TWI702802B

TWI702802B - 基於低密度奇偶檢查碼的編碼器、解碼器、編碼方法及解碼方法

Info

Publication number: TWI702802B
Application number: TW108137895A
Authority: TW
Inventors: 施智懷; 黃昱銘; 李祥邦; 張錫嘉
Original assignee: 旺宏電子股份有限公司
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-08-21
Also published as: TW202118238A

Abstract

本發明揭露一種基於低密度奇偶檢查碼的編碼器、解碼器、編碼方法及解碼方法。編碼方法包括：藉由一編碼器接收一待編碼訊息；藉由編碼器依據一第一編碼規則及待編碼訊息產生一第一部分碼字，其中第一編碼規則為用以產生低密度奇偶檢查碼的一編碼規則；藉由編碼器依據不同於第一編碼規則的一第二編碼規則及第一部分碼字中的一複驗區段產生一第二部分碼字；以及藉由編碼器合成第一部分碼字及第二部分碼字以產生一碼字。對應於第一編碼規則的複數個陷阱集於複驗區段中包括至少一個錯誤位元。

Description

基於低密度奇偶檢查碼的編碼器、解碼器、編碼方法及解碼方法

本發明是有關於一種基於低密度奇偶檢查碼的編碼器、解碼器、編碼方法及解碼方法。

低密度奇偶檢查 (Low-Density Parity-Check code，LDPC)碼是一種線性的錯誤更正碼，廣泛地被運用在通訊系統及記憶體裝置的錯誤更正機制中。然而，即便LDPC碼的錯誤更正能力勝過代數碼(algebraic code)，在原始位元錯誤率(raw bit error rate，RBER)非常低的情況下LDPC碼的錯誤更正能力仍舊不夠優秀。

本發明實施例係揭露一種基於低密度奇偶檢查碼的編碼器，包括一第一編碼單元、一第二編碼單元及一合成單元。第一編碼單元用以接收一待編碼訊息，並依據一第一編碼規則及待編碼訊息產生一第一部分碼字，其中第一編碼規則是用以產生低密度奇偶檢查碼的一編碼規則。第二編碼單元耦接至第一編碼單元，用以接收第一部分碼字，並依據不同於第一編碼規則的一第二編碼規則及第一部分碼字的一複驗區段產生一第二部分碼字。合成單元耦接至第一編碼單元及第二編碼單元，用以合成第一部分碼字及第二部分碼字以產生一碼字。對應於第一編碼規則的多個陷阱集於複驗區段中包括至少一個錯誤位元。

本發明實施例係揭露一種基於低密度奇偶檢查碼的解碼器，包括一第一解碼單元及一第二解碼單元。第一解碼單元用以接收一碼字，擷取碼字的一第一部份碼字，並依據一第一解碼規則解碼第一部分碼字，以及判斷解碼第一部份碼字是否成功，其中第一解碼規則是用以解碼低密度奇偶檢查碼的一解碼規則。第二解碼單元耦接至第一解碼單元，用以當第一解碼單元判斷解碼第一部分碼字失敗時，接收第一解碼單元處理後的碼字，擷取碼字的一第二部分碼字，依據不同於第一解碼規則的一第二解碼規則解碼第二部分碼字，依據解碼第二部分碼字的一結果更正第一部分碼字的一複驗區段，以及將複驗區段被更正後的第一部分碼字傳送至第一解碼單元再次進行解碼。對應於第一解碼規則的多個陷阱集於複驗區段中包括至少一個錯誤位元。

本發明實施例係揭露一種基於低密度奇偶檢查碼的編碼方法，包括：藉由一編碼器接收一待編碼訊息；藉由編碼器依據一第一編碼規則及待編碼訊息產生一第一部分碼字，其中第一編碼規則為用以產生低密度奇偶檢查碼的一編碼規則；藉由編碼器依據不同於第一編碼規則的一第二編碼規則及第一部分碼字中的一複驗區段產生一第二部分碼字；以及藉由編碼器合成第一部分碼字及第二部分碼字以產生一碼字。對應於第一編碼規則的多個陷阱集於複驗區段中包括至少一個錯誤位元。

本發明實施例係揭露一種基於低密度奇偶檢查碼的解碼方法，包括：藉由一解碼器接收一碼字；藉由解碼器擷取碼字的一第一部分碼字，依據一第一解碼規則解碼第一部分碼字，其中第一解碼規則為用以解碼低密度奇偶檢查碼的一解碼規則；藉由解碼器判斷是否成功解碼；當判斷解碼失敗，藉由解碼器擷取碼字的一第二部分碼字，依據一第二解碼規則解碼第二部分碼字；藉由解碼器依據解碼第二部分碼字得到的一結果更正第一部分碼字的一複驗區段；以及藉由解碼器依據第一解碼規則解碼複驗區段已被更正的第一部分碼字。其中對應於第一解碼規則的多個陷阱集於複驗區段中包括至少一個錯誤位元。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

請參照第1圖，第1圖繪示依據本發明一實施例的基於低密度奇偶檢查(Low-Density Parity Check，LDPC)碼的編碼/解碼系統的方塊圖。編碼/解碼系統10包括一編碼器20以及一解碼器30。編碼器20被配置為用以依據基於LDPC碼的一編碼演算法將一待編碼訊息IF編碼為一碼字(codeword)，並通過通道40將碼字傳送至解碼器30。解碼器30被配置為用以依據基於LDPC碼的一解碼演算法將碼字解碼為一解碼後訊息DeIF。編碼器20、解碼器30、編碼演算法及解碼演算碼將於下文中詳述。

說明編碼器20、解碼器30及編碼演算法、解碼演算碼之前，於此將先針對LDPC碼所面臨的問題進行說明。請參照第2圖所示的LDPC碼的陷阱集(trapping set)的示意圖。基於一個特定LDPC編碼規則產生的碼字在通過通道傳送的過程中以及解碼器在接收時可能因各種原因產生錯誤位元。有些包含有錯誤的碼字(以下稱之為錯誤圖樣)可藉由解碼器在疊代的過程中成功更正並解出正確的訊息，而有些錯誤圖樣則因LDPC碼機制的關係無法在疊代的過程中被更正使得正確的訊息無法被解出。這些無法被更正的錯誤圖樣所形成的集合稱之為該特定LDPC編碼規則的陷阱集。亦即，在傳統的LDPC碼中，落在陷阱集內的錯誤圖樣無法藉由LDPC解碼器予以更正。這將導致當原始位元錯誤率(raw bit error rate，RBER)很低時，傳統的LDPC編碼的錯誤更正能力難以進一步的提升。在第2圖的例子中，一個完成編碼後得到的碼字包括十個位元。對應的陷阱集包括TP1~TP5，其中正確的位元以白色的圓圈表示，錯誤的位元以黑色的圓圈表示。

請參照第3圖，第3圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的編碼器的方塊圖。編碼器20包括一第一編碼單元201、一第二編碼單元203以及一合成單元205。

第一編碼單元201被配置為用以接收待編碼訊息IF，並依據一第一編碼規則以及待編碼訊息IF產生一第一部分碼字CW1，其中第一編碼規則是用以產生LDPC碼的編碼規則。換句話說，待編碼訊息IF經過第一編碼單元201編碼後產生的第一部分碼字CW1是LDPC碼字。需要注意的是，LDPC碼的編碼規則為本領域通常知識者所熟知，於此不加以贅述。

第二編碼單元203耦接至第一編碼單元203，被配置為用以接收第一部分碼字CW1，並依據一第二編碼規則以及第一部分碼字CW1中的一複驗區段產生一第二部分碼字CW2，其中第二編碼規則不同於第一編碼規則，例如第二編碼規則可用以產生Bose–Chaudhuri–Hocquenghem碼(BCH code)的編碼規則。在其他實施例中，第二編碼規則也可以是用以產生循環冗餘校驗碼(Cyclic redundancy check，CRC)、校驗和(check sum)、里德-索羅門碼(Reed-solomon code，RS-code)及渦輪碼(Turbo code)的編碼規則。所謂「複驗區段」指的是第一部分碼字CW1的部分位元所組成的區段，組成複驗區段的位元可以是連續的或是不連續的。複驗區段是依據對應於第一編碼規則的陷阱集來決定，且對應於第一編碼規則的各個陷阱集於複驗區段中包括至少一個錯誤位元。複驗區段的長度小於第一部分碼字CW1的長度。

為了更清楚瞭解如何設定複驗區段，將以第2圖的例子來進行說明。假設對應於第一編碼規則的陷阱集為第2圖所示的陷阱集。在一實施例中，複驗區段可設定為第一部分碼字CW1的第八位元至第十位元，即連續的三個位元。從第2圖的陷阱集中可看出，陷阱集TP1在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP2在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP3在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP4在複驗區段中有二個錯誤位元，陷阱集TP5在複驗區段中有一個錯誤位元，即決定複驗區段的條件有被滿足。在另一實施例中，複驗區段可設定為由第一部分碼字CW1的第二位元及第八位元所組成，即不連續的二個位元。從第2圖的陷阱集中可看出，陷阱集TP1在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP2在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP3在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP4在複驗區段中有一個錯誤位元，陷阱集TP5在複驗區段中有一個錯誤位元，即決定複驗區段的條件有被滿足。

值得一提的是，編碼設計者在決定第一編碼規則之後，可以藉由分析第一部分碼字CW1可能出現的錯誤圖樣來得到對應於第一編碼規則的陷阱集，再藉由分析陷阱集來決定複驗區段。因此，複驗區段可以預先設定於第二編碼單元203之中。

合成單元205耦接至第一編碼單元201及第二編碼單元203，被配置用以依據第一部分碼字CW1及第二部分碼字CW2產生一碼字CW。在一實施例中，合成單元205可將第二部分碼字CW2連接於第一部分碼字CW1之後以產生碼字CW。在另一實施例中，合成單元205可將第一部分碼字CW1連接於第二部分碼字CW2之後以產生碼字CW。在又一實施例中，合成單元205可將第二部分碼字CW2插入至第一部分碼字CW1之中以產生碼字CW。

請參照第4圖，第4圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的編碼演算法的流程圖。第4圖將編碼器20所使用的編碼演算法繪製成流程圖以方便理解。

在步驟S401中，接收一待編碼訊息。

在步驟S403中，依據一第一編碼規則將待編碼訊息編碼為一第一部分碼字，其中第一編碼規則為LDPC碼編碼規則。

在步驟S405中，依據一第二編碼規則將第一部分碼字中的一複驗區段編碼為一第二部分碼字，其中第二編碼規則不同於第一編碼規則。

在步驟S407中，合成第一部分碼字與第二部分碼字以產生一碼字。

碼字CW在經過通道40後由解碼器30接收。以下將針對解碼器30的細節進行說明。

解碼器30包括第一解碼單元301以及一第二解碼單元303。第一解碼單元301被配置用以擷取碼字CW中的第一部分碼字CW1，並依據對應於第一編碼規則的一第一解碼規則解碼第一部分碼字CW1。由於碼字CW在經過通道40後可能因雜訊等因素造成部分位元錯誤。當第一解碼單元301無法成功解碼第一部分碼字CW1時，會判定解碼失敗。當第一解碼單元301可成功解碼第一部分碼字CW1時，會判定解碼成功，且經過解碼的第一部分碼字CW1會被當作解碼後訊息DeIF輸出。在一實施例中，縱使判斷解碼失敗，第一解碼單元301仍可以在解碼的過程中更正第一部分碼字CW1中部分的錯誤位元，而剩餘無法被更正的錯誤位元形成的錯誤圖樣很可能落於陷阱集之中。在判定解碼失敗後，第一解碼單元301會將包括有經過初步更正的第一部分碼字CW1的碼字CW傳送至第二解碼單元303。

第二解碼單元303耦接至第一解碼單元301，被配置用以接收來自第一解碼單元301的包括有經過初步更正的第一部分碼字CW1的碼字CW，擷取碼字CW中的第二部分碼字CW2，並依據對應於第二編碼規則的一第二解碼規則解碼第二部分碼字CW2，以及依據解碼第二部分碼字CW2得到的一結果更正第一部分碼字CW1的複驗區段。當解碼第二部分碼字CW2時有發現複驗區段存在錯誤位元，則第二解碼單元303可依據解碼第二部分碼字CW2所得到的結果針對確定複驗區段中的錯誤位元並進行更正。當解碼第二部分碼字CW2時未發現複驗區段存在錯誤位元，則第二解碼單元303不更動複驗區段。由於各個陷阱集在複驗區段中包括至少一個錯誤位元，故當經過初步更正的第一部分碼字CW1的錯誤圖樣是落於陷阱集時，第二解碼單元303可以更正複驗區段中的錯誤位元，使得經過第二解碼單元303更正後的第一部分碼字CW1的錯誤圖樣不再落於陷阱集。

經過第二解碼單元303處理後的碼字CW會被傳送至第一解碼單元301。第一解碼單元301被配置用以擷取經過第二解碼單元303處理後的碼字CW中的第一部分碼字CW1，並依據第一解碼規則解碼第一部分碼字CW1。由於經過第二解碼單元303處理後的第一部分碼字CW1可能不再落於陷阱集中，第一解碼單元301便有可能成功解碼第一部分碼字CW1，並將解碼後的第一部分碼字CW1作為解碼後訊息DeIF輸出。倘若第一解碼單元301仍無法成功解碼第一部分碼字CW1，則會判定解碼確認失敗並結束解碼程序。需要注意的是，由於藉由分析所得到的陷阱集不保證包括所有會造成第一解碼單元301無法成功解碼第一部分碼字CW1的錯誤圖樣，故經過第二解碼單元303處理後的第一部分碼字CW1的錯誤圖樣可能是屬於未被分析出的陷阱集而使得解碼確認失敗。即便如此，上述的編碼器及解碼器仍能夠解決已分析出的陷阱集所造成第一部分碼字CW1無法被成功解碼的情況，使得錯誤被更正的機率提高。

請參照第6圖，第6圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的解碼演算法的流程圖。第4圖將解碼器30所使用的解碼演算法繪製成流程圖以方便理解。

在步驟S601中，接收一碼字。

在步驟S603中，擷取碼字的一第一部分碼字，依據一第一解碼規則解碼第一部分碼字。

在步驟S605中，判斷是否成功解碼。若成功解碼，進行步驟S607；若無法成功解碼，進行步驟S609。

在步驟S607中，將解碼後的第一部分碼字作為解碼後訊息輸出。

在步驟S609中，擷取碼字的一第二部分碼字，依據一第二解碼規則解碼第二部分碼字。

在步驟S611中，依據解碼第二部分碼字得到的一結果更正第一部分碼字的一複驗區段。

在步驟S613中，依據第一解碼規則解碼複驗區段已被更正的第一部分碼字。

在步驟S615中，判斷是否成功解碼。若成功解碼，進行步驟S617；若無法成功解碼，結束本流程。

在步驟S617中，將解碼後的第一部分碼字作為解碼後訊息輸出。

本發明藉由編碼器基於第一部分碼字(LDPC碼)的複驗區段產生第二部分碼字來為複驗區段的正確性提供第二層的保護。當解碼器的第一解碼單元(用以解碼LDPC碼)無法成功解碼第一部分碼字時，解碼器可藉由第二解碼單元基於第二部分碼字來檢驗複驗區段的正確性並更正複驗區段的錯誤位元。當複驗區段的錯誤位元被更正，第一解碼單元便可能基於正確的複驗區段連鎖地將第一部份碼字中的其他錯誤一併更正而成功解碼。因此，本發明可在增加少量代價的情況下，有效降低陷阱集造成的解碼失敗，進而提高整體編碼/解碼系統的錯誤更正能力。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:編碼/解碼系統 20:編碼器 30:解碼器 40:通道 201:第一編碼單元 203:第二編碼單元 205:合成單元 301:第一解碼單元 303:第二解碼單元 TP1~TP5:陷阱集 S401~S617:步驟

第1圖繪示依據本發明一實施例的基於低密度奇偶檢查(Low-Density Parity Check，LDPC)碼的編碼/解碼系統的方塊圖。第2圖繪示LDPC碼的陷阱集(trapping set)的示意圖。第3圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的編碼器的方塊圖。第4圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的編碼演算法的流程圖。第5圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的解碼器的方塊圖。第6圖繪示依據本發明一實施例的基於LDPC碼的解碼演算法的流程圖。

S401~S407:步驟

Claims

一種基於低密度奇偶檢查碼的編碼器，包括：一第一編碼單元，用以接收一待編碼訊息，並依據一第一編碼規則及該待編碼訊息產生一第一部分碼字，其中該第一編碼規則是用以產生低密度奇偶檢查碼的一編碼規則；一第二編碼單元，耦接至該第一編碼單元，用以接收該第一部分碼字，並依據不同於該第一編碼規則的一第二編碼規則及該第一部分碼字的一複驗區段產生一第二部分碼字；以及一合成單元，耦接至該第一編碼單元及該第二編碼單元，用以合成該第一部分碼字及該第二部分碼字以產生一碼字，其中對應於該第一編碼規則的複數個陷阱集於該複驗區段中包括至少一個錯誤位元。
如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中第二編碼規則是用以產生BCH碼的一編碼規則。
如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中連續的複數個位元。
如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中不連續的複數個位元。
如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該複驗區段的長度小於該第一部分碼字的長度。
一種基於低密度奇偶檢查碼的解碼器，包括：一第一解碼單元，用以接收一碼字，擷取該碼字的一第一部份碼字，並依據一第一解碼規則解碼該第一部分碼字，以及判斷解碼該第一部份碼字是否成功，其中該第一解碼規則是用以解碼低密度奇偶檢查碼的一解碼規則；一第二解碼單元，耦接至該第一解碼單元，用以當該第一解碼單元判斷解碼該第一部分碼字失敗時，接收該第一解碼單元處理後的該碼字，擷取該碼字的一第二部分碼字，依據不同於該第一解碼規則的一第二解碼規則解碼該第二部分碼字，依據解碼該第二部分碼字的一結果更正該第一部分碼字的一複驗區段，以及將該複驗區段被更正後的該第一部分碼字傳送至該第一解碼單元再次進行解碼，其中對應於該第一解碼規則的複數個陷阱集於該複驗區段中包括至少一個錯誤位元。
如申請專利範圍第6項所述之解碼器，其中第二編碼規則是用以解碼BCH碼的一解碼規則。
如申請專利範圍第6項所述之解碼器，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中連續的複數個位元。
如申請專利範圍第6項所述之解碼器，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中不連續的複數個位元。
如申請專利範圍第6項所述之解碼器，其中該複驗區段的長度小於該第一部分碼字的長度。
一種基於低密度奇偶檢查碼的編碼方法，包括：藉由一編碼器接收一待編碼訊息；藉由該編碼器依據一第一編碼規則及該待編碼訊息產生一第一部分碼字，其中該第一編碼規則為用以產生低密度奇偶檢查碼的一編碼規則；藉由該編碼器依據不同於該第一編碼規則的一第二編碼規則及該第一部分碼字中的一複驗區段產生一第二部分碼字；以及藉由該編碼器合成該第一部分碼字及該第二部分碼字以產生一碼字，其中對應於該第一編碼規則的複數個陷阱集於該複驗區段中包括至少一個錯誤位元。
如申請專利範圍第11項所述之編碼方法，其中第二編碼規則是用以產生BCH碼的一編碼規則。
如申請專利範圍第11項所述之編碼方法，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中連續的複數個位元。
如申請專利範圍第11項所述之編碼方法，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中不連續的複數個位元。
如申請專利範圍第11項所述之編碼方法，其中該複驗區段的長度小於該第一部分碼字的長度。
一種基於低密度奇偶檢查碼的解碼方法，包括：藉由一解碼器接收一碼字；藉由該解碼器擷取該碼字的一第一部分碼字，依據一第一解碼規則解碼第一部分碼字，其中該第一解碼規則為用以解碼低密度奇偶檢查碼的一解碼規則；藉由該解碼器判斷是否成功解碼；當判斷解碼失敗，藉由該解碼器擷取該碼字的一第二部分碼字，依據一第二解碼規則解碼該第二部分碼字；藉由該解碼器依據解碼該第二部分碼字得到的一結果更正該第一部分碼字的一複驗區段；以及藉由該解碼器依據該第一解碼規則解碼該複驗區段已被更正的該第一部分碼字，其中對應於該第一解碼規則的複數個陷阱集於該複驗區段中包括至少一個錯誤位元。
如申請專利範圍第16項所述之解碼方法，其中第二編碼規則是用以解碼BCH碼的一解碼規則。
如申請專利範圍第16項所述之解碼方法，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中連續的複數個位元。
如申請專利範圍第16項所述之解碼方法，其中該複驗區段包括該第一部分碼字中不連續的複數個位元。
如申請專利範圍第16項所述之解碼方法，其中該複驗區段的長度小於該第一部分碼字的長度。