專利名稱：：低密度奇偶校驗(yàn)編碼的16apsk系統(tǒng)的交織方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在16APSK調(diào)制系統(tǒng)中交織低密度奇偶校驗(yàn)("LDPC")編碼的比特。具體地說，通過基于不同的比特度(bitdegrees)分配確定調(diào)制碼元的比特，能夠有效地在由所使用的LDPC碼提供的差錯(cuò)性能和差錯(cuò)平底(errorfloor)之間找到需要的折中。相關(guān)申請本申請涉及弁弁幷弁提交的標(biāo)題為"AnInterleavingSchemeforanLDPCCodedQPSK/8PSKSystem"和弁弁弁弁提交的標(biāo)題為"AnInterleavingSchemeforanLDPCCodedQPSK/32PSKSystem"的申請，以及弁雜弁提交的"AfamilyofLDPCcodesforvideobroadcastingapplications"。
背景技術(shù)：
：在YanLi禾卩WilliamRyan所著，發(fā)表于IEEECommunicationsLetters,vol.9，no.1，January2005的"Bit-ReliabilityMappinginLDPC-CodesModulationsystems,"(LDPC碼調(diào)制系統(tǒng)中的比特可靠性映射)中，作者研究了采用8PSK的LDPC編碼的調(diào)制系統(tǒng)的性能。利用建議的比特可靠性映射策略，實(shí)現(xiàn)了超過非交織方案大約0.15dB的性能改進(jìn)。作者還使用被稱為EXIT圖表的分析工具解釋了這個(gè)改進(jìn)的原因。在該交織方案中，考慮了一種交織方法，結(jié)果表明該方法提供了比非交織系統(tǒng)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(diào)制比特，且將較可靠的比特映射到高階的比特。前向差錯(cuò)控制(FEC)編碼對于通信系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)經(jīng)噪聲信道的可靠傳輸非常重要?；谙戕r(nóng)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(nóng)限(Sha皿cmlimit)。通信和編碼理論巾最重要的研究領(lǐng)域之一是設(shè)計(jì)以合理的復(fù)雜度提供逼近香農(nóng)限的性能的編碼方案。已經(jīng)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(fù)雜度，并能夠提供接近香農(nóng)限的性能。LDPC碼最初在1960年由Gallager描述。LDPC碼的性能非常逼近香農(nóng)限。具有碼長度N和維度K的(N，K)二進(jìn)制的LDPC碼由(N-K)行和N列的奇偶校驗(yàn)矩陣H定義。矩陣H的大多數(shù)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(yàn)和，且每列表示變量，例如，比特或碼元。由Gallager描述的LDPC碼是規(guī)則的，也就是，奇偶校驗(yàn)矩陣H具有恒定的行重和列重。規(guī)則的LDPC碼能被擴(kuò)展到非規(guī)則的LDPC碼，其中行重和列重是變化的。非規(guī)則的LDPC碼由分別定義變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)度分布的度分布多項(xiàng)式(degreedistributionpolynomial)v(x)和c(x)來指定。更加具體地說，令和其中變量^max和《max分別是最大變量節(jié)點(diǎn)度和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)度，且力(。.)表示從度數(shù)為j的變量(校驗(yàn))節(jié)點(diǎn)發(fā)出的邊(edge)的分?jǐn)?shù)(fraction)。雖然非規(guī)則LDPC碼在表示和/或?qū)崿F(xiàn)上更加復(fù)雜，但是理論上和經(jīng)驗(yàn)上已經(jīng)顯示出具有適當(dāng)選擇的度分布的非規(guī)則LDPC碼優(yōu)于規(guī)則LDPC碼。圖1說明了碼字長度六的示例性非規(guī)則LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣圖。LDPC碼還可由二分圖、或Tamier圖來表示。在Tamier圖中，被稱為變量節(jié)點(diǎn)(或比特節(jié)點(diǎn))的一組節(jié)點(diǎn)對應(yīng)于碼字的比特，而被稱為約束節(jié)點(diǎn)(或校驗(yàn)節(jié)點(diǎn))的另一組節(jié)點(diǎn)對應(yīng)于定義LDPC碼的一組奇偶校驗(yàn)約束。比特節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)存在連接邊。如果比特節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)具有連接邊，則認(rèn)為它們是鄰近或相鄰的。通常，假定一對節(jié)點(diǎn)由不多于一條的邊來連接。圖2說明了如圖1所示的非規(guī)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(gè)奇偶校驗(yàn)。如圖1所示，在LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣表示中存在總共9個(gè)1。因此在如圖2的Tanner圖表示中，6個(gè)比特節(jié)點(diǎn)201由9條邊203連接到4個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)202。LDPC碼能以多種方式來解碼，比如多數(shù)邏輯解碼和迭代解碼。因?yàn)槠淦媾夹ｒ?yàn)矩陣的結(jié)構(gòu)，LDPC碼是可多數(shù)邏輯解碼的。雖然多數(shù)邏輯解碼需要最小的復(fù)雜度，且對于在奇偶校驗(yàn)矩陣中具有相對較高的列權(quán)重的一些類型的LDPC碼(例如，歐幾里得幾何LDPC和投影幾何LDPC碼)表現(xiàn)出相當(dāng)不錯(cuò)的解碼性能，但迭代解碼方法卻因?yàn)樗鼈兡軌蛟趶?fù)雜度和性能之間獲得更好的折中而得到了更多的注意。與多數(shù)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(gè)碼元的可靠性。在第一次迭代中，迭代解碼器使用信道輸出作為輸入，對每個(gè)碼元產(chǎn)生可靠性輸出。隨后，將每次解碼迭代過程結(jié)束時(shí)對解碼碼元輸出的可靠性度量結(jié)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(shí)結(jié)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(jù)在每次迭代時(shí)使用的可靠性度量的不同特征，迭代解碼算法可被進(jìn)一步劃分為硬判決、軟判決和混合判決算法。對應(yīng)的常用算法分別是迭代比特翻轉(zhuǎn)(BF)、置信傳播(BP)和加權(quán)比特翻轉(zhuǎn)(WBF)解碼算法。已經(jīng)證明當(dāng)相應(yīng)的Tanner圖是非循環(huán)時(shí)，BP算法能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)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(fā)送的信息是和對應(yīng)于碼字比特的變量節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的對數(shù)似然比(LLR)1og^。在這個(gè)表達(dá)式中，P。和A分別表示相關(guān)比特取值0和1的概率。BP解碼包括兩個(gè)步驟水平步驟和垂直步驟。在水平步驟中，每個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)^將基于除來自比特^以外的所有進(jìn)入校驗(yàn)c。,的"比特-到-校驗(yàn)"信息計(jì)算得出的"校驗(yàn)-到-比特"信息發(fā)送到相鄰節(jié)點(diǎn)6，,。在垂直步驟中，每個(gè)比特節(jié)點(diǎn)6將基于除來自校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)以外的所有進(jìn)入比特6的"校驗(yàn)-到-比特"信息計(jì)算得出的"比特-到-校驗(yàn)"信息發(fā)送到相鄰的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)、。重復(fù)這兩個(gè)步驟直到找到可用的碼字或達(dá)到最大的迭代次數(shù)。因?yàn)锽P解碼的顯著性能，非規(guī)則LDPC碼對很多應(yīng)用都是最好的選擇之一。許多通信和存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如DVB-S2/DAB、有線線路ADSL、IEEE802.11n和IEEE802.16[4][5]等均已經(jīng)采用或正在考慮采用非規(guī)則LDPC碼。當(dāng)考慮在視頻廣播系統(tǒng)中應(yīng)用非規(guī)則LDPC碼時(shí)，人們經(jīng)常遇到由于差錯(cuò)平底產(chǎn)生的問題。LDPC解碼器的差錯(cuò)平底性能區(qū)域可以由系統(tǒng)的差錯(cuò)性能曲線來描述。LDPC解碼器系統(tǒng)在輸入信號的質(zhì)量提高時(shí)一般表現(xiàn)出差錯(cuò)概率快速下降。產(chǎn)生的差錯(cuò)性能曲線通常被稱為瀑布曲線，且相應(yīng)的區(qū)域被稱為瀑布區(qū)域。然而，達(dá)到某一點(diǎn)后，輸入信號質(zhì)量提高所對應(yīng)的差錯(cuò)概率的下降速度趨緩，產(chǎn)生的平坦的差錯(cuò)性能曲線被稱為差錯(cuò)平底。圖3示例性地說明了包括瀑布區(qū)域301和差錯(cuò)平底區(qū)域302的非規(guī)則的LDPC碼的FER性能曲線。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(diào)制比特和一部分高階調(diào)制比特。對特定的LDPC碼結(jié)構(gòu)和調(diào)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(diào)制比特的最優(yōu)劃分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種在使用FEC碼的16APSK調(diào)制系統(tǒng)中交織比特的數(shù)字通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能夠產(chǎn)生經(jīng)通信信道到接收器的信號波形的發(fā)射器，該發(fā)射器具有一個(gè)產(chǎn)生帶有相應(yīng)的信號波形的一組離散比特的信息源；和一個(gè)LDPC編碼器，該編碼器根據(jù)字符表產(chǎn)生信號送入信號映射器，在映射器中的交織是一種非連續(xù)映射，能夠產(chǎn)生由密度演化預(yù)測得到的相應(yīng)LDPC碼的最小閾值。通過仔細(xì)選擇校驗(yàn)和比特節(jié)點(diǎn)度分布和Tamrner圖結(jié)構(gòu)，本發(fā)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(dāng)碼字長度趨向無限時(shí)，可以使得比特差錯(cuò)概率任意小。不同應(yīng)用對于LDPC碼的閾值和差錯(cuò)平底具有不同要求。因此，需要設(shè)計(jì)一種判決方法，通過該方法確定的在16APSK系統(tǒng)中的映射方案能夠提供所需的閾值，同時(shí)保持差錯(cuò)平底低于特定標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明通過實(shí)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(shù)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(guī)則LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣表示;圖2說明了如圖1所示的非規(guī)則LDPC碼的二分圖表示；圖3說明了包括非規(guī)則LDPC碼的瀑布和差錯(cuò)平底區(qū)域的示例性FER性能曲線；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，采用LDPC碼和交織器/解交織器的示例性通信系統(tǒng)；圖5說明了圖4中發(fā)射器的實(shí)例；圖6說明了圖4中接收器的實(shí)例；圖7說明了16APSK調(diào)制中的比特映射功能模塊；圖8說明了16APSK碼元的比特映射；具體實(shí)施方式參考附圖，給出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用LDPC碼的編碼比特映射方法和執(zhí)行這個(gè)方法的程序的詳細(xì)描述。雖然本發(fā)明是通過LDPC碼描述的，但是應(yīng)該認(rèn)識到可同樣在其它碼中使用比特標(biāo)記方法(bitlabelingapproach)。另外，可以在非編碼系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，采用LDPC碼的具有交織器的通信系統(tǒng)的圖。該通信系統(tǒng)包括發(fā)射器401，該發(fā)射器產(chǎn)生經(jīng)通信信道402發(fā)送到接收器403的信號波形。發(fā)射器401包括產(chǎn)生一組離散的可能的信息的信息源。這些信息均對應(yīng)于某一信號波形。該波形進(jìn)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(cuò)平底水平，基于某種能夠產(chǎn)生良好閾值的交織規(guī)則，分別在發(fā)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(tǒng)中的示例性發(fā)射器，其中采用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(gè)信息塊到每個(gè)LDPC碼字的映射由LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣(或等效的生成矩陣)規(guī)定。由交織器/調(diào)制器503交織和調(diào)制LDPC碼字為信號波形。這些信號波形被發(fā)送到發(fā)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LDPC碼和解交織器。由接收天線601接收信號波形，并分發(fā)到解調(diào)器/解交織器602。由解調(diào)器解調(diào)并由解交織器解交織信號波形，之后分發(fā)到迭代地解碼接收到的消息的LDPC解碼器603，并輸出發(fā)送的碼字的估計(jì)。由解調(diào)器/解交織器602采用的解交織規(guī)則應(yīng)該與由交織器/調(diào)制器503采用的交織規(guī)則匹配。就是說，該解交織方案應(yīng)該滿足交織方案的反規(guī)則(anti-rule)。對于特定的LDPC碼和16APSK調(diào)制方案，我們定義最優(yōu)交織為非連續(xù)映射手段，能夠產(chǎn)生由密度演化預(yù)測得到的相應(yīng)LDPC碼的最佳閾值。如圖7所示，該16APSK比特-到碼元映射電路每次獲取四個(gè)比特(64,，64,+1，64i+2,、+3)，并將其映射為I值和Q值，其中/=0，1，2，....。該映射邏輯如圖8所示。在16APSK中，對于z'e{/i0S"—1,且！'mod4=0}，令(5ll^)是確定第i個(gè)碼元的4比特。我們指定iV。^以定義對每個(gè)編碼效率的比特映射的數(shù)量。給定LDPC碼和差錯(cuò)平底水平的要求，通過密度演化分析可獲得最優(yōu)交織方案。對于具有效率2/3、％、4/5、5/6、13/15和9/10的LDPC碼，對于z'e{/|0to—1,且！'mod4=0}，16APSK交織規(guī)則是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>在表l"16APSK中的交織偏移值"中羅列了比特偏移數(shù)。表116APSK中的交織偏移值<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>雖然通過優(yōu)選實(shí)施例示例性地描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解在本發(fā)明的精神和范圍中有可能出現(xiàn)多種變化和修改。因此，本發(fā)明權(quán)利要求的目的是覆蓋在本發(fā)明的真正精神和范圍中的所有這種修改和變更。權(quán)利要求1.一種在16APSK調(diào)制系統(tǒng)中基于下面規(guī)則交織LDPC編碼比特的數(shù)字通信發(fā)射器對于i∈{i|0≤i≤Nldpc_bits-1，且imod4＝0}，其中x是返回小于或等于x的最大整數(shù)的取整函數(shù)，Nldpc_bits＝15360是所使用的LDPC碼的碼字長度，且NOffset是不同編碼效率的偏移值，定義為<table-cwuid="table1"><tablewidth="205"><tgroupcols="2"><thead></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>效率</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>Noffset</p></entry></column></row></thead><tbody></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>2/3</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>80</p></entry></column></row></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>3/4</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>88</p></entry></column></row></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>4/5</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>96</p></entry></column></row></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>5/6</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>104</p></entry></column></row></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>13/15</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>112</p></entry></column></row></column></row><row><column><entrycolwidth="50%"morerows="1"morelines="1"><p>9/10</p></entry><entrycolwidth="49%"morerows="1"morelines="1"><p>120</p></entry></column></row></tbody></tgroup></column></row><table></table-cwu>。2.—種采用LDPC解碼器的數(shù)字通信接收器，該接收器在16APSK調(diào)制系統(tǒng)中基于下面的規(guī)則解碼交織的LDPC編碼比特<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>對于Wioa^.1,且/1110(14=0}，其中W是返回小于或等于x的最大整數(shù)的取整函數(shù)，iV,扭,=15360是所使用的LDPC碼的碼字長度，且W。，是不同編碼效率的偏移值，定義為<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>3.—種存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該程序用于執(zhí)行能夠?qū)崿F(xiàn)16APSK調(diào)制系統(tǒng)中基于下面規(guī)則交織LDPC編碼比特的方案的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>對于!'e0'IOS"iV^,-l,i!'mod4=0}，其中W是返回小于或等15360是所使用的LDPC碼的碼于x的最大整數(shù)的取整函數(shù)，iV,Wpc一WW字長度，且W。,是不同編碼效率的偏移值，定義為<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>全文摘要提供了一種用于在16APSK調(diào)制系統(tǒng)中對經(jīng)低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)編碼的比特進(jìn)行交織的方法。通過基于不同比特度分配確定調(diào)制碼元的比特，能夠有效地在所使用中的LDPC碼提供的差錯(cuò)性能和差錯(cuò)平底之間得到所期望的折中。文檔編號H04L27/18GK101150550SQ20061015375公開日2008年3月26日申請日期2006年9月18日優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日發(fā)明者孫鳳文,張軍坦,鵬高申請人:國家廣播電影電視總局廣播科學(xué)研究院;張軍坦;高鵬;孫鳳文