全球数字广播系统中的LDPC分层信道编解码实现方法

摘要

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。

说明书

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止交幅度调制(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$x_i={[x_{i,1},x_{i,2},......,x_{i,L_i}]}^T$代表原始信息序列，

y_i：向量$y_i={[y_{i,1},y_{i,2},......,y_{i,N_i}]}^T$代表编码后序列，

I_i：向量$I_i=[I_{i,1},I_{i,2},......I_{L_i}]$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$x_i=\{y_{i,I_{i,1}},y_{i,I_{i,2}},......y_{i,I_{i,L_i}}\},$

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$H_i\times G_i=I_{L_i\times L_i},$

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，每幀按照第一层1554bit，第二层3108bit，第三层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$y_i={[y_{i,0},y_{i,1},......y_{i,N_i}]}^T$将数据分成y₁，y₂，y₃三层；

步骤(3)第n次第i层迭代开始，

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′...y₁′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；

步骤(8)如果i+1＜＝最大层数，i＝i+1跳转到2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＝1，n＝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，第一层1554bit，第二层3108bit，第三层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$y_i={[y_{i,0},y_{i,1},......y_{i,N_i}]}^T$将对应标准星座点数据分成y₁，y₂，y₃三层。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：

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＝i+1跳转到2进入下一层的解码循环。

如果i+1＞最大层数，且C₁＝0，C2＝0，C₂＝0，则整个解码结束。

否则，i＝1，n＝n+1，进入下一次迭代。

当n＞10时强行结束迭代过程。