CN103580807B

CN103580807B - 针对特定度分布ldpc码字的bicm传输方法及系统

Info

Publication number: CN103580807B
Application number: CN201310541520.9A
Authority: CN
Inventors: 张文军; 郭序峰; 管云峰; 何大治; 史毅俊; 徐胤
Original assignee: Shanghai National Engineering Research Center of Digital Television Co Ltd
Current assignee: Shanghai National Engineering Research Center of Digital Television Co Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: CN103580807A

Abstract

本发明揭示了一种针对特定度分布LDPC码字的BICM传输系统，包括LDPC编码模块、比特映射模块和星座调制模块。其中，比特映射模块包括：写入单元，将LDPC编码的输出比特流按列写入存储表中；置换单元，其内部预设比特置换序列，根据所述比特置换序列对存储表做比特置换；读出单元，将比特置换后的序列按行读出。采用了本发明的技术方案，对符合特定度分布的LDPC码字的BICM系统进行优化，从而使特定的LDPC码字在BICM传输系统中相较于未优化时能有更好的误码率性能。

Description

针对特定度分布LDPC码字的BICM传输方法及系统

技术领域

本发明涉及一种比特交织编码调制系统（Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM）及其传输方法，更具体地说，涉及一种针对特定度分布LDPC码字的BICM传输方法及系统。

背景技术

数字通信系统，包括典型的无线移动通信系统和地面数字广播系统，其根本任务之一是实现数字信息的无误传输。比特交织编码调制（Bit-Interleaved CodedModulation，BICM）是数字通信系统的核心技术，是一种在平均互信息意义上次优的技术方案；也就是说，BICM相比于网格编码调制（Trellis Coded Modulation，TCM）技术，尽管在加性白高斯噪声信道下（Additive White Gaussian Noise，AWGN）性能略差，但在瑞丽信道下，有着更好的性能。

LDPC码能够在长码字下更接近香农限，因而是一种非常适合地面广播信号传输的信道编码。BICM技术和LDPC码结合构成比特交织低密度校验编码调制（Bit-InterleavedLow-Density Parity-Check Coded Modulation,BILCM）系统。中国第一代地面数字广播标准（DTMB）以及欧洲第二代地面数字电视广播标准DVB-T2均采用了BILCM技术方案。

在BILCM系统中，为了最大化编码增益，需要对编码后的不同比特采用不均匀的保护（Unequal Error Protection，UEP），因此需要考虑非规则LDPC码的列度分布以及高阶星座固有的差异化比特保护特性。这种将编码后的比特映射到不同调制水平上的技术，简称为比特映射[1]。比特映射通常包括比特交织（Bit Interleaver）和比特置换模块（BitPermutation）。例如，DVB-T2标准中结合采用了比特交织（Bit Interleaver）和解复用模块（DEMUX）完成比特映射功能。

根据文献T.Cheng,K.Peng,J.Song,and K.Yan,“EXIT-Aided Bit MappingDesign for LDPC Coded Modulation with APSK Constellations,”IEEE Comm.Lett.,vol.16,no.6,pp.777-780,June2012，利用外推信息传输表（Extrinsic InformationTransfer Chart，EXIT Chart）分析技术，在所有比特置换序列空间中，搜索门限最小处的比特置换序列，这些比特置换序列组成新的搜索空间。然后在这些缩小的子空间里，利用BER准则，找出性能最好的比特置换序列。然而，上述文献的比特置换结果，仅适用与该文献所参考的LDPC码字及其APSK星座。对于不同的LDPC码字，不同的调制星座以及不同的比特块交织形式（例如，列的大小），比特置换序列是不同的。

因此，在各种不同的地面数字传输系统中，尽管采用的都是LDPC编码，但是LDCP编码的码长、码率在不同的系统中是各有差异的，并且LDPC的码字并非只有一种，根据其生成原理可以针对某一系统生成特定的码字，并且各个系统中所采用的LDPC码的码字的度分布也是不同的，包括列度分布和行度分布均有可能是不同的。因此，针对特定的LDPC码字，如果不对其进行特别的优化而直接使用在BICM系统中时，其系统性能，尤其是系统在一定信道噪声情况下的误码率性能并非达到最佳。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种针对特定度分布LDPC码字的比特交织编码调制（Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM）传输方法及系统，来解决现有技术中符合特定度分布的LDPC码字性能优化不足的问题。

依据上述目的，实施本发明的一种针对特定度分布LDPC码字的BICM传输方法，包括LDPC编码步骤、比特映射步骤和星座调制步骤，其中，比特映射步骤包括：将LDPC编码的输出比特流按列写入存储表中；根据比特置换序列对存储表做比特置换；将比特置换后的序列按行读出。其中，比特置换序列与LDPC码的码率、星座调制的对应关系为：

其中，比特置换序列的每一个数字表示原存储表中各列的序号，x表示对应的模式不可用，nuQAM表示非均匀QAM映射。

依据上述目的，实施本发明的一种针对特定度分布LDPC码字的BICM传输系统，包括LDPC编码模块、比特映射模块和星座调制模块，其中，比特映射模块包括：写入单元，将LDPC编码的输出比特流按列写入存储表中；置换单元，其内部预设比特置换序列，根据所述比特置换序列对存储表做比特置换；读出单元，将比特置换后的序列按行读出。其中，比特置换序列与LDPC码的码率、星座调制的对应关系为：

优选地，存储表大小为N_r行×N_c列，所述N_c对应所述星座调制阶数对数的整数倍。

优选地，LDPC编码的输出比特流的长度为N_ldpc，所述存储表行数N_r=N_ldpc/N_c，所述存储表列数N_c=k log₂ M，其中k为系数，M为星座调制的阶数。

采用了本发明的技术方案，对符合特定度分布的LDPC码字的BICM系统进行优化，从而使特定的LDPC码字结合本发明的优化方法，在BICM传输系统中相较于未优化时能有更好的误码率性能。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是本发明BICM传输系统的结构示意图；

图2是写入单元进行写入操作的示意图；

图3是置换单元进行置换操作的示意图；

图4是读出单元进行读出操作的示意图；

图5是16QAM调制、60480码长下各码率LDPC码字的误码率性能比较示意图；

图6是64QAM调制、60480码长下各码率LDPC码字的误码率性能比较示意图；

图7是256QAM调制、60480码长下各码率LDPC码字的误码率性能比较示意图；

图8是64nuQAM调制、60480码长下各码率LDPC码字的误码率性能比较示意图；

图9是256nuQAM调制、60480码长下各码率LDPC码字的误码率性能比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

针对现有技术中特定度分布的LDCP码字未有优化的问题，本发明公开的是一种针对特定LDPC码字的比特交织编码调制（Bit-Interleaved Coded Modulation，BICM）传输方法及系统。将经过具有特定度分布的LDPC编码的比特流经过本发明的比特映射，再将经过比特映射之后的比特流进行星座调制得到符号流，这样的符号流在用于无线传输的过程中可以显著地降低误码率，提升传输性能。

首先定义本发明所适用的具有特定度分布的LDPC码字，符合条件的LDPC码字具有一定的列度分布和行度分布，列度分布用ρ(x)表示，行度分布用λ(x)表示。例如：

ρ(x)=0.125x¹³+0.1251x³+0.7499x²代表度13的列占据整个校验方程列的比例为12.5%，而度3的列占据整个校验方程列的比例为12.5%，而度2的列占据整个校验方程列的比例为75%。

λ(x)=0.6668x⁵+0.3332x⁴代表度5的行占据整个校验方程行的比例为66.68%，而度4的行占据整个校验方程行的比例为33.32%。

下面列举出本发明所适用的LDPC码字在不同的码率和码长下所满足的列度分布ρ(x)和行度分布λ(x)条件，对于本发明而言，本发明的BICM传输方法及系统仅与LDPC码的度分布有关，而与码率、码长均无关。

1/4码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.125x¹³+0.1251x³+0.7499x²

λ(x)=0.6668x⁵+0.3332x⁴

1/3码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.1167x¹³+0.2167x³+0.6666x²

λ(x)=0.2501x⁶+0.7499x⁵

2/5码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.1333x¹³+0.2667x³+0.5999x²

λ(x)=0.2223x⁷+0.7777x⁶

1/2码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.0583x¹³+0.1333x⁸+0.3084x³+0.4999x²

λ(x)=0.5001x⁸+0.4999x⁷

3/5码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.125x¹³+0.05x⁸+0.4251x³+0.3999x²

λ(x)=0.2502x¹¹+0.7498x¹⁰

2/3码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.10x¹³+0.075x⁸+0.4917x³+0.3333x²

λ(x)=0.1252x¹³+0.8748x¹²

3/4码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.1583x¹³+0.0083x⁸+0.5834x³+0.2499x²

λ(x)=0.5003x¹⁸+0.4997x¹⁷

4/5码率，短码（15120）长码（60480）

ρ(x)=0.1667x¹³+0.6333x³+0.20x²

λ(x)=0.3334x²³+0.6666x²²

5/6码率，短码（15120）

ρ(x)=0.1833x⁸+0.6501x³+0.1666x²

λ(x)=0.5004x²³+0.4996x²²

5/6码率，长码（60480）

ρ(x)=0.1667x¹³+0.6667x³+0.1667x²

λ(x)=0.001x²⁸+0.9999x²⁷

本发明定义的BICM传输系统的结构参见图1，其主要包括LDPC编码模块1、比特映射模块2和星座调制模块3。图1所示的LDPC编码的输入可以是加扰后的比特流，也可以是经过BCH编码后的比特流，这些比特流以块为单位分开，每个块大小为K_ldpc，即等于后续LDPC码字的信息位的长度。换句话说，本发明的输入数据可以是各种形式的数据，例如视频流、音频流、文本流或者其他各种可以在无线通信系统中传输的信息流，并且输入数据可以在编码之前先进行预处理，例如对输入数据进行扰码等操作，最后将预处理之后的数据作为LDPC编码的输入。另一方面，本发明的输出是星座调制后的符号流。

在图1所示的BICM传输系统中，LDPC编码可以为任何符合上述所列条件的LDPC码字，定义这些LDPC码字的信息位长度为K_ldpc，码字长度为N_ldpc，编码码率为R=K_ldpc/N_ldpc。其次，图1所示的星座调制可以为任意星座，如通用的QPSK，16-QAM，64-QAM和256-QAM，可以是非均匀星座，例如64-nuQAM或256-nuQAM等，也可以是各种不同调制阶数的APSK星座。

本发明的重点设计在于图1所示的比特映射模块2，该模块主要包括写入单元21、置换单元22和读出单元23。写入单元21和读出单元23共同执行比特交织操作，而置换单元22执行比特置换操作。在本发明中，比特交织用于打散突发错误，获得较大的编码分集，而比特置换根据非均匀误差保护（Unequal Error Protection，UEP）原则，考虑非规则LDPC码的度分布和高阶调制固有的UEP特性，得到比特置换序列，根据比特置换序列将编码比特映射到不同的调制比特上。

经过对上述所列的具有特定列度分布ρ(x)和行度分布λ(x)的LDPC码字的反复试验和测试，并且结合LDPC码字的不同码率、以及针对不同的星座调制，本发明就是针对特有的LDPC码字和星座调制，采用特定的比特交织形式下，搜索得到的一组比特置换序列，该序列能够提高系统增益0.15dB～0.5dB：

表1对应于通用的16-QAM，64-QAM和256-QAM比特置换序列

表2对应于64-nuQAM和256-nuQAM比特置换序列

注：’x’表示该模式不可用，均匀星座调制用QAM表示，非均匀星座调制用nuQAM表示，例如64-nuQAM或256-nuQAM。

如图2所示，比特交织采用块交织方法，比特映射模块2的输入比特流（即LDPC编码模块1的输出比特流，其长度为N_ldpc）通过写入单元21按列从上到下写入到一个存储表中，再按行读出。存储表大小为N_r行、N_c列，其中参数N_c与星座调制模块3的调制阶数有关，通常为调制阶数对数的整数倍。在输入比特流按列写入到存储表之后，按行读出之前，还要通过置换单元22执行比特置换操作。如图3所示，置换单元22将N_c列的输入比特流根据比特置换序列（参见表1和表2）完成置换。最后，如图4所示，当列交换完成后，读出单元23将输出数据从存储表中按行从左到右依次读出。

实施例

下面通过一个具体实施例来说明上述传输系统的结构及其传输方法。

首先，按照本发明的结构依次构建LDPC编码模块1、比特映射模块2和星座调制模块3，其中比特映射模块2内设有写入单元21、置换单元22和读出单元23。利用LDPC编码模块1对输入数据进行LDPC编码，将编码后的数据作为比特映射模块2的输入比特流。

其次，比特映射模块2利用写入单元21将输入比特流（N_ldpc长度）按列从上到下写入到一个存储表中，该存储表大小为N_r行、N_c列。写入过程如图2所示，其中参数N_c与调制阶数有关，通常为调制阶数对数的整数倍。例如，对于16-QAM，调制阶数为M=16，那么N_c=k log₂M，其中k一般取1或2，即N_c=4或N_c=8，而由于输入比特流的长度是一定的，即N_ldpc，因此参数N_r大小可以由计算得到，N_r=N_ldpc/N_c。因此类推，对于16-QAM星座调制，k=1时，N_c=4。对于通用的64-QAM星座和任意非均匀64-QAM（64-nuQAM），k=1，N_c=6。对于通用的256-QAM星座和任意非均匀256-QAM（256-nuQAM），k=2，N_c=16。

在这种特定LDPC码字下，对于低阶星座调制，选择k=1和k=2的结果性能相差不大，但k=2的运算复杂度要远远大于k=1的运算复杂度，因此通常选择k=1，而对于高阶星座调制，k=2的结果性能要明显优于k=1的结果性能，兼顾运算复杂度和性能，k取1或2均有可能。

在写入单元21将输入比特流写入到存储表之后，得到N_c列的存储表，其每一列的序号分别为置换单元22将存储表中N_c列的比特根据比特置换序列完成置换，如图3所示。在置换前存储表的列序号为

[c_{0}, c_{1}, c_{2}, . . . . . ., c_{N_{c} - 1}],

置换后存储表的列序号为

[c_{0}^{'} {, c}_{1}^{'}, c_{2}^{'}, . . . . . ., c_{N_{c} - 1}^{'}] .

其中，比特置换序列由表1和表2预先定义，其中表1适用于通用的星座（16-QAM、64-QAM和256-QAM），表2适用于某些非规则星座（64-nuQAM，256-nuQAM），表1和表2所示的比特置换序列中的每一个数字表示原存储表中各列的序号。以表1中的数据为例，码率为5/6、星座调制模式为16-QAM映射的比特置换序列为[0,2,3,1]，表示存储表共有4列，在置换之前其每一列的序号为[c₀,c₁,c₂,c₃]，而列置换的方式为：将c₀位置不变，将c₁列置换为最后一列，因此置换后的列[c′₀,c′₁,c′₂,c′₃]=[c₀,c₂,c₃,c₁]，表1、表2中的其余各项以此类推。当列交换完成后，如图4所示，比特映射模块2利用读出单元23将输出数据从存储表中按行从左到右依次读出。

最后比特映射模块2将经过比特交织和比特置换的比特流传输至星座调制模块3，星座调制模块3从比特置换序列中列举的星座调制模式中选择一种模式，将比特流映射成符号流。

通过将比特流经过本发明的比特交织和比特置换操作，由图5～图9可以看到，不同码长和码率的LDPC码字，以及不同阶的星座调制模式，在相同的信道噪声（Signal-to-noise ratio，SNR）的情况下，经过本发明比特交织和比特置换处理的码字具有更好的误码率（Bit Error Rate，BER）性能。

具体来说，参照图5，针对码长为60480、16-QAM映射的LDPC码字，从左至右分别为1/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6码率的LDPC码在一定dB的SNR条件下的BER性能。如图5所示，方形数据表示采用了本发明的比特交织和比特置换所得的曲线，而圆形数据表示相同条件下不采用本发明的比特交织和比特置换得到的曲线。由图5可以看出，在大部分情况下，经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能要好于未经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能。

同理，参照图6，针对码长为60480、64-QAM映射的LDPC码字，从左至右分别为1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6码率的LDPC码在一定dB的SNR条件下的BER性能。如图6所示，方形数据表示采用了本发明的比特交织和比特置换所得的曲线，而圆形数据表示相同条件下不采用本发明的比特交织和比特置换得到的曲线。由图6可以看出，经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能均好于未经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能。

同理，参照图7，针对码长为60480、256-QAM映射的LDPC码字，从左至右分别为1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6码率的LDPC码在一定dB的SNR条件下的BER性能。如图7所示，方形数据表示采用了本发明的比特交织和比特置换所得的曲线，而圆形数据表示相同条件下不采用本发明的比特交织和比特置换得到的曲线。由图7可以看出，经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能均好于未经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能。

同理，参照图8，针对码长为60480、64-nuQAM映射的LDPC码字，从左至右分别为1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6码率的LDPC码在一定dB的SNR条件下的BER性能。如图8所示，方形数据表示采用了本发明的比特交织和比特置换所得的曲线，而圆形数据表示相同条件下不采用本发明的比特交织和比特置换得到的曲线。由图8可以看出，经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能均好于未经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能。

同理，参照图9，针对码长为60480、256-nuQAM映射的LDPC码字，从左至右分别为1/2、3/5、2/3、3/4码率的LDPC码在一定dB的SNR条件下的BER性能。如图9所示，方形数据表示采用了本发明的比特交织和比特置换所得的曲线，而圆形数据表示相同条件下不采用本发明的比特交织和比特置换得到的曲线。由图9可以看出，经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能均好于未经过本发明比特交织和比特置换所得到的LDPC码的误码率性能。

由图5～图9可见，采用本发明的比特交织和比特置换之后的LDPC码，其在BICM传输系统中能够获得增益提高，不同调制阶数所获得的平均增益如下所示：

调制阶数	平均增益(dB)
		16	0.15
64	0.35
		256	0.50

综上所述，本发明针对具有特定度分布的LDPC码字进行优化，其主要的优化手段是对LDPC码字做比特交织和比特置换，从而使具有特定度分布的LDPC结合本发明的优化手段，能够在BICM传输系统中相较于未优化时具有更好的误码率性能。

所属领域的技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims

1.一种针对特定度分布低密度奇偶校验码LDPC码字的比特交织编码调制BICM传输方法，包括LDPC编码步骤、比特映射步骤和星座调制步骤，其特征在于，所述比特映射步骤包括：

将所述LDPC编码步骤的输出比特流按列写入存储表中；

根据比特置换序列对所述存储表做比特置换；

将比特置换后的序列按行读出；

其中，所述星座调制步骤对所述比特映射步骤输出的经过比特映射之后的比特流进行星座调制得到符号流，

所述比特置换序列与所述LDPC码字的码率、所述星座调制的对应关系为：

2.如权利要求1所述的针对特定度分布LDPC码字的BICM传输方法，其特征在于，所述存储表大小为N_r行×N_c列，所述N_c对应所述星座调制阶数对数的整数倍。

3.如权利要求2所述的针对特定度分布LDPC码字的BICM传输方法，其特征在于，所述LDPC编码的输出比特流的长度为N_ldpc，所述存储表行数N_r＝N_ldpc/N_c，所述存储表列数N_c＝klog₂ M，其中k为系数，M为星座调制的阶数。

4.一种针对特定度分布低密度奇偶校验码LDPC码字的比特交织编码调制BICM传输系统，包括LDPC编码模块、比特映射模块和星座调制模块，所述LDPC编码模块用于对所输入比特流进行特定度分布再输入所述比特映射模块，所述星座调制模块用于对所述比特映射模块输出的经过比特映射之后的比特流进行星座调制得到符号流，其特征在于，所述比特映射模块包括：

写入单元，将所述LDPC编码模块的输出比特流按列写入存储表中；

置换单元，其内部预设比特置换序列，根据所述比特置换序列对所述存储表做比特置换；

读出单元，将比特置换后的序列按行读出；

其中，所述比特置换序列与所述LDPC码字的码率、星座调制的对应关系为：

5.如权利要求4所述的针对特定度分布LDPC码字的BICM传输系统，其特征在于，所述存储表大小为N_r行×N_c列，所述N_c对应所述星座调制阶数对数的整数倍。

6.如权利要求5所述的针对特定度分布LDPC码字的BICM传输系统，其特征在于，所述LDPC编码的输出比特流的长度为N_ldpc，所述存储表行数N_r＝N_ldpc/N_c，所述存储表列数N_c＝klog₂ M，其中k为系数，M为星座调制的阶数。