低密度奇偶校驗編碼的qpsk/8psk系統的交織方案的制作方法

專利名稱：：低密度奇偶校驗編碼的qpsk/8psk系統的交織方案的制作方法
技術領域：
：本發明涉及在正交相移鍵控("QPSK")/8PSK調制系統中交織低密度奇偶校驗("LDPC")編碼的比特。具體地說，通過基于不同的比特度(bitdegree)分配確定調制碼元的比特，能夠有效地在所使用的LDPC碼提供的差錯性能和差錯平底(errorfloor)之間找到需要的折中。
背景技術：
：在YanLi和WilliamRyan所著，發表于IEEECommunicationsLetters,vol.9，no.1，January2005的"Bit-ReliabilityMappinginLDPC-CodesModulationsystems,"(LDPC碼調制系統中的比特可靠性映射)中，作者研究了釆用8PSK的LDPC編碼的調制系統的性能。利用建議的比特可靠性映射策略，實現了超過非交織方案大約0.15dB的性能改進。作者還使用被稱為EXIT圖表的分析工具解釋了這個改進的原因。在該交織方案中，考慮了一種交織方法，結果表明該方法提供了比非交織系統更好的性能，也就是，在比特可靠性映射方案中，將低可靠性的LDPC碼比特映射到低階的調制比特，且將較可靠的比特映射到高階的比特。前向差錯控制(FEC)編碼對于通信系統保證數據經噪聲信道的可靠傳輸非常重要。基于番農的理論，這些信道在確定的信噪比(SNR)下具有以比特每碼元表示的確定的容量，這被定義為香農限(Shaimonlimit)。通信和編碼理論中最重要的研究領域之一是設計以合理的復雜度提供逼近香農限的性能的編碼方案。己經表明使用置信傳播(BP)解碼的LDPC碼具有可控的編碼和解碼復雜度，并能夠提供接近香農限的性能。LDPC碼最初在1960年由GaUager描述。LDPC碼的性能非常逼近香農限。具有碼長度N和維度K的(N，K)二進制的LDPC碼由(N-K)行和N列的奇偶校驗矩陣H定義。矩陣H的大多數元素是O,且僅小部分元素是l，因此矩陣H是稀疏的。矩陣H的每行表示校驗和，且每列表示變量，例如，比特或碼元。由Gallager描述的LDPC碼是規則的，也就是，奇偶校驗矩陣H具有恒定的行重和列重。規則的LDPC碼能被擴展到非規則的LDPC碼，其行重和列重是變化的。非規則的LDPC碼由分別定義變量節點和校驗節點度分布的度分布多項式(degreedistributionpolynomial)v(x)和c(x)來指定。更加具體地說，令小)=》,卜1禾口其中變量《max和《n^分別是最大變量節點度和校驗節點度，且力(。.)表示從度數為j的變量(校驗)節點發出的邊(edge)的分數(fraction)。雖然非規則LDPC碼在表示和/或實現上更加復雜，但是理論上和經驗上已經顯示出具有適當選擇的度分布的非規則LDPC碼優于規則LDPC碼。圖1舉例說明了碼字長度為6的非規則LDPC碼的奇偶校驗矩陣圖。LDPC碼還可由二分圖、或Tanner圖來表示。在Tanner圖中，被稱為變量節點(或比特節點)的一組節點對應于碼字的比特，而被稱為約束節點(或校驗節點)的另一組節點對應于定義LDPC碼的一組奇偶校驗約束。比特節點和校驗節點存在連接邊。如果比特節點和校驗節點具有連接邊，則認為它們是鄰近或相鄰的。通常，假定一對節點由不多于一條的邊來連接。圖2說明了如圖1所示的非規則LDPC碼的二分圖表示。由圖1表示的LDPC碼的碼字長度是6并具有4個奇偶校驗。如圖1所示，在LDPC碼的奇偶校驗矩陣表示中存在總共9個1。因此，在如圖2的Tanner圖表示中，6個比特節點201由9條邊203連接到4個校驗節點202。LDPC碼能以多種方式來解碼，比如多數邏輯解碼和迭代解碼。因為其奇偶校驗矩陣的結構，LDPC碼是可多數邏輯解碼的。雖然多數邏輯解碼需要最小的復雜度，且對于在奇偶校驗矩陣中具有相對較高的列權重的一些類型的LDPC碼(例如，歐幾里得幾何LDPC碼和投影幾何LDPC碼)表現出相當不錯解碼性能，但迭代解碼方法卻因為它們能夠在復雜度與性能之間獲得更好的折中而得到了更多的注意。與多數邏輯解碼不同，迭代解碼基于定義碼型的約束條件，通過對所接收碼元的回溯處理來提高每個碼元的可靠性。在第一次迭代中，迭代解碼器僅使用信道輸出作為輸入，對每個碼元產生可靠性輸出。隨后，將每次解碼迭代過程結束時對解碼碼元輸出的可靠性度量結果用作下一次迭代的輸入。該解碼過程直到滿足一定的停止條件時結束。此后基于對最后一次迭代的解碼碼元輸出的可靠性度量做出最后判決。根據在每次迭代時使用的可靠性度量的不同特征，迭代解碼算法可被進一步劃分為硬判決、軟判決和混合判決算法。對應的常用算法分別是迭代比特翻轉(BF)、置信傳播(BP)和加權比特翻轉(WBF)解碼算法。已經證明當相應的Taimer圖是非循環時，BP算法能夠實現最大似然解碼，因而該算法成為最流行的解碼方法。下面描述的本發明中將只討論LDPC碼的BP解碼。LDPC碼的BP是一種信息傳遞解碼。沿著圖的邊發送的信息是和對應于碼字比特的變量節點相關聯的對數似然比(LLR)log,。在這個表達式中，P。和A分別表示相關比特取值0和1的概率。B^解碼包括兩個步驟水平步驟和垂直步驟。在水平步驟中，每個校驗節點Cm將基于除來自比特、以外的所有進入校驗Q的"比特-到-校驗"信息計算得出的"校驗-到-比特"信息發送到相鄰節點&。在垂直步驟中，每個比特節點&將基于除來自校驗節點cm以外的所有進入比特&的"校驗-到-比特"信息計算得出的"比特-到-校驗"信息發送到相鄰的校驗節點。重復這兩個步驟直到找到可用的碼字或達到最大的迭代次數。因為BP解碼的顯著性能，非規則LDPC碼對很多應用都是最好的選擇之一。許多通信和存儲標準，如DVB-S2/DAB、有線線路ADSL、IEEE802.11n和IEEE802.16等均已采用或正在考慮采用非規則LDPC碼。當考慮在視頻廣播系統中應用非規則LDPC碼時，人們經常遇到由于差錯平底產生的問題。LDPC解碼器的差錯平底性能區域可以由系統的差錯性能曲線來描述。LDPC解碼器系統在輸入信號的質量提高時一般表現出差錯概率快速下降。產生的差錯性能曲線通常被稱為瀑布曲線，且相應的區域被稱為瀑布區域。然而，達到某一點后，輸入信號質量提高所對應的差錯概率的下降速度趨緩，產生的平坦的差錯性能曲線被稱為差錯平底。圖3示例性地說明了包括瀑布區域301和差錯平底區域302的非規則LDPC碼的FER性能曲線。
發明內容本發明公開了一種交織方法，其中對于具有任意可靠性級別的LDPC碼比特，映射為一部分低階調制比特和一部分高階調制比特。對特定的LDPC碼結構和調制方法，能夠通過被稱為密度演化的理論算法確定低階和高階調制比特的最優劃分。在本發明的一個實施例中，提供了一種在使用FEC碼的QPSK調制系統中交織比特的數字通信系統，該系統包括能夠產生經通信信道到接收器的信號波形的發射器，該發射器具有一個產生帶有相應的信號波形的一組離散比特的信息源；和一個LDPC編碼器，該編碼器根據字符表產生信號送入信號映射器，其中的交織是一種非連續映射，能夠產生由密度演化預測得到的相應LDPC碼的最小閾值。通過仔細選擇校驗和比特節點度分布和Tammer圖結構，本發明的LDPC碼具有良好的閾值特性，能夠降低特定FER性能要求下的傳輸功率。LDPC碼的閾值被定義為最小SNR值，在該值下當碼字長度趨向無限時，可以使得比特差錯概率任意小。不同應用對于LDPC碼的閾值和差錯平底具有不同要求。因此，需要設計一種判決方法，通過該方法確定的在QPSK/8PSK系統中的映射方案能夠提供所需的閾值，同時保持差錯平底低于特定標準。本發明通過實例，而不是通過限定的方式加以說明，在附圖中，相同的參考數字表示相同的元件，在附圖中圖1是碼字長度六的示例性非規則LDPC碼的奇偶校驗矩陣表示；圖2說明了如圖1所示的非規則LDPC碼的二分圖表示；圖3說明了包括非規則LDPC碼的瀑布和差錯平底區域的示例性FER性能曲線；圖4是根據本發明實施例，采用LDPC碼和交織器的示例性通信系統；圖5說明了圖4中發射器的實例；圖6說明了圖4中接收器的實例；圖7說明了QPSK調制中的比特映射功能模塊；圖8說明了QPSK碼元的比特映射；圖9說明了8PSK調制中的比特映射功能模塊；圖IO說明了8PSK碼元的比特映射。具體實施方式雖然本發明是通過LDPC碼描述的，但是應該認識到可同樣在其它碼中使用比特標記方法(bitlabelingapproach)。另外，可以在非編碼系統中實現這個方法。圖4是根據本發明實施例，采用LDPC碼的具有交織器的通信系統的圖。該通信系統包括發射器401，該發射器產生經通信信道402發射到接收器403的信號波形。發射器401包括產生一組離散的可能的信息的信息源。這些信息均對應于某一信號波形。該波形進入信道402且被噪聲劣化。采用LDPC碼以減少由信道402引入的干擾。對于特定的LDPC碼和所需的差錯平底水平，基于某種能夠產生良好閾值的交織規則，分別在發射器401和接收器403中使用交織器和解交織器。圖5描述了圖4的通信系統中的示例性發射器，其中采用了LDPC碼和交織器。LDPC編碼器502將來自源501的信息比特編碼為LDPC碼字。從每個信息塊到每個LDPC碼字的映射由LDPC碼的奇偶校驗矩陣(或等效的生成矩陣)規定。由交織器/調制器503交織和調制LDPC碼字為信號波形。這些信號波形被發送到發射天線504并傳播到如圖6所示的接收器。圖6描述了圖4的示例性接收器，其中采用了LDPC碼和解交織器。由接收天線601接收信號波形，并分發到解調器/解交織器602。由解調器解調并由解交織器解交織信號波形，之后分發到迭代地解碼接收到的消息的LDPC解碼器603，并輸出發送的碼字的估計。由解調器/解交織器602采用的解交織規則應該與由交織器/調制器503采用的交織規則匹配。就是說，該解交織方案應該滿足交織方案的反規則(anti-rule)。對于特定的LDPC'碼和調制方案(QPSK或8PSK)，我們定義最優交織為非連續映射手段，能夠產生由密度演化預測得到的相應LDPC碼的最佳閾值。QPSK如圖7所示，QPSK比特-碼元映射電路每次獲取一對比特(b2i，b2i+l)，并將其映射為I值和Q值，其中i=0，1,2，....。該映射邏輯如圖8所示，其中理論上的星座點被定義為(/(,))=f(cos0/4),sin(;r/4))，(，62!'+1)=(O，O)cos(;r/4)，—sin(;r/4))，(,+1)=(O，l)-cos(我sin(;r/4)),(、，+1)=(l，O)一cos(;r/4),—sin(;r/4)),(,+1)=(l，l)對于z'e們C^/SW一,-l,且/mod2=0}，令(《，5+1)是確定第i個碼元的2個比特。給定LDPC碼和差錯平底水平的要求，通過密度演化分析可獲得最優交織方案。對于在###提交的"AfamilyofLDPCcodesforvideobroadcastingapplications"中具有效率1/4、2/5、%、3/5、2/3、%、4/5、5/6、13/15和9/10的LDPC碼，對于fe^02WA^,-l，且z'mod2=0}，由QPSK的密度演化預測得到的最好的交織規則是zWmod256+(z'mod8)x32十mod32々+i(i'+l)-(z'+l)mod256+((z'+l)mod8)x32+1'+1mod32，其中，W是返回小于等于x的最大整數的取整函數(floorfunction)。8PSK如圖9所示，8PSK比特-碼元映射電路每次獲取三個一組的比特(、，、+1，、+2)，并將其映射為I值和Q值，其中/=0，1,2,….。映射邏輯如圖10所示，其中理論上的星座點被定義為(/(,))=cos(;r/4)，sin(/r/4)),(0，1)，(-cos(;r/4)，sin(;r/4))，(-1,0),-cos(;r/4)，-sin(;r/4))，(0,-1)，(cos(;r/4)，-sin(;r/4))，:i，o),('》3w，W,，0，0)(~，~+1》3!+2)=(1,0,0)(~，+1，、+2)=(1,0，1)(，+1》3!+2)=(1,1,1)(.,+1，+2)=(1，1,0)(~,'+1，+2)=(0，1,0)(~，~+1，-+2)=(0,1，1)(.，63/+1》3!+2)=(0,0,1)在8PSK中，對于/e(/IOS"A^,-l,且imod3-0〉，令(5.U是確定第i個碼元的3比特。我們指定乂^以定義對于每個碼效率的比特映射的數量。給定LDPC碼和差錯平底水平的要求，通過密度演化分析可獲得最優交織方案。對于在###提交的"AfamilyofLDPCcodesforvideobroadcastingapplications"中具有效率3/5、2/3、％、4/5、5/6、13/15和9/10的LDPC碼，對于k(fl0^!'^A^,—l,且z'mod3=0}，8PSK的交織規則是200610153758.48x4+1=&8x76876835mod32+-mod8+160|x32+35mod32，32xA^a+10240modW咖—to-|mod256+|—mod8x32+在表l中羅列了比特偏移數,表1:8PSK中交織的偏移值效率W聯w3/5402/3403/4805/68813/151049/10160權利要求1.一種在QPSK調制系統中基于下面規則交織LDPC編碼比特的數字通信發射器對于i∈{i|0≤i≤Nldpc_bits-1，且imod2＝0}，其中x是返回小于或等于x的最大整數的取整函數，Nldpc_bits＝15360是所使用的LDPC碼的碼字長度。2.—種采用LDPC解碼器的數字通信接收器，它在QPSK調制模式中基于下面規則解碼交織后的LDPC編碼比特<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>對于/eI0iV,—,-1，且!'mod2=0}，其中W是返回小于或等于x的最大整數的取整函數，iV—,=15360是所使用的LDPC碼的碼字長度。3.—種計算機可讀介質，其上存儲有用于執行能夠實現QPSK調制系統中基于下面規則交織LDPC編碼比特方案的方法的計算機程序<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>對于i^lO&、Ar,一,-1，且z'mod2-0)，其中W是返回小于或等于x的最大整數的取整函數，=15360是所使用的LDPC碼的碼字長度。4.—種在8PSK調制系統中基于下面規則交織LDPC編碼比特的數字通信發射器效率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>5.字長度，并且對于不同碼率的偏移值iV。^被定義為<table>complextableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>6.—種存儲計算機程序的計算機可讀介質，該程序用于執行能夠實現8PSK調制系統中基于下面規則交織LDPC編碼比特方案的方法<table>complextableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>對于/e們0&、W,一,-1，且z'mod3-0)，其中W是返回小于或等于x的最大整數的取整函數，TV,——6fe=15360是所使用的LDPC碼的碼字長度，并且對于不同碼率的偏移值W。^被定義為<table>complextableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>全文摘要本發明提供了一種在QPSK/8PSK調制系統中對經低密度奇偶校驗(LDPC)編碼的比特進行交織的方法。通過基于不同比特度分配確定調制碼元的比特，能夠有效地在所使用中的LDPC碼提供的差錯性能和差錯平底之間得到所需要的折中。文檔編號H04L27/18GK101150551SQ200610153758公開日2008年3月26日申請日期2006年9月18日優先權日2006年9月18日發明者吳智勇,孫鳳文,張軍坦,明楊申請人:國家廣播電影電視總局廣播科學研究院;楊明;張軍坦;吳智勇;孫鳳文