＝{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}影射到星座图。各层数据的影射顺序按照{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}＝{y_0，2k，y_1，2k，y_2，2k，y_0，2k+1，y_1，2k+1，y_2，2k+1}。如图(1)所示。得到星座图数据。

解码过程参考图3：对接收到的星座图数据s_i解影射。解影射采用最小欧氏距离原则度量方法。将该星座点映射为理想星座点中距离最近的一个。每个标准星座点的坐标为(i₀i₁i₂，q₀q₁q₂)。记{i₀，i₁，i₂，q₀，q₁，q₂}＝{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}＝{y_0，2k，y_1，2k，y_2，2k，y_0，2k+1，y_1，2k+1，y_2，2k+1}，按照

将对应标准星座点数据分成y₀，y₁，y₂三层。将这些数据作为下面迭代过程的初始状态。C_i＝10000，C_I为0是i层解码停止条件，因此需要在起始状态设置为一个任意大数。

第n次第i层迭代开始，第一次执行此步骤时n＝0，i＝0：

如果C_i≠0则对该层数据进行解码，否则跳过本层解码和编码过程，直接进行下一层度量，解码按照式(5)进行。

$x_i=\{y_{{i,I}_{i,1}},y_{{i,I}_{i,2}},......y_{{i,I}_{i,,L_i}}\}---\left(5\right)$

完成解码后对接收数据进行校验，效验按照(6)进行。

C_i＝sum(H_i×y_i)    (6)

如果接收数据度量后无误的情况下C＝0则该层解码结束，否则该层存在误码，按照式(7)编码得到y_i′。

y_i′＝G_i×x_i    (7)

下一层度量：

利用y_i′以及y_i-1′等低层解码结果以及s_i重新度量第i+1层。度量准则为在第i层为y_i′，.....第1层为y₁′的情况下，离s_i最近的标准星座点。

如果i+1＜＝最大层数，i更新为i+1进入下一层的解码循环。

如果i+1＞最大层数，且C₀＝0，C₁＝0，C₂＝0，则整个解码结束。

否则，i＝1，n更新为n+1，进入下一次迭代。

当n＞10时强行结束迭代过程。

Claims (1)

1.全球数字广播系统中的LDPC分层信道编码实现方法，其特征在于，所述方法是一种鲁棒性B模式，频谱占用模式10K，MSC信道的编解码方法，分别用数字集成电路芯片构成的编码器以及解码器依次按以下步骤实现：在编码器中，依次按照以下步骤编码：

步骤(1)：获取需要进行编码的MSC数据，并送往一个比特分割电路，把数据按照每帧长度划分成MSC帧，每帧按照设定的比特数分成三层；

步骤(2)：对步骤(1)所述各层数据按下式分别编码：

y_i＝G_i×x_i，其中：

x_i是向量，代表原始信息序列，

y_i是向量，代表编码后的信息序列，

L_i：第i层信息比特数量，

N_i：第i层信道比特数量，

G_i：第i层生成矩阵，大小为L_i×N_i；

步骤(3)：把所述编码后的信息序列y_i送往64QAM星座图影射电路，比特顺序按照{i₀，i₁，i₂，q₀，q₁，q₂}＝{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}，分层数据的影射顺序按照{y′₀，y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，y′₅}＝{y_0，2k，y_1，2k，y_2，2k，y_0，2k+1，y_1，2k+1，y_2，2k+1}，得到星座图数据，其中i₀，i₁，i₂代表星座图影射的实部数据，q₀，q₁，q₂代表星座图影射的虚部数据；

在解码器中，依次按照以下步骤解码：

步骤(1’)：采用最小欧氏距离原则度量星座图，将数据星座点影射到理想星座图中距离所述星座点最近的一个星座点，每个星座点的坐标为：{i₀，i₁，i₂，q₀，q₁，q₂}；

步骤(2’)：记 $\begin{array}{c}\{i_0,i_1,i_2,q_0,q_1,q_2\}=\{y_0^{\′},y_1^{\′},y_2^{\′},y_3^{\′},y_4^{\′},y_5^{\′},\}\\ =\{y_{\mathrm{0,2}k},y_{\mathrm{1,2}k},y_{\mathrm{2,2}k},y_{\mathrm{0,2}k+1},y_{\mathrm{1,2}k+1},y_{\mathrm{2,2}k+1}\}\end{array},$

按照

将数据分成三层y₀，y₁，y₂，作为第i层迭代过程的初始状态，第i层校验结果C_i＝10000；

步骤(3’)：第一次执行此步骤时设置n＝0，i＝0，由此进行第n次第i层的迭代：

如果C_i＝0，跳过该层，如果各层均结束，则迭代停止；

$x_i=\{y_{{i,I}_{i,1}},y_{{i,I}_{i,2}},......y_{{i,I}_{i,,L_i}}\},$ 其中：

I_i是向量，代表原始信息序列在编码后序列的位置索引，

满足下列关系： $x_i=\{y_{{i,I}_{i,1}},y_{{i,I}_{i,2}},......y_{{i,I}_{i,,L_i}}\};$

步骤(4’)：在完成第i层解码后，对接收按照下式进行校验：

C_i＝sum(H_i×y_i)，其中：

H_i为第i层校验矩阵，大小为N_i×L_i；

步骤(5’)：若：C_i＝0，则该层解码结束；按照下式得到y_i′＝G_i×x_i；

步骤(6’)：利用步骤(5’)中得到的y_i′...y₀′情况下度量第i+1层；

所述度量准则为在第i-1层为y_i-1′，……第0层为y₀′的情况下，利用最小欧氏距离准则；

步骤(7’)：如果i+1≤最大层数，i更新为i+1，重复步骤(3’)到步骤(6’)；

如果i+1＞最大层数，各层在步骤5中结束，则整个解码结束；

否则，i＝0，n更新为n+1，重复步骤(3’)到步骤(6’)；

当n＞10时强行结束迭代过程。

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