CN101753263B - 一种应用qc-ldpc码族的***、方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用QC-LDPC码族的***、方法及该码族，其中，该***包括发射***和接收***，所述发射***对输入信息进行准循环低密度奇偶校验QC-LDPC矩阵编码，随后对已经过所述QC-LDPC编码的信息进行正交频分复用调制，调制信号通过发射机发送；所述接收***接收所述发射***发送的信号，首先进行正交频分复用信号的解调，随后进行所述QC-LDPC矩阵译码，得到发射的信息数据。本发明能够使得***结构简单、具备良好的误码纠错性能，更能适应多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输技术，提高移动接收功能。

Description

一种应用QC-LDPC码族的***、方法
技术领域
本发明涉及数字广播技术领域，特别涉及一种应用QC-LDPC码族的***、方法及该码族。 
背景技术
低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)码是由Gallager在1962年最先提出的，被证实是一种在高斯白噪声(AWGN)下能够很好的逼近香农限的编码方式，因而得到广泛的关注。LDPC码优秀的性能不仅是学术界的研究热点，也开始大量应用于工业界。目前在一些标准中，如DVB-S2、IEEE802.16e，以及中国的数字电视地面广播、数字电视卫星广播、移动多媒体广播标准中，都采用了LDPC码。 
LDPC码具有稀疏的校验结构，因此便于实现并行译码，但是一般来说，LDPC码的编码矩阵并不稀疏，尤其是计算机搜索出来的随机LDPC码，由于没有足够的结构特性，编码复杂且消耗大量存储单元。准循环LDPC(QC-LDPC)码是一类具有一定结构的LDPC码，可以以线性复杂度被编码，近年来成为了研究的热点。准循环码在中短码时具有相当强的纠错能力，性能接近随机构造的最优LDPC码，又因其硬件实现极其简单，只需用反馈移位寄存器连接就可实现，因此具有很好的应用前景。 
QC-LDPC码的奇偶校验矩阵H可表示为下面的形式： 
Figure G2008102393156D00011
式中，Pi，j∈[-1，p-1]，p为一正整数，表示每个块矩阵的大小。当Pi，j＝-1时，扩展矩阵
Figure G2008102393156D00012
表示一个p×p的全零矩阵；当Pi，j＝0到P-1之间的一个正整数时，扩展阵表示一个p×p的循环置换矩阵，它是由单位矩阵的每一行循环右移 位Pi，j位得到的。n和m是两个正整数。此时，H的维数是mp×np，码的长度为np，矩阵H的秩最高是mp，所以码率至少为(n-m)/n。 
定义QC-LDPC码奇偶校验矩阵H的指数矩阵M(H)： 
Figure G2008102393156D00021
H矩阵可以由指数矩阵M(H)扩展得到。在构造QC-LDPC码奇偶校验矩阵H时，一般先产生满足要求的行列权重的指数矩阵M(H)，由M(H)指数扩展就得到H。 
数字广播优于现有模拟广播，能够提供高品质的数字音频信号。随着数字广播技术的不断发展，需要找到一种更能适应多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输技术，使得数字广播***结构简单、并且能够高速传输数据，并能提高移动接收功能。 
发明内容
本发明的目的在于，提供一种准循环低密度奇偶校验QC-LDPC码族。 
本发明的另一目的在于，提供一种应用准循环低密度奇偶校验QC-LDPC码族进行数字广播的***。 
本发明的又一目的在于，提供一种应用准循环低密度奇偶校验QC-LDPC码族进行数字广播的方法。 
本发明的准循环低密度奇偶校验QC-LDPC码族，其中，所述码族属于扩展非规则累加码EIRA，即所述QC-LDPC码奇偶校验矩阵的形式为： 
H＝[H1，H2] 
其中，H1是m×k稀疏矩阵，H2满足如下形式： 
Figure G2008102393156D00022
所述QC-LDPC码奇偶校验矩阵的指数矩阵M(H)具备H2的形式，EIRA 码的奇偶校验位的计算通过信息位乘以所述稀疏矩阵
Figure G2008102393156D0003102911QIETU
，再进行微分编码计算得到。 
其中，使用QC-LDPC码奇偶校验矩阵的渐进边增长PEG算法初始化所述指数矩阵M(H)，赋予指数矩阵各非负元素形成最小环最长且环数最少的循环移位值；然后对指数矩阵中的元素进行迭代替换，通过QC-LDPC码奇偶校验矩阵的指数矩阵迭代赋值算法完成指数矩阵的迭代替换过程。 
其中，所述码族分别满足1/2、2/3、3/4码率的编码。 
本发明的应用所述准循环低密度奇偶校验码族进行数字广播的***，包括发射***和接收***，其中，所述发射***对输入信息进行所述QC-LDPC矩阵编码，随后对已经过所述QC-LDPC编码的信息进行正交频分复用调制，调制信号通过发射机发送；所述接收***接收所述发射***发送的信号，首先进行正交频分复用信号的解调，随后进行所述QC-LDPC矩阵译码，得到发射的信息数据。 
其中，所述发射***，包括QC-LDPC编码器、交织器、数字调制器、串/并变换器、导频***器、正交频分复用调制器、循环前缀***器，其中，所述QC-LDPC编码器，用于对输入信号进行QC-LDPC编码，并送入交织器；所述交织器，用于对所述QC-LDPC编码器发送来的数据进行交织，并将交织后的数据送入数字调制器；所述数字调制器，用于对所述交织后的数据进行调制，并将调制后的信号送入串并变换器；所述串/并变换器，用于将串行信号转变为并行的信号，并发送给导频***器；所述导频***器，用于在所述并行信号中***导频信号，然后发送给正交频分复用调制器；所述正交频分复用调制器，用于将所述导频***器发送来的信号进行正交频分复用调制后发送至在循环前缀***器；所述循环前缀***器，用于***正交频分复用信号循环前缀，然后发送给接收***。 
其中，所述接收***，包括去循环前缀器、正交频分复用解调器、信道校正器、并/串变换器、输入解调器、解交织器、QC-LDPC译码器，其中，所述去循环前缀器，用于去除接收正交频分复用信号的循环前缀，然后送入正交频分复用解调器；所述正交频分复用解调器，用于将接收的信号进行正交频分复用解调，随后送入信道校正器；所述信道校正器，用于根据导频信号进行信道 估计和校正，然后送入并串变换器；所述并/串变换器，用于将并行信号转变为串行信号，然后送入数字解调器；所述输入解调器，用于将所述串行信号进行数字解调后送至解交织器；所述解交织器，用于对所述解调器发送来的信号进行解交织处理，然后送至QC-LDPC译码器；所述QC-LDPC译码器，用于对经解交织处理后的信号进行QC-LDPC译码运算。 
另外，所述***采用二维矩形导频设计，满足广播信道的二维抽样定理，在时间轴和频率轴两个方向***导频符号，频率上间隔8个子载波，时间上间隔4个OFDM符号，导频在时间和频率方向上的间隔满足广播无线信道的相干带宽和相干时间的要求；在接收端预先得到所***导频符号位置的信道传输函数，然后再采用内插滤波的方法来估计所有位置的信道传输函数。 
本发明的应用所述准循环低密度奇偶校验码族进行数字广播的方法，其中，包括下列步骤：对输入消息以准循环低密度奇偶校验QC-LDPC编码进行信息编码，随后所述输出的奇偶校验编码经过正交频分复用调制，以及通过数字广播发射机发送已调制的信号；接收机进行正交频分复用解调，随后进行低密度奇偶校验译码，得到发射的信息数据。 
本发明的有益效果是：依照本发明的应用QC-LDPC码族的***、方法及该码族，使得***结构简单、具备良好的误码纠错性能，更能适应多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输技术，能提高移动接收功能。 
附图说明
图1为IRA码的因子图； 
图2为本发明的LDPC编码的OFDM***框图； 
图3为本发明的导频设置示意图。 
具体实施方式
以下，参考附图1～3详细描述本发明的应用QC-LDPC码族的***、方法及该码族。 
受到非规则LDPC码的启发，Hui Jin于2001年提出非规则重复累积(IRA)码，且证明了二进制IRA码可以取得与非规则LDPC码同样优越的性能，但编码算法的复杂度远远低于LDPC码。参见Jin Hui，Khandekar A，McEliece R.Irregular repeat-accumulate codes[C].In Proc.2nd International Symposium on Turbo Codes and Related Topics，Brest，France，2000，9：1-8。IRA码可以像turbo码一样采用两个成员码的串行连接进行编码；像LDPC码一样，采用Tanner图上的和积译码算法进行译码，因此IRA码不仅具有turbo码编码复杂度低的有点，也有LDPC码译码能力强并行度高的优点。 
为了实现适合高码率的QC-LDPC码，本发明的QC-LDPC码为一种非***的IRA码—扩展非规则累加码(Extended Irregular Repeat Accumulate，EIRA)。其中，QC-LDPC码的指数矩阵为一个IRA形式的矩阵。 
关于EIRA码，可参见G.Liva，S.Song，L Lan，Y.Zhang，W.Ryan，and S.Lin，“Design.of LDPC codes：A survey and new results”J.Comm.Software and.Systems，Sept.2006，校验矩阵被改变成如下形式： 
H＝[H1，H2] 
此处，H1是m×k稀疏矩阵，H2有如下形式： 
对于给定约束的H矩阵，生成矩阵可以表达为如下的***形式： 
G＝[IP]，其中  P = H 1 T H 2 - T .
非规则RA码的因子图如图1所示，具有参数(f1，f2，…，fj；a)，其中f1≥0，  Σ i f i = 1 , a为正整数。IRA码的因子图是具有两种节点的二向图：变量节点和校验节点。变量节点分为两种：信息节点和奇偶校验节点。左边K个变量节点为信息节点，中间为  r = ( k Σ i f i ) / a 个校验节点，右边r个变量节点为奇偶校验节点。每个信息节点与若干个校验节点相连，信息节点连接i个校验节点的比例为fi。每个校验节点连接a个信息节点，通过随机交织器将信息节点和校验节点连接起来。校验节点再通过z字型的简单连接方式连接到奇偶校验节点上。 
如果因子图中的随机交织固定，因子图表示的是一个具有K个信息位，r 个校验位的二进制线性码，每个信息位对应一个信息节点，每个校验位对应一个奇偶校验节点。奇偶校验节点由下列条件唯一的确定：连接校验节点和变量节点模的和为0。 
设x0＝0，从信息节点发出的rna个值，经过随机交织后，得到的值为(v1，v2，…，vra)，则奇偶校验输出位由下式决定： 
x j = x j - 1 + Σ i = 1 a v ( j - 1 ) a + i , j = 1,2 , · · · , r
IRA码的组成形式有两种：非***码和***码。非***码是(r，k)线性码。输入信息位(u1，u2，…，uk)，对应的输出码为(x1，x2，…，xr)。***码是(k+r，k)线性码，输入信息位(u1，u2，…，uk)，对应的输出码为(u1，u2，…，uk，x1，x2，…，xr)。 
设IRA码的参数(f1，f2，…，fj；a)，则非***码的码率为： 
R NS = a Σ i ( i * f i )
而***码的码率为  R S = a a + Σ i ( i * f i )
所述QC-LDPC码奇偶校验矩阵的指数矩阵M(H)具备H2的形式，EIRA码的奇偶校验位的计算通过信息位乘以所述稀疏矩阵再进行微分编码计算得到。 
图2具体描述了***的编解码和调制解调过程。信道编码为准循环LDPC码。发端***的标号为210，首先用QC-LDPC编码器212进行QC-LDPC编码，随后进入交织器213进行交织，交织后的数据送入数字调制器214进行调制，调制后的信号送入串并变换器215中将串行信号转变为并行的信号，在导频***器216中在并行信号中***导频信号，经过正交频分复用(OFDM)调制器217中完成调制后，在循环前缀***器218中完成***正交频分复用信号循环前缀的处理。标号230表示接收***，在去循环前缀器231中去除接收正交频分复用信号的循环前缀，然后正交频分复用解调器232中将接收的信号进行正交频分复用解调，随后在信道校正器233中根据导频信号进行信道估计和校正，在并串变换器234中将并行信号转变为串行信号，在数字解调器235中完成所得串行信号的数字解调，经过解交织器236进行解交织处理后，送到 QC-LDPC译码器237进行译码运算。 
由于正交频分复用技术适用于多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输，可以大大降低传输中的符号间干扰(ISI)，具有抗多径衰落能力强、频带利用率高的特点，在通信、广播标准中被广泛采用。 
另外，在设计中，首先应用密度进化方法确定码的最优度分布；然后，基于准循环奇偶校验矩阵的渐进边增长(PEG)算法设计QC-LDPC的指数矩阵；最后，通过指数扩展把指数矩阵M(H)扩展成QC-LDPC码的奇偶校验矩阵H。 
图3中给出了***采用的时频二维矩形导频的导频信号位置。该二维矩形导频设计满足广播信道的二维抽样定理，能够无失真的恢复采样信号，同时降低了导频符号的数量，减少了***开销。同时在时间轴和频率轴两个方向***导频符号，频率上间隔8个子载波，时间上间隔4个OFDM符号，导频在时间和频率方向上的间隔满足广播无线信道的相干带宽和相干时间的要求。为避免直流偏置带来的问题，DC子载波未使用。在接收端可以先得到所***导频符号位置的信道传输函数，然后再采用内插滤波的方法来估计所有位置的信道传输函数。 
           表1***参数 
  
参数 值
时间单位T(ms) 1/408
有效符号持续期Tu(ms) 2.510(1024T)
循环前缀Tg(ms) Tu/16＝0.157(64T)
符号持续期Ts＝Tg+Tu(ms) 2.667(1088T)
载波间隔(Hz) 1/Tu＝398.4375
每传输帧OFDM符号数 45
传输帧长Tf(ms) 45Ts＝48960T＝120ms
***带宽(KHz) 48或96
调制方式 QPSK，16QAM
导频结构 时频二维矩形导频(见图3)
依照如表1的***参数进行设置后，循环前缀的长度满足了广播调频波段信道多径时延扩展和单频网覆盖的需求。***参数的选择综合考虑了信道频率选择性和时间选择性，保证***获得较大的有效功率。同时，上述***参数满足传输高品质音频信号的要求。在典型调频波段信道下进行了分析也表明采用 上述参数可获得较佳的***性能。
不同码率(1/2，2/3，3/4)的指数矩阵如附表2中所示： 
         表2 不同码率的LDPC码指数矩阵 
1/2码率的奇偶校验码的指数矩阵 
M(H)＝ 
-1  52  42  -1  -1  -1  -1  -1  59  79  -1  -1  0  0  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1 
-1  91  -1  -1  -1  82  27  26  -1  -1  -1  3   -1 0  0   -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1 
-1  -1  -1  82  93  81  -1  9   -1  -1  -1  71  -1 -1 0   0   -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1 
0   -1  88  -1  -1  -1  -1  -1  26  59  -1  -1  -1 -1 -1  0   0   -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1 
-1  -1  26  -1  -1  -1  88  -1  -1  94  75  -1  -1 -1 -1  -1  0   0   -1  -1  -1  -1  -1  -1 
-1  51  -1  -1  57  6   -1  89  -1  -1  -1  94  -1 -1 -1  -1  -1  0   0   -1  -1  -1  -1  -1 
-1  -1  51  63  -1  -1  -1  -1  -1  44  20  -1  -1 -1 -1  -1  -1  -1  0   0   -1  -1  -1  -1 
-1  66  89  -1  -1  -1  78  -1  -1  91  -1  -1  -1 -1 -1  -1  -1  -1  -1  0   0   -1  -1  -1 
60  -1  -1  -1  59  25  -1  13  -1  -1  -1  67  -1 -1 -1  -1  -1  -1  -1  -1  0   0   -1  -1 
-1  -1  -1  -1  -1  35  -1  7   -1  -1  92  91  -1 -1 -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  0   0   -1 
-1  -1  56  25  -1  -1  -1  -1  71  70  -1  -1  -1 -1 -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  0   0 
88  -1  -1  -1  -1  95  -1  15  -1  42  -1  68  -1 -1 -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  -1  0 
2/3码率的奇偶校验码的指数矩阵 
M(H)＝ 
50  66  -1  9  64  86  -1  -1  -1  55  -1  11  -1  -1  57  -1  85  0  -1  -1  -1  -1  -1  -1 
-1  40  5   -1 -1  4   52  -1  50  41  -1  -1  -1  -1  80  -1  0   0  0   -1  -1  -1  -1  -1 
-1  -1  17  -1 13  -1  21  47  35  -1  -1  24  76  -1  88  -1  -1  -1 0   0   -1  -1  -1  -1 
-1  -1  15  -1 56  50  -1  -1  88  -1  34  84  -1  84  -1  49  -1  -1 -1  0   0   -1  -1  -1 
15  -1  -1  85 -1  -1  -1  31  59  -1  13  16  -1  67  -1  8   -1  -1 -1  -1  0   0   -1  -1 
-1  -1  64  -1 -1  12  75  -1  81  -1  49  -1  22  -1  24  92  -1  -1 -1  -1  -1  0   0   -1 
-1  77  80  -1 -1  5   -1  -1  53  17  -1  21  -1  -1  49  -1  85  -1 -1  -1  -1  -1  0   0 
10  -1  95  29 -1  55  -1  49  -1  -1  -1  91  49  0   88  -1  -1  -1 -1  -1  -1  -1  -1  0
3/4码率的奇偶校验码的指数矩阵 
M(H)＝ 
-1  3  -1  -1  73  -1  70  -1  79  -1  31  72  55  59  88  88  6  79  0   0   -1  -1  -1  -1 
90  0  -1  -1  -1  45  -1  94  29  -1  51  65  8   6   87  20  67 58  -1  0   0   -1  -1  -1 
93  -1 72  69  -1  -1  29  75  -1  -1  -1  89  53  88  63  77  65 73  6   -1  0   0   -1  -1 
-1  -1 37  60  94  76  -1  78  -1  63  -1  10  74  73  14  10  9  8   -1  -1  -1  0   0   -1 
-1  -1 18  -1  80  -1  66  -1  7   54  -1  48  1   87  79  41  53 13  -1  -1  -1  -1  0   0 
27  28 -1  16  -1  84  -1  -1  -1  33  89  38  3   41  46  57  51 78  6   -1  -1  -1  -1  0 
综上所述，依照本发明的应用QC-LDPC码族的***、方法及该码族，使得***结构简单、具备良好的误码纠错性能，更能适应多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输技术，能提高移动接收功能。该二维矩形导频设计满足广播信道的二维抽样定理，能够无失真的恢复采样信号，同时降低了导频符号的数量，减少了***开销；同时在时间轴和频率轴两个方向***导频符号，频率上间隔8个子载波，时间上间隔4个OFDM符号，导频在时间和频率方向上的间隔满足广播无线信道的相干带宽和相干时间的要求。为避免直流偏置带来的问题，DC子载波未使用；在接收端可以先得到所***导频符号位置的信道传输函数，然后再采用内插滤波的方法来估计所有位置的信道传输函数。 
以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用准循环低密度奇偶校验QC-LDPC码族进行数字广播的***，包括发射***和接收***，其特征在于，
所述发射***对输入信息进行QC-LDPC编码，随后对已经过所述QC-LDPC编码的信息进行正交频分复用调制，调制信号通过发射机发送；所述接收***接收所述发射***发送的信号，首先进行正交频分复用信号的解调，随后进行QC-LDPC译码，得到发射的信息数据；
所述QC-LDPC码族属于扩展非规则累加码EIRA码，即所述QC-LDPC码奇偶校验矩阵的形式为：
H=[H1,H2]，
其中，H1是m×k稀疏矩阵，H2满足如下形式：
Figure FDA00002129687000011
通过信息位乘以所述稀疏矩阵
Figure FDA00002129687000012
再进行微分编码计算得到所述EIRA码的奇偶校验位；
其中，所述QC-LDPC码奇偶校验矩阵的指数矩阵M(H)具备H2的形式，使用QC-LDPC码奇偶校验矩阵的渐进边增长PEG算法初始化所述QC-LDPC码奇偶校验矩阵的指数矩阵M(H)，赋予指数矩阵各非负元素形成最小环最长且环数最少的循环移位值；然后，对指数矩阵中的元素进行迭代替换，通过QC-LDPC码奇偶校验矩阵的指数矩阵迭代赋值算法完成指数矩阵的迭代替换过程。
2.如权利要求1所述的进行数字广播的***，其特征在于，所述码族分别满足1/2、2/3、3/4码率的编码。
3.如权利要求1所述的进行数字广播的***，其特征在于，所述发射***，包括QC-LDPC编码器、交织器、数字调制器、串/并变换器、导频***器、正交频分复用调制器、循环前缀***器，其中，
所述QC-LDPC编码器，用于对输入信号进行QC-LDPC编码，并送入交织器；
所述交织器，用于对所述QC-LDPC编码器发送来的数据进行交织，并将交织后的数据送入数字调制器；
所述数字调制器，用于对所述交织后的数据进行调制，并将调制后的信号送入串并变换器；
所述串/并变换器，用于将串行信号转变为并行的信号，并发送给导频***器；
所述导频***器，用于在所述并行信号中***导频信号，然后发送给正交频分复用调制器；
所述正交频分复用调制器，用于将所述导频***器发送来的信号进行正交频分复用调制后发送至在循环前缀***器；
所述循环前缀***器，用于***正交频分复用信号循环前缀，然后发送给接收***。
4.如权利要求1所述的进行数字广播的***，其特征在于，所述接收***，包括去循环前缀器、正交频分复用解调器、信道校正器、并/串变换器、输入解调器、解交织器、QC-LDPC译码器，其中，
所述去循环前缀器，用于去除接收正交频分复用信号的循环前缀，然后送入正交频分复用解调器；
所述正交频分复用解调器，用于将接收的信号进行正交频分复用解调，随后送入信道校正器；
所述信道校正器，用于根据导频信号进行信道估计和校正，然后送入并串变换器；
所述并/串变换器，用于将并行信号转变为串行信号，然后送入数字解调器；
所述输入解调器，用于将所述串行信号进行数字解调后送至解交织器；
所述解交织器，用于对所述解调器发送来的信号进行解交织处理，然后送至QC-LDPC译码器；
所述QC-LDPC译码器，用于对经解交织处理后的信号进行QC-LDPC译码运算。
5.如权利要求3或4所述的进行数字广播的***，其特征在于，所述***采用二维矩形导频设计，满足广播信道的二维抽样定理，在时间轴和频率轴两个方向***导频符号，频率上间隔8个子载波，时间上间隔4个OFDM符号，导频在时间和频率方向上的间隔满足广播无线信道的相干带宽和相干时间的要求；在接收端预先得到所***导频符号位置的信道传输函数，然后再采用内插滤波的方法来估计所有位置的信道传输函数。
6.一种应用如权利要求1所述准循环低密度奇偶校验QC-LDPC码族进行数字广播的方法，其特征在于，包括下列步骤：对输入消息以准循环低密度奇偶校验QC-LDPC编码进行信息编码，随后所述输出的奇偶校验编码经过正交频分复用调制，以及通过数字广播发射机发送已调制的信号；接收机进行正交频分复用解调，随后进行低密度奇偶校验译码，得到发射的信息数据。
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