CN102684840B - 低密度奇偶校验码的新型编码调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低密度奇偶校验码的新型编码调制方法，在发送端对信息序列进行低密度奇偶校验码的编码处理得到码字，对得到的码字中的一部分比特进行复用并与原码字组成新的码字，对组成的新码字进行交织、调制，在接收端低密度奇偶校验码的联合迭代解调译码。本发明还提供了一种低密度奇偶校验码的新型编码调制装置。通过将低密度奇偶校验码中的同一比特同时映射到多个调制符号上的方法，有效地提升了系统在衰落信道下的整体性能。

Description

低密度奇偶校验码的新型编码调制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种数字信号处理技术领域的编码调制系统，具体是一种低密度奇偶校验码的新型编码调制方法及装置。

背景技术

低密度校验码（Low Density Parity Check Codes，LDPC Codes）是1963年Gallager首先提出的一种编码技术，具有接近香农极限的性能，已经成为编码领域的一个研究热点，被广泛地应用到各种无线通信领域标准中，包括我国的数字电视地面传输标准、欧洲第二代卫星数字视频广播标准、IEEE 802.11n、IEEE 802.16e等。

Massey首先提出了将信道编码和调制结合在一起进行考虑的思想，这种处理方式被称为编码调制方案。随着Ungerboeck在上世纪80年代早期提出了将卷积码和调制结合起来的网格编码调制（Trellis coded modulation）方案并取得了可观的编码调制增益以来，编码调制已经成为了一种改善通信系统性能的有效手段，而在多个通信标准中得到应用。目前常用的高阶调制方式包括：四相相移键控（QPSK）、8相相移键控（8PSK）、16位正交幅度调制（16QAM）、64位正交幅度调制（64QAM）等。由于LDPC码比卷积码拥有更强大的纠错能力，因此将LDPC码作为信道编码和调制结合在一起成为研究的热点。

在经过高阶调制（如16QAM、64QAM）处理后，原先码字中的几个比特被映射到星座图上的某个符号，由于符号中的各个比特间相互联系，因此经解调所得的各比特之间并不独立，从而对整体的编码调制系统的性能产生影响，如附图1所示，为了提升系统性能，实际中往往通过在码字发送端与调制之间加入一个交织器，同时在接收端的解调器与译码器间加入解交织器从而达到降低同一符号中各个比特间的相关性对系统整体性能的影响。同时，由于高阶调制星座图上的比特具有不同的可靠度，如附图3所示，对于64QAM调制来说，一个星座点对应6个比特，即b₅、b₄、b₃、b₂、b₁、b₀，其中b₅、b₂具有最高的可靠度，b₄、b₁其次，b₃、b₀具有最低的可靠度，因此可以通过优化比特到星座点的映射方式来达到提高性能的目的，其本质也可归为交织器的设计。通过加入交织器能一定程度上增加编码调制系统在高斯白噪声（AWGN）信道中的整体性能，但在衰落信道中效果却并不明显。

经对现有技术的文献检索发现，专利申请号为200810001045.5的中国专利，专利名称为“一种低密度奇偶校验码编码调制方法及装置”，提供了一种低密度奇偶校验码编码调制方法，对信息序列进行低密度奇偶校验码编码处理，得到码字，并对所述码字进行交织处理，然后，对所述经过交织处理的码字进行调制处理，该方案基于低密度奇偶校验码的度分布的重要性，以及高阶调制中星座图上不同比特具有不同的可靠度特点，能获得较优的编码调制增益。由于该方法没有针对衰落信道的特点做特殊的处理，因此其在衰落信道中往往不能取得较优的编码调制增益。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种LDPC码的新型编码调制方法及装置，针对衰落信道的特点，采用新型的编码调制方案，通过将同一比特信息同时映射到多个调制符号上，改进了LDPC码编码调制系统在衰落信道下的整体性能，显著地提升了相同信噪比下系统的误码率和误帧率。

根据本发明的一个方面，提供了一种低密度奇偶校验码的新型编码调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A:对信息序列进行发送端的处理，包括低密度奇偶校验码的编码、码字复用、交织和调制；

步骤B:对从信道接收到的信息进行接收端联合迭代解调译码处理，包括解调、解交织、先验信息处理、低密度奇偶校验码的译码、外信息复用和交织。

优选地，所述步骤A包括如下步骤：

-对信息序列进行低密度奇偶校验码的编码处理，得到编码后的码字C，码长为N；

从编码后的码字C中随机选取M比特进行复用，并与原先的码字C组合成新的发送信息流C_NEW，C_NEW的码长为N_NEW，并构造一个位置信息集合SET来存储C_NEW中的各个比特在C中对应的位置信息；

-对C_NEW进行比特交织，产生C_NEW_2，并相应的更新位置信息集合SET；

-按照高阶调制中每个符号所含的比特个数对C_NEW_2进行分组，并映射到星座点上进行调制；

所述步骤B包括如下步骤：

根据从信道接收的信息及LDPC码译码器输出的外信息进行解调，并根据位置信息集合SET对解调后各比特的先验概率信息进行相应的位置调整，并对属于同一比特的先验信息进行求和以得到属于该比特的先验信息；

-将上一步所得的先验信息输入低密度奇偶校验码译码器进行译码。

如果译码不成功，则进行迭代解调译码，直到译码成功或达到所设定的最大迭代解调译码的次数。

根据本发明的另一个方面，提供了一种低密度奇偶校验码的新型编码调制装置，包括LDPC码编码模块、比特复用模块、第一交织模块、调制模块、解调模块、比特解交织模块、先验信息调整模块、LDPC码译码模块、外信息复用模块及第二交织模块，其中：

1）LDPC码编码模块对输入的信息序列进行LDPC码的编码处理，得到编码后的码字C；

2）比特复用模块从编码后的码字C中随机选取M比特进行复用，并与原先的码字C组合成新的发送信息流C_NEW，C_NEW的码长为N_NEW，并构造一个位置信息集合SET来存储C_NEW中的各个比特在C中的位置信息；

3）第一交织模块对C_NEW进行比特交织处理，并更新集合SET；

4）调制模块用于对经过比特交织模块交织后的信息进行任何形式高阶调制处理，比如QPSK、16QAM、64QAM等；

5）解调模块根据从信道接收的信息及第二交织模块传来的外信息进行解调处理，得到相应比特的先验信息；在解调模块第一次解调时默认各比特的发送概率是等概的，从第二次开始则以第二交织模块传来的外信息作为相应比特的发送概率；

6）比特解交织模块对解调的到的信息进行与交织模块相对应的解交织处理；

7）先验信息调整模块对解交织后的先验信息进行调整，将属于同一比特的先验信息进行合并求和，从而得到与码字相当的先验信息个数；

8）LDPC码译码模块对接收到的先验信息运用LDPC码的修正最小和译码算法进行译码处理，如果译码不成功，且未达到最大迭代解调译码次数，则计算每个比特的外信息；

9）外信息复用模块对LDPC码译码器输出的外信息根据比特复用模块的复用规则进行外信息的复用；

10）第二交织模块按照第一交织模块相同的方式对外信息进行交织。

更为具体地，在本发明的一个优选例中，本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步：对输入的信息序列进行LDPC码的编码处理，得到编码后的码字C；

第二步：从编码后的码字C中随机选取M比特进行复用，相当于产生了这M比特信息的一个副本，随后将这一副本信息与码字C组合，得到组合后的码字C_NEW，同时用一个位置信息集合SET记录C_NEW中的比特在码字C中的相应位置，由于C_NEW中的一部分信息是码字C的一个副本，因此在SET中有些比特的位置信息是相同的；

第三步、对第二步中产生的信息C_NEW进行比特交织，即将C_NEW按照行或列的顺序存入一个矩阵中，然后按照列或行的顺序读取，从而产生比特交织后的信息C_NEW_2，同时根据交织的方式更新位置信息集合SET；

第四步、对比特交织后的信息C_NEW_2进行调制处理，即按照所选调制方式中一个符号包含的比特个数将信息C_NEW_2进行分组，并以格雷映射的方式映射到星座图上进行调制处理；

第五步、对从信道接收到的信息及第二交织模块传来的外信息进行解调处理，即使用最大后验概率准则求得每个比特对应的先验概率（LLR）；

第六步、对解调所得的比特LLR进行解交织处理；

第七步、根据位置集合信息SET对解交织后的比特LLR进行先验概率的调整，即对属于同一比特的LLR进行合并求和以得到属于该比特的先验信息，这也将LLR的个数降低到了与C中所含比特相同的大小；

第八步、根据第六步所得的调整后的LLR运用LDPC码的修正最小和译码算法进行译码，如果译码不成功或者未到达最大的迭代解调译码次数Max则进行迭代解调译码；

本发明具有如下有益效果：

通过大量的计算机仿真实验证实，本发明中通过将LDPC码编码后的某些比特同时映射到多个高阶调制星座点上，从而提供了分集，有效的提升了LDPC码编码调制系统在衰落信道下的整体性能，且对于各种高阶调制这种方法都是有效的。

附图说明

图1是传统的基于LDPC码的比特交织编码调制系统框图；

图2是传统的基于LDPC码的比特交织迭代编码调制系统框图；

图3是格雷映射下64QAM的星座图；

图4是传统的基于LDPC码的比特交织编码调制系统的扩展Tanner图；

图5是本发明中提出的LDPC码的新型编码调制系统的扩展Tanner图；

图6是本发明中提出的LDPC码的新型编码调制系统的系统框图；

图7是64QAM调制下本发明与传统LDPC码的比特交织编码调制系统在瑞利衰落信道下的误码率曲线；

图8是64QAM调制下本发明与传统LDPC码的比特交织编码调制系统在瑞利衰落信道下的误帧率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

以码长为2304，码率为0.5的二进制LDPC码为例，如图1所示，是传统的基于LDPC码的比特交织编码调制系统框图，输入信息序列先经过LDPC码编码器编码后得到码字C，随后码字C经过交织器进行比特交织处理得到交织后的信息流C_2，C_2再经过调制器进行调制处理，调制后的信息经过信道加噪后在接收端由解调器进行解调处理，即按照最大后验概率准则求得每个比特对应的先验信息（LLR），该LLR经过解交织模块解交织后进入LDPC译码器，并按照LDPC码的修正最小和译码算法进行译码。

如图2所示，是传统的基于LDPC码的比特交织迭代编码调制系统框图，与图1相比图2中增加了译码器与解调器之间的迭代功能，解调器利用译码器输出的外信息进行联合迭代解调译码，进一步提升了LDPC码的编码调制系统的性能。

如图3所示，是本实例中使用的格雷映射下64QAM调制的星座图。

如图4所示，是对应于传统的基于LDPC码的比特交织编码调制系统的扩展Tanner图，即将比特到调制星座点的连接关系加入到传统的LDPC码的Tanner图中，图中的符号节点就是对应的星座图上的某一个星座点，由于本实例使用的是64QAM的高阶调制，因此每一个符号节点包含6个比特节点，根据此Tanner图可以发现比特节点到符号节点的映射是单一映射关系，即一个比特节点只连接到一个符号节点。

如图5所示，是对应于本发明提出的LDPC码的新型编码调制系统的扩展Tanner图，由于本发明中在LDPC码编码模块和交织模块间加入了一个比特复用模块，即相当于在比特节点与符号节点之间加入了额外的边，如图5中的虚线所示，是本发明中加入比特复用模块后引入的额外的边，由于这些额外边的引入使得原本比特节点到符号节点间的单一映射关系被打破，从而使得一个比特节点能同时连接到多个符号节点，这就相当于在编码调制过程中引入了分集的思想，从而能有效地抗衰落。

如图6所示，本发明中提出的LDPC码的新型编码调制系统的系统框图，主要包括发送端的LDPC码编码模块、比特复用模块、第一交织模块和调制模块以及接收端的解调模块、解交织模块、先验信息调整模块、LDPC码译码模块、外信息复用模块和第二交织模块。

所述的LDPC码编码模块对输入的信息序列进行LDPC码的编码处理，得到编码后的码字C；

所述的比特复用模块从码字C中随机选取M比特（在本实施例中M的大小为600）进行复用，产生这M比特的一个副本，随后将这一副本信息与码字C组合，得到组合后的码字C_NEW，同时用一个位置信息集合SET记录C_NEW中的比特在码字C中的相应位置，由于C_NEW中的一部分信息是码字C的一个副本，因此在SET中有些比特的位置信息是相同的；

所述的第一交织模块对C_NEW进行比特交织处理，即将C_NEW按行或列的顺序存入一个矩阵Matrix，随后在从Matrix中按列或行的顺序读出，从而完成比特交织处理过程,得到交织后的码字C_NEW_2，同时更新位置信息集合SET；

所述的调制模块按照所选的调制模式对C_NEW_2进行分组处理，由于本实施例中使用64QAM的调制模式，因此将C_NEW_2中每6个比特分为一组并以格雷映射的方式映射到星座图上进行调制处理；

所述的解调模块根据从信道接收到的信息及第二交织模块传来的译码后的比特外信息进行解调处理，即使用最大后验概率准则求得每个比特对应的先验概率（LLR），在解调模块第一次工作时默认各比特的发送概率是等概的，从第二次开始则将第二交织模块传来的外信息作为相应比特的发送概率进行联合解调译码处理；

所述的解交织模块对解调所得的比特LLR进行处理，即根据位置信息集合SET进行解交织处理，从而将比特LLR的顺序调整为跟码字C_NEW对应的次序；

所述的先验信息调整模块根据位置信息集合SET对解交织后的比特LLR进行处理，即将SET中标示的属于同一比特的LLR进行合并求和得到该比特的唯一的LLR，因此经过本模块调整后先验信息的个数将与码字C的大小相同；

所述的LDPC码译码模块根据先验信息调整模块处理后所得的比特LLR信息进行LDPC码的译码处理，即按照LDPC码的修正最小和译码算法进行LDPC码的译码，如果译码不成功且没有达到最大的迭代解调译码次数Max（本实例中Max为3），则计算每个比特的外信息。

所述的外信息复用模块运用与比特复用模块相同的复用规则对外信息进行复用处理；

所述的第二交织模块运用与第一交织模块相同的方式对外信息进行交织处理。

如图7所示，是64QAM调制下本发明与传统LDPC码的比特交织迭代编码调制系统在瑞利衰落信道下的误码率曲线，其中64QAM-BICM-BER对应的是传统LDPC码的比特交织迭代编码调制系统在瑞利衰落信道下的误码率曲线；64QAM-NEW-BER是本发明中的新型编码调制系统在瑞利衰落信道下的误码率曲线，其中M的大小为600；由于本发明中增加了信息冗余，因此图7中的曲线针对新发明中的信息冗余做了横坐标EbNo的平移，使本发明中总的发送功率与传统LDPC码的比特交织迭代编码调制方案相同，从图中可以发现本发明的误码率性能与传统方式相比具有0.6dB的增益。

如图8所示，是64QAM调制下本发明与传统LDPC码的比特交织迭代编码调制系统在瑞利衰落信道下的误帧率曲线，其中64QAM-BICM-FER对应的是传统LDPC码的比特交织迭代编码调制系统在瑞利衰落信道下的误帧率曲线；64QAM-NEW-FER是本发明中的新型编码调制系统在瑞利衰落信道下的误帧率曲线，其中M的大小为600；由于本发明中增加了信息冗余，因此图8中的曲线针对新发明中的信息冗余做了横坐标EbNo的平移，使本发明中总的发送功率与传统LDPC码的比特交织迭代编码调制方案相同，从图中可以发现本发明的误帧率性能与传统方式相比具有0.6dB的增益。

Claims (5)

1.一种低密度奇偶校验码的新型编码调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A:对信息序列进行发送端的处理，包括低密度奇偶校验码的编码、码字复用、交织和调制；

步骤B:对从信道接收到的信息进行接收端联合迭代解调译码处理，包括解调、解交织、先验信息处理、低密度奇偶校验码的译码、外信息复用和交织；

所述的步骤B包括如下步骤：

-对从信道接收到的信息及译码器输出的外信息进行解调处理，即使用最大后验概率准则求得每个比特对应的先验概率LLR；

-对解调所得的比特LLR进行解交织处理；

-对解交织后的比特LLR进行先验信息的调整，即将位置信息集和SET中标示的属于同一比特的LLR进行合并求和得到该比特的唯一的LLR；

-将先验信息调整后的LLR输入低密度奇偶校验码译码器，按照低密度奇偶校验码的修正最小和译码算法进行译码处理，如果译码不成功且未达到最大联合迭代解调译码次数则计算每个比特的外信息；

-对译码器输出的比特外信息进行复用、交织后进行联合解调译码处理。

2.根据权利要求1所述的低密度奇偶校验码的新型编码调制方法，其特征在于，所述的步骤A包括如下步骤：

-对输入的信息序列进行低密度奇偶校验码的编码处理，得到编码后的码字C；

-对码字C进行码字复用处理，即从C中随机选取M比特信息进行复用，产生这M比特对应的一个副本，将这一副本信息与原码字组合成新的码字C_NEW，并用位置信息集合SET记录C_NEW中的比特在C中的对应位置；

-对C_NEW进行比特交织处理；

-对交织后的信息进行调制处理，即按照所选调制方式将信息分组，并按照格雷映射的方式将分组后的信息映射到星座点上进行调制。

3.一种低密度奇偶校验码的新型编码调制装置，其特征在于，包括如下模块：

-LDPC码编码模块，用于对信息序列进行LDPC编码处理，得到码字C；

-比特复用模块，用于对得到的码字C进行比特复用，并与原码字组成新码字C_NEW；

-第一交织模块，用于对C_NEW进行比特交织处理；

-调制模块，用于对经交织模块处理后的码字进行调制处理；

-解调模块，用于对从信道接收的信息及译码输出的外信息进行解调处理，得到每个比特的先验信息；

-比特解交织模块，用于对解调模块得到的比特先验信息进行解交织处理；

-先验信息调整模块，用于对解交织后的先验信息进行调整，将属于同一比特的先验信息进行合并求和，从而得到与码字相当的先验信息个数；

-LDPC码译码模块，用于对接收到的先验信息运用LDPC码的修正最小和译码算法进行译码处理，如果译码不成功且未到达最大的迭代解调译码次数，则计算每个比特的外信息；

-外信息复用模块，用于对LDPC码译码模块产生的外信息进行复用，其复用方式与比特复用模块相同；

-第二交织模块，用于对外信息复用模块产生的外信息进行交织处理，其交织方式与第一交织模块相同。

4.根据权利要求3所述的低密度奇偶校验码的新型编码调制装置，其特征在于，在解调模块第一次解调时默认各比特的发送概率是等概的，从第二次开始则以第二交织模块传来的外信息作为相应比特的发送概率。

5.根据权利要求3所述的低密度奇偶校验码的新型编码调制装置，其特征在于，所述比特复用模块构造一个位置信息集合SET来存储C_NEW中的各个比特在C中对应的位置信息，所述第一交织模块更新所述集合SET。