CN104168029A - 用于地面云广播的低密度奇偶校验码 - Google Patents

Abstract

提供了用于地面云广播的LDPC（低密度奇偶校验）码。基于LDPC（低密度奇偶校验）来编码输入信息的方法包括接收信息，并使用奇偶校验矩阵利用LDPC码字来编码该输入信息，其中该奇偶校验矩阵可具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

Description

用于地面云广播的低密度奇偶校验码

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年5月16日提交的韩国专利申请第10-2013-0055762号的优先权，其内容通过引用而在这里全部合并。

技术领域

本发明的实施例针对用于地面云广播信号的LDPC（低密度奇偶校验）码，以校正在单频网络中操作的地面云广播系统中的无线电信道上出现的误差。

背景技术

当前地面TV广播导致共计为服务覆盖范围的三倍的共信道（co-channel）干扰，并由此不能重用在该服务覆盖范围的三倍之内的区域中的相同频率。这样，其中不能重用频率的区域被称为空白空间（white space）。空白空间的出现急剧恶化了谱效率。该状况导致需要促进频率重用和空白空间去除的传送技术，这集中于接收的鲁棒性、以及传送容量的增加，以便增强谱效率。

最近在名为“Cloud Transmission:A New Spectrum-Reuse Friendly DigitalTerrestrial Broadcasting Transmission System”,published IEEE Transactions onBroadcasting,vol.58,no.3on IEEE Transactions on Broadcasting,vol.58,no.3的文献中已提出了地面云广播技术，其提供容易的重用，防止出现空白空间，并允许容易地设立和操作单频网络。

这样的地面云广播技术的使用使得广播装置能通过单一广播信道传送在全国相同或在每一局域不同的广播内容。然而，为了实现这样的目标，接收机应能够在其中从不同发射机传送的信号重叠的区域（即，重叠区）中接收一个或多个地面云广播信号，并应能够对接收的地面云广播信号进行彼此区分，并对区分的信号进行解调。

换言之，在其中存在相同信道干扰并且不对于每一传送信号保证定时和频率同步的状况下，应解调一个或多个云广播信号。

为此，地面云广播系统需要在其中噪声功率大于广播信号的功率的环境（即，负SNR（信噪比）环境）中操作。因此，存在对于甚至在用于地面云广播的这样的负SNR环境中操作的误差校正码的需求。

发明内容

本发明的目的是提供LDPC编码器和LDPC编码方法，用于基于LDPC（低密度奇偶校验）来编码输入信息。

本发明的另一目的是提供一种甚至在用于地面云广播的负SNR（信噪比）环境中操作的LDPC（低密度奇偶校验）码。

本发明的另一目的是提供一种比现有LDPC码具有更好性能和更低复杂度的LDPC码。

根据本发明的一个方面，一种基于LDPC（低密度奇偶校验）来编码输入信息的方法包括：接收信息；和使用奇偶校验矩阵利用LDPC码字来编码该输入信息，其中该奇偶校验矩阵可具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

在实施例中，该奇偶校验矩阵可包括零矩阵、单位矩阵（identity matrix）、和双对角矩阵。

在另一实施例中，所编码的LDPC码字可包括与输入信息对应的系统部分、与双对角矩阵对应的第一奇偶部分、和与单位矩阵对应的第二奇偶部分。

在另一实施例中，所述编码步骤可包括：使用该第一奇偶校验矩阵和该输入信息来计算该第一奇偶部分；和基于该输入信息和所计算的第一奇偶部分，使用该第二奇偶校验矩阵来计算该第二奇偶部分。

在另一实施例中，该双对角矩阵的单元矩阵可构成双对角线并且是单位矩阵，而该双对角矩阵的剩余单元矩阵可以是零矩阵。

在另一实施例中，构成双对角线的双对角矩阵的单元矩阵可以和构成该单位矩阵的对角线的单元矩阵连续。

在另一实施例中，该方法可进一步包括，在所述编码步骤之前，确定LDPC码的码率，并根据确定的码率来确定该双对角矩阵的尺寸。

在另一实施例中，该奇偶校验矩阵可包括零矩阵和循环置换矩阵。

根据本发明的另一方面，一种LDPC编码器包括：输入单元，用于接收信息；和编码单元，用于使用奇偶校验矩阵利用LDPC码字来编码该输入信息，其中该奇偶校验矩阵可具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

根据本发明的另一方面，一种通过LDPC（低密度奇偶校验）解码器来解码LDPC码的方法包括：接收通过奇偶校验矩阵编码的LDPC码字，和使用该奇偶校验矩阵对接收的LDPC码字进行解码，其中该奇偶校验矩阵可具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

根据本发明的另一方面，一种LDPC解码器包括：接收单元，用于接收通过奇偶校验矩阵编码的LDPC（低密度奇偶校验）码字；和解码单元，用于使用该奇偶校验矩阵对接收的LDPC码字进行解码，其中该奇偶校验矩阵可具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

在地面云广播系统中，可提供甚至在负SNR（信噪比）环境中操作的LDPC（低密度奇偶校验）。

该代码比在DVB-T2（数字视频广播－地面版本2）和DVB-S2（数字视频广播－卫星－第二代）系统中使用的LDPC码提供更好性能和更低复杂度。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，本发明的实施例将易于变得清楚，其中：

图1是图示了在DVB（数字视频广播）系统中使用的QC-LDPC（准循环低密度奇偶校验）码的PCM（奇偶校验矩阵）结构的图；

图2是图示了根据本发明实施例的利用在负SNR（信噪比）环境中操作的LDPC码来编码输入信息的方法的流程图；

图3是图示了根据本发明实施例的LDPC码的PCM结构的图；

图4是图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构的图，其中码字的长度是8192；

图5是图4中示出的PCM结构的扩展图；

图6是图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构的图，其中码字的长度是16384；

图7是图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构的图，其中码字的长度是32768；

图8是图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构的图，其中码字的长度是65536；

图9图示了根据本发明实施例的根据码率的LDPC码的PCM结构的示例；

图10是图示了根据本发明实施例的LDPC码的性能的图表；

图11是图示了根据本发明实施例的解码LDPC码字的方法的流程图；和

图12是图示了根据本发明实施例的LDPC编码器和LDPC解码器的框图。

具体实施方式

将参考本领域技术人员要研究的附图来详细描述本发明的实施例。然而，本发明可按照各种方式实施，并且不限于此。图中已省略了与本发明不相关的内容，并且贯穿说明书中已向相似组件分配相似附图标记。

如这里使用的，当元件“包括”或“包含”另一元件时，除非按照别的方式阐明，该元件可进一步包括或包含所述另一元件，而不排除所述另一元件。此外，如这里使用的，术语“单元”或“部分”意味着用于处理至少一个功能或操作的基础，其可按照硬件或软件或者按照软件和硬件的组合来实现。

图1是图示了在DVB（数字视频广播）系统中使用的QC-LDPC（准循环低密度奇偶校验）码的PCM（奇偶校验矩阵）结构的图。

一般来说，LDPC码已知为这样的误差校正码，其与AWGN（加性高斯白噪声）信道中的香农极限最接近，并在使能并行化解码的同时，比特波（Turbo）码提供渐近（asymptotically）更好的性能。

这样的LDPC码通过随机生成的低密度PCM（奇偶校验矩阵）定义。然而，随机生成的LDPC码需要大量存储器来存储PCM，并需要长时间来存取存储器。

为了解决这样的存储器的问题，已提出了QC-LDPC（准循环LDPC）码，并且由零矩阵或CPM（循环置换矩阵）构成的QC-LDPC码由等式1所示PCM(H)定义：

[等式1]

这里，P是具有尺寸L×L的CPM，并且如等式2中定义：

[等式2]

此外，Pⁱ是通过向右移位i(0≤i<L)次获得的矩阵，单位矩阵具有尺寸L×L，而P^∞是具有尺寸L×L的零矩阵。因此，在QC-LDPC码的情况下，可仅存储分量i以便存储Pⁱ，并由此，存储PCM所需的存储器被降低为1/L。

作为示例，图1中所示的DVB系统中使用的QC-LDPC码由I矩阵和P矩阵构成。I矩阵是具有尺寸(N-K)×K的矩阵，而P矩阵是具有尺寸(N-K)×(N-K)的双对角矩阵。这里，N是码字的长度，而K是输入信息的长度。

图2是图示了根据本发明实施例的利用在负SNR（信噪比）环境中操作的LDPC码来编码输入信息的方法的流程图，而图3是图示了根据本发明实施例的LDPC码的PCM结构的图。

首先参考图2，如果键入要编码的信息（210）并确定码率（220），则根据本发明的LDPC编码器根据确定的码率来确定在奇偶校验矩阵中可变包括的双对角矩阵的尺寸（230），这时，尽管在图2中在键入要编码的信息之后确定码率，但是如果必要，码率可以在输入信息之前被先前确定或者可以当输入信息时被确定。

其后，图3中示出的LDPC编码器可使用确定的奇偶校验矩阵利用LDPC码字来编码输入信息。这里，奇偶校验矩阵可具有这样的结构，其中用于具有高于参考值（例如，0.5）的较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵（PCM[AB]）和用于具有低于该参考值的较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵（PCM[C D]）彼此组合。

作为示例，参考图3，根据本发明的奇偶校验矩阵可包括双对角矩阵B、单位矩阵D、和零矩阵。这里，在双对角矩阵B中，构成双对角线的单元矩阵可以是单位矩阵，并且剩余单元矩阵可以是零矩阵。构成双对角矩阵B的双对角线的单元矩阵可以与构成单位矩阵D的对角线的单元矩阵连续。

在图3中，N是码字的长度，K是信息的长度，而g是取决于码率变化的值。矩阵A和矩阵C分别具有尺寸g×K和(N-K-g)×(K+g)，并可由具有尺寸L×L的循环置换矩阵和零矩阵构成。此外，矩阵Z是具有尺寸g×(N-K-g),的零矩阵，而矩阵B是具有尺寸g×g的双对角矩阵。矩阵B可以如等式3中那样表达:

[等式3]

其中是单元矩阵，并且是具有尺寸L×L的单位矩阵。

图3中所示通过奇偶校验矩阵编码的LDPC码字可包括与输入信息对应的(N-K)×K的系统部分、与双对角矩阵B对应的第一奇偶部分、和与单位矩阵D对应的第二奇偶部分。

根据本发明的LDPC编码器可使用输入信息和第一奇偶校验矩阵（PCM[A B]）来计算第一奇偶部分，并可基于输入信息和计算的第一奇偶部分使用第二奇偶校验矩阵（PCM[C D]）来计算第二奇偶部分。

特别是，根据本发明的LDPC编码器可使用下面的等式4来编码输入信息：

[等式4]

Hc^T＝0

这里，H是奇偶校验矩阵，而c是LDPC码字。

其间，等式4可以如等式5中所示分离：

[等式5]

${\mathrm{As}}^T+{\mathrm{Bp}}_1^T=0$

$C{(s,p_1)}^T+{\mathrm{Dp}}_2^T=0$

这里，s是系统部分，P₁是第一奇偶部分，而P₂是第二奇偶部分。

由于B是双对角矩阵，所以用于计算第一奇偶部分P₁的编码处理可通过块类型的累加器来执行。此外，由于D是单位矩阵，所以第二奇偶部分P₂可通过而简单地计算。这样，根据本发明的LDPC编码器具有有效线性时间编码算法，并由此降低其复杂度。

作为示例，表1中给出了分别具有码字长度8192、16384、32768和65536的具有码率0.25的LDPC码的N、K和g。

[表1]

N	K	g
			8192	2048	160
16384	4096	320
			32768	8192	640
65536	16384	1280

现在描述用于表达表1中设计的QC-LDPC码的PCM的示范方法。

假设具有码率4/、N=28以及K=16、并且由4×4CPM构成的QC-LDPC码具有等式6中所示的PCM：

[等式6]

PCM可以如下表示。

73――矩阵尺寸（列的#=7，行的#=3）

2311111――列权重分布

第0列权重=2，第1列权重=3，

第2列权重=1，第3列权重=1，

第4列权重=1，第5列权重=1，

第6列权重=1。

334――行权重分布

第0行权重=3，第1行权重=3，

第2行权重=4。

――每一行的非零矩阵的位置

014第0行的非零矩阵位置，行权重=3

135第1行的非零矩阵位置，行权重=3

0126第2行的非零矩阵位置，行权重=4

――每一行的非零矩阵的指数值

230第0行的非零矩阵的指数值

120第1行的非零矩阵的指数值

2300第2行的非零矩阵的指数值

在根据本发明的地面云广播系统的负SNR环境中操作的、具有码率0.25的QC-LDPC码的PCM可按照这样的方式表示，由此导致以下实施例：

[实施例1]

[实施例2]

[实施例3]

[实施例4]

图4到8示出了根据本发明实施例的LDPC码的PCM结构的示例。

作为示例，图4图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构，其中码字的长度是8192，而图5是图4中示出的PCM结构的扩展图。

其间，图6图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构，其中码字的长度是16384，图7图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构，其中码字的长度是32768，而图8图示了用于地面云广播的QC-LDPC码的PCM结构，其中码字的长度是65536。

图9图示了根据本发明实施例的根据码率的LDPC码的PCM结构的示例。

根据本发明的LDPC码的PCM包括多个单一奇偶校验码，并由此，其可对于每一不同码率截短，如图9中所示。例如，可通过将PCM截短50和83.3%，可容易地生成具有码率1/2和1/3的LDPC码。这意味着可通过根据本发明的LDPC码在高SNR区域中解码全部码字的仅一部分。因此，LDPC解码器可节约功耗并降低等待时间。

图10是图示了根据本发明实施例的LDPC码的性能的图表。

作为示例，在图10中，与SNR相比地示出了具有码率0.25的QC-LDPC码的性能。为了计算实验的目的，已假设了执行QPSK（正交相移键控）调制和50次重复解码的基于LLR（对数似然率）的和积算法。

其间，图10还图示了具有码率0.25和码字长度64800的DVB-T2/S2系统中使用的LDPC码，以示出根据本发明重新设计的LDPC码的卓越性能。此外，下面的表2示出了在BER(比特误差概率)=2×10^-6处从对于地面云广播设计的LDPC码的香农极限滋生的性能差距，而表3示出了与PCM中1的数目成比例的LDPC码的复杂度。

[表2]

长度(N)	香农极限[SNR，dB]	与极限的差距[dB]
			8192	-3.804	1.29
16384	-3.804	0.99
			32768	-3.804	0.79
65536	-3.804	0.6
			DVB(64800)	-3.804	1.29

[表3]

长度(N)	PCM中的一的数目
		8192	36,352
16384	72,736
		32768	145,504
65536	291,040

DVB(64800)

194,399

参考图10以及表2和3，在根据本发明重新设计的LDPC码中，具有码字长度65536的LDPC码比具有码字长度64800的DVB-T2/S2系统的LDPC码的性能好大约0.69dB但是复杂度高大约50%。然而，具有码字长度16384和32768的LDPC码比具有码字长度64800的DVB-T2/S2系统的LDPC码的性能分别好大约0.3dB和大约0.5dB但是复杂度分别低大约63%和大约25%。此外，根据本发明重新设计的LDPC码（当它们的码字长度是8192、16384、32768、和65536时）在BER=2×10^-6处与香农极限隔开大约1.29dB、大约0.99dB、大约0.79dB和大约0.6dB。

图11是图示了根据本发明实施例的解码LDPC码字的方法的流程图。

参考图11，根据本发明的LDPC解码器，当接收到LDPC码字时（1110），使用通过组合比参考值（例如，0.5）具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的奇偶校验矩阵，来对接收的LDPC码字进行解码（1120）。这时，如图3中所示，奇偶校验矩阵可包括零矩阵Z、单位矩阵D、和双对角矩阵B。在该双对角矩阵B中，构成该双对角线的单元矩阵是单位矩阵，而剩余单元矩阵可以是零矩阵。构成该对角矩阵B的双对角线的单元矩阵可以与构成单位矩阵D的对角线的单元矩阵连续。

图12是图示了根据本发明实施例的LDPC编码器和LDPC解码器的框图。

参考图12，作为示例，根据本发明的LDPC编码器1210可包括输入单元1212、确定单元1214、和编码单元1216。LDPC解码器1220可包括接收单元1222和解码单元1224。

输入单元1212接收要编码的信息。

确定单元1214确定LDPC码的码率，并取决于确定的码率来确定双对角矩阵的尺寸。

编码单元1216通过使用具有该确定单元1214所确定的码率的奇偶校验矩阵来利用LDPC码字对通过输入单元1212输入的信息进行编码。这里，奇偶校验矩阵可包括零矩阵和循环置换矩阵。

其间，作为示例，奇偶校验矩阵可具有这样的结构，其中组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵。这里，参考值可以是例如0.5。它可包括零矩阵、单位矩阵、和双对角矩阵。特别是，奇偶校验矩阵可具有图3中示出的结构，并且在这样的情况下，第一奇偶校验矩阵可包括双对角矩阵B，而第二奇偶校验矩阵可包括单位矩阵D。在该双对角矩阵B中，构成双对角线的单元矩阵可以是单位矩阵，而剩余单元矩阵可以是零矩阵。构成双对角线的单元矩阵可以与构成单位矩阵D的对角线的单元矩阵连续。

作为示例，编码单元1216可通过使用通过输入单元1212输入的信息和第一奇偶校验矩阵计算第一奇偶部分、并通过基于输入信息和计算的第一奇偶部分使用第二奇偶校验矩阵计算第二奇偶部分，而利用LDPC码字编码输入信息。

编码单元1216所编码的LDPC码字可包括与通过输入单元1212输入的信息对应的系统部分、与双对角矩阵对应的第一奇偶部分、和与单位矩阵对应的第二奇偶部分。

其间，解码器1220的接收单元1222接收通过奇偶校验矩阵编码的LDPC码字。接收单元1222所接收的LDPC码字可包括系统部分、第一奇偶部分、和第二奇偶部分。

如图3中所示，解码单元1224使用图3中示出的奇偶校验矩阵来对接收单元1222所接收的LDPC码字进行解码。

尽管已描述了本发明的示范实施例，但是本发明不限于此，并且可对其进行各种修改或变型，而不脱离本发明的范围。不提供这里描述的实施例来限制本发明而是描述本发明，并且本发明不限于此。本发明的范围应在所附权利要求中解释，并且本发明的等效内的精神应被解释为包括在本发明的范围中。

Claims (20)

1.一种用于基于LDPC（低密度奇偶校验）来编码输入信息的方法，该方法包括：

接收信息；和

使用奇偶校验矩阵利用LDPC码字来编码该输入信息，其中该奇偶校验矩阵具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

2.根据权利要求1的方法，其中该奇偶校验矩阵包括零矩阵、单位矩阵、和双对角矩阵。

3.根据权利要求2的方法，其中所编码的LDPC码字包括与输入信息对应的系统部分、与双对角矩阵对应的第一奇偶部分、和与单位矩阵对应的第二奇偶部分。

4.根据权利要求3的方法，其中所述编码步骤包括：

使用该第一奇偶校验矩阵和该输入信息来计算该第一奇偶部分；和

基于该输入信息和所计算的第一奇偶部分，使用该第二奇偶校验矩阵来计算该第二奇偶部分。

5.根据权利要求2的方法，其中该双对角矩阵的单元矩阵构成双对角线并且是单位矩阵，而该双对角矩阵的剩余单元矩阵是零矩阵。

6.根据权利要求2的方法，其中构成双对角线的双对角矩阵的单元矩阵与构成该单位矩阵的对角线的单元矩阵连续。

7.根据权利要求2的方法，进一步包括，在所述编码步骤之前，

确定LDPC码的码率；和

根据确定的码率来确定该双对角矩阵的尺寸。

8.根据权利要求1的方法，其中该奇偶校验矩阵包括零矩阵和循环置换矩阵。

9.一种LDPC编码器，包括：

输入单元，用于接收信息；和

编码单元，用于使用奇偶校验矩阵利用LDPC码字来编码该输入信息，其中该奇偶校验矩阵具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

10.根据权利要求9的LDPC编码器，其中该奇偶校验矩阵包括零矩阵、单位矩阵、和双对角矩阵。

11.根据权利要求10的LDPC编码器，其中所编码的LDPC码字包括与输入信息对应的系统部分、与双对角矩阵对应的第一奇偶部分、和与单位矩阵对应的第二奇偶部分。

12.根据权利要求11的LDPC编码器，其中所述编码单元通过使用该第一奇偶校验矩阵和该输入信息来计算该第一奇偶部分；并通过基于该输入信息和所计算的第一奇偶部分，使用该第二奇偶校验矩阵来计算该第二奇偶部分，而编码该输入信息。

13.根据权利要求10的LDPC编码器，其中该双对角矩阵的单元矩阵构成双对角线并且是单位矩阵，而该双对角矩阵的剩余单元矩阵是零矩阵。

14.根据权利要求10的LDPC编码器，其中构成双对角线的双对角矩阵的单元矩阵与构成该单位矩阵的对角线的单元矩阵连续。

15.根据权利要求10的LDPC编码器，进一步包括确定单元，用于确定LDPC码的码率；并根据确定的码率来确定该双对角矩阵的尺寸。

16.根据权利要求9的LDPC编码器，其中该奇偶校验矩阵包括零矩阵和循环置换矩阵。

17.一种通过LDPC（低密度奇偶校验）解码器来解码LDPC码的方法，该方法包括：

接收通过奇偶校验矩阵编码的LDPC码字；和

使用该奇偶校验矩阵对接收的LDPC码字进行解码，其中该奇偶校验矩阵具有通过组合比参考值具有较高码率的LDPC码的第一奇偶校验矩阵和比参考值具有较低码率的LDPC码的第二奇偶校验矩阵而获得的结构。

18.根据权利要求17的方法，其中该奇偶校验矩阵包括零矩阵、单位矩阵、和双对角矩阵。

19.根据权利要求18的方法，其中所编码的LDPC码字包括与输入信息对应的系统部分、与双对角矩阵对应的第一奇偶部分、和与单位矩阵对应的第二奇偶部分。

20.根据权利要求18的方法，其中该奇偶校验矩阵包括零矩阵和循环置换矩阵。