專利名稱：：低密度奇偶校驗(yàn)編碼的qpsk/8psk系統(tǒng)的交織方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在正交相移鍵控("QPSK")/8PSK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(shuō)，通過(guò)基于不同的比特度(bitdegree)分配確定調(diào)制碼元的比特，能夠有效地在所使用的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。
背景技術(shù)：
：在YanLi和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，作者研究了釆用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(guò)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(duì)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?；诜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(Shaimonlimit)。通信和編碼理論中最重要的研究領(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。己經(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GaUager描述。LDPC碼的性能非常逼近香農(nóng)限。具有碼長(zhǎng)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(lái)指定。更加具體地說(shuō)，令小)=》,卜1禾口其中變量《max和《n^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舉例說(shuō)明了碼字長(zhǎng)度為6的非規(guī)則LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣圖。LDPC碼還可由二分圖、或Tanner圖來(lái)表示。在Tanner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(duì)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(duì)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(duì)節(jié)點(diǎn)由不多于一條的邊來(lái)連接。圖2說(shuō)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(zhǎng)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(lái)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(duì)于在奇偶校驗(yàn)矩陣中具有相對(duì)較高的列權(quán)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(xiàn)出相當(dāng)不錯(cuò)解碼性能，但迭代解碼方法卻因?yàn)樗鼈兡軌蛟趶?fù)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(shù)邏輯解碼不同，迭代解碼基于定義碼型的約束條件，通過(guò)對(duì)所接收碼元的回溯處理來(lái)提高每個(gè)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(duì)每個(gè)碼元產(chǎn)生可靠性輸出。隨后，將每次解碼迭代過(guò)程結(jié)束時(shí)對(duì)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(guò)程直到滿足一定的停止條件時(shí)結(jié)束。此后基于對(duì)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(duì)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Taimer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(duì)應(yīng)于碼字比特的變量節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的對(duì)數(shù)似然比(LLR)log,。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。B^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)Cm將基于除來(lái)自比特、以外的所有進(jìn)入校驗(yàn)Q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)&。在垂直步驟中，每個(gè)比特節(jié)點(diǎn)&將基于除來(lái)自校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)cm以外的所有進(jìn)入比特&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(duì)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等均已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(wèn)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(lái)描述。LDPC解碼器系統(tǒng)在輸入信號(hào)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(hào)質(zhì)量提高所對(duì)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(shuō)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LDPC碼的FER性能曲線。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開(kāi)了一種交織方法，其中對(duì)于具有任意可靠性級(jí)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(duì)特定的LDPC碼結(jié)構(gòu)和調(diào)制方法，能夠通過(guò)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QPSK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(hào)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(hào)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(hào)送入信號(hào)映射器，其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(cè)得到的相應(yīng)LDPC碼的最小閾值。通過(guò)仔細(xì)選擇校驗(yàn)和比特節(jié)點(diǎn)度分布和Tammer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(zhǎng)度趨向無(wú)限時(shí)，可以使得比特差錯(cuò)概率任意小。不同應(yīng)用對(duì)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(guò)該方法確定的在QPSK/8PSK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(guò)實(shí)例，而不是通過(guò)限定的方式加以說(shuō)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(zhǎng)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(shuō)明了如圖1所示的非規(guī)則LDPC碼的二分圖表示；圖3說(shuō)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碼和交織器的示例性通信系統(tǒng)；圖5說(shuō)明了圖4中發(fā)射器的實(shí)例；圖6說(shuō)明了圖4中接收器的實(shí)例；圖7說(shuō)明了QPSK調(diào)制中的比特映射功能模塊；圖8說(shuō)明了QPSK碼元的比特映射；圖9說(shuō)明了8PSK調(diào)制中的比特映射功能模塊；圖IO說(shuō)明了8PSK碼元的比特映射。具體實(shí)施方式雖然本發(fā)明是通過(guò)LDPC碼描述的，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)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)射到接收器403的信號(hào)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(duì)應(yīng)于某一信號(hào)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(duì)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，其中采用了LDPC碼和交織器。LDPC編碼器502將來(lái)自源501的信息比特編碼為L(zhǎng)DPC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(hào)波形。這些信號(hào)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，其中采用了LDPC碼和解交織器。由接收天線601接收信號(hào)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(hào)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(shuō)，該解交織方案應(yīng)該滿足交織方案的反規(guī)則(anti-rule)。對(duì)于特定的LDPC'碼和調(diào)制方案(QPSK或8PSK)，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(cè)得到的相應(yīng)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(duì)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(diǎn)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(duì)于z'e們C^/SW一,-l,且/mod2=0}，令(《，5+1)是確定第i個(gè)碼元的2個(gè)比特。給定LDPC碼和差錯(cuò)平底水平的要求，通過(guò)密度演化分析可獲得最優(yōu)交織方案。對(duì)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(duì)于fe^02WA^,-l，且z'mod2=0}，由QPSK的密度演化預(yù)測(cè)得到的最好的交織規(guī)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(shù)的取整函數(shù)(floorfunction)。8PSK如圖9所示，8PSK比特-碼元映射電路每次獲取三個(gè)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(diǎn)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(duì)于/e(/IOS"A^,-l,且imod3-0〉，令(5.U是確定第i個(gè)碼元的3比特。我們指定乂^以定義對(duì)于每個(gè)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(guò)密度演化分析可獲得最優(yōu)交織方案。對(duì)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(duì)于k(fl0^!'^A^,—l,且z'mod3=0}，8PSK的交織規(guī)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(shù),表1:8PSK中交織的偏移值效率W聯(lián)w3/5402/3403/4805/68813/151049/10160權(quán)利要求1.一種在QPSK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(duì)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(shù)的取整函數(shù)，Nldpc_bits＝15360是所使用的LDPC碼的碼字長(zhǎng)度。2.—種采用LDPC解碼器的數(shù)字通信接收器，它在QPSK調(diào)制模式中基于下面規(guī)則解碼交織后的LDPC編碼比特<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>對(duì)于/eI0iV,—,-1，且!'mod2=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—,=15360是所使用的LDPC碼的碼字長(zhǎng)度。3.—種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有用于執(zhí)行能夠?qū)崿F(xiàn)QPSK調(diào)制系統(tǒng)中基于下面規(guī)則交織LDPC編碼比特方案的方法的計(jì)算機(jī)程序<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>對(duì)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(shù)的取整函數(shù)，=15360是所使用的LDPC碼的碼字長(zhǎng)度。4.—種在8PSK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)射器效率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>5.字長(zhǎng)度，并且對(duì)于不同碼率的偏移值iV。^被定義為<table>complextableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>6.—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)8PSK調(diào)制系統(tǒng)中基于下面規(guī)則交織LDPC編碼比特方案的方法<table>complextableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>對(duì)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(shù)的取整函數(shù)，TV,——6fe=15360是所使用的LDPC碼的碼字長(zhǎng)度，并且對(duì)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(fā)明提供了一種在QPSK/8PSK調(diào)制系統(tǒng)中對(duì)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(guò)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)平底之間得到所需要的折中。文檔編號(hào)H04L27/18GK101150551SQ200610153758公開(kāi)日2008年3月26日申請(qǐng)日期2006年9月18日優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日發(fā)明者吳智勇,孫鳳文,張軍坦,明楊申請(qǐng)人:國(guó)家廣播電影電視總局廣播科學(xué)研究院;楊明;張軍坦;吳智勇;孫鳳文