CN111313908A - 一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，所述方法包括：长度为N_b个符号的信息序列b通过LDPC编码产生长度为N_L个符号的码字序列d；通过非规则水印编码与调制，产生发送序列x，发送序列x经过非二进制***/删节‑AWGN信道后，产生接收序列y；非规则水印译码器利用修正的前向‑后向译码算法对接收序列y进行译码，并输出似然比序列l，似然比序列l经过LDPC译码，输出信息估计序列

。本发明进一步提升了水印码识别和定位***/删节的能力，降低了错误概率，提升了***可靠性。

Description

一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法

技术领域

本发明涉及数字通信差错控制编码领域，尤其涉及一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法。

背景技术

通信***中，大多数信道编码方案是为纠正随机替代错误而设计的，其中，替代错误不会改变接收序列的长度。***采样设备的不完善将导致接收序列中出现***/删节错误，进而导致发生失同步。由于每一分组内***/删节错误的数目是未知的，因此分组边界也未知。上述问题给编码的设计带来了巨大的挑战。

针对二进制***/删节及替代信道，Davey和MacKay提出了一种性能优越的级联码，其采用内部水印码消除接收序列的***和删节错误，再利用外部低密度奇偶校验码(LDPC)纠正所有的残留错误。该级联码可以定位分组边界并恢复同步。随后，针对非二进制***/删节错误和加性高斯白噪声(AWGN)级联的信道模型，Yazdani设计了一种高效的编码方案，该方案的内码称为规则水印码。内编码器将水印码均匀地***LDPC码中，并将级联后的编码序列映射到两个不同的星座子集中；接收端首先识别出分组边界，然后利用前向-后向译码算法计算符号的似然信息，最后利用置信度传播译码算法纠正所有的错误。

随着信道***/删节概率的增大，该方案识别符号边界的累计误差增大，导致下一分组起始位置的初始值不精确，进一步，***的同步和译码能力受到限制。

发明内容

本发明提供了一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，本发明进一步提升了水印码识别和定位***/删节的能力，降低了错误概率，提升了***可靠性，详见下文描述：

一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，所述方法包括：

(1)长度为N_b个符号的信息序列b通过LDPC编码产生长度为N_L个符号的码字序列d；

(2)通过非规则水印编码与调制，产生发送序列

(3)发送序列x经过非二进制***/删节-AWGN信道后，产生接收序列y＝(y₀,y₁,…)；

(4)非规则水印译码器利用修正的前向-后向译码算法对接收序列y进行译码，并输出似然比序列l；

(5)似然比序列l经过LDPC译码，输出信息估计序列

其中，所述通过非规则水印编码与调制，产生发送序列x具体为：

(2.1)产生度向量

依据度向量w将水印码m不均匀地***码字序列

中，产生编码序列；

(2.2)依据度向量w选择星座图的映射规则，当w_j＝1时，映射规则为η，当w_j＝2时，映射规则为η^*，将编码序列映射为发送序列x。

所述非规则水印译码器利用修正的前向-后向译码算法对接收序列y进行译码，并输出似然比序列l具体为：

(4.1)下标转换并计算前向度量F_j(t_j＝a)，0≤j＜N_s；

(4.2)下标转换并计算后向度量B_j(t_j＝b)，0≤j＜N_s；

(4.3)计算似然比序列l。

所述下标转换具体为：

将度向量w中满足w_j>1的j存入下标向量ρ中，并对ρ＝(ρ₀,ρ₁,…,ρ_θ,…ρ_β-1)按升序排序，β为度向量中w_j>1的数目，第j个符号对应的信号子集为：

其中，m_i-1和m_i分别表示第i-1个水印比特及第i个水印比特，0≤i＜N。

上式中，i的计算如下；当w_j＞1或者j∈ρ时，

i＝j+θ+1，ρ_θ＝j

当w_j＝1或者

时，

从x_j到d_k的下标转换如下，当w_j＞1或j∈ρ时，d_k的下标计算如下：

k＝j×ε-θ

其中，ε是w_j＝1的符号中LDPC码的比特数；

当w_j＝1或

时，(d_k-1,d_k)下标为：

其中，1≤θ＜β。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明通过改变水印码的编码方式，即将水印码非均匀地***到LDPC码中，提高了水印码定位分组边界的能力；

2、本发明改善了水印译码器输出的符号似然信息的可靠性；

3、本发明提高了***纠正***、删节错误及AWGN的能力，保证了***的可靠性，且没有造成明显的编码效率的损失。

附图说明

图1是***框图；

图2是编码示意图；

图3是映射η和映射η^*的星座图；

图4是本发明所提出方法的性能仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决背景技术中存在的问题，改善水印码纠正非二进制***/删节的能力，提高水印译码器输出软信息的可靠性，本发明提出了一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法。

依据度向量，将已知的水印码不均匀地***到LDPC码序列中，并将编码序列动态地映射到星座子集上。与规则水印编码方法相比，本发明设计的编码方案中非规则位置对应的星座子集的最小距离增大，因此能够提升水印码检测和定位***/删节错误的能力，即同步能力，并且能够提高水印译码器输出软信息的可靠性，最终使得***的错误概率大大降低。

下面结合附图对本发明的一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法做出详细说明。

首先给出一些符号的定义，长度为N_b个符号的信息序列b经外编码器生成长度为N_L个符号的码字序列d，LDPC码的码率R_L＝N_b/N_L，长度为N的水印码m根据度向量

不均匀地***码字序列中，其中w_j≥1。η和η*为两种映射规则，每个符号含有λ个比特，M为符号集内的星座点数，M＝2^λ，级联码的符号长度N_s＝(N_L-ε'β)/ε+β，比特长度N_c＝λ×[(N_L-ε'β)/ε，β是w_j＞1的符号数，ε'是w_j＞1的符号中LDPC码的比特数，ε是w_j＝1的符号中LDPC码的比特数，

和y＝(y₀,y₁,…)分别是发送序列和接收序列，l是非规则水印译码器输出的似然比序列，

是LDPC译码器输出的信息估计序列。

和

分别表示采用η和η*映射规则下的星座子集。d₁是不同子集中信号点之间的最小距离，d₂是每个子集中信号点之间的最小距离，R_c为级联码的码率。P_i、P_d、P_t分别为信道***、删节和传输概率。t_j表示第j个符号的漂移量，t_max表示符号的最大漂移量，F_j(t_j＝a)为第j时刻漂移量为a的前向度量，B_j(t_j＝b)为第j时刻漂移量为b的后向度量。δ_max是LDPC译码器的最大迭代次数。

如图1所示，本发明包括以下五个步骤，

(1)长度为N_b个符号的信息序列b通过LDPC编码产生长度为N_L个符号的码字序列d；

(2)通过非规则水印编码与调制，产生发送序列

(2.1)产生度向量

依据度向量w将水印码m不均匀地***码字序列

中，产生编码序列；

(2.2)依据度向量w选择星座图的映射规则，当w_j＝1时，映射规则为η，当w_j＝2时，映射规则为η^*，将编码序列映射为发送序列x。

(3)发送序列x经过非二进制***/删节-AWGN信道后，产生接收序列y＝(y₀,y₁,…)；

(4)非规则水印译码器利用修正的前向-后向译码算法对接收序列y进行译码，并输出似然比序列l；

(4.1)下标转换并计算前向度量F_j(t_j＝a)，0≤j＜N_s；

(4.2)下标转换并计算后向度量B_j(t_j＝b)，0≤j＜N_s；

(4.3)计算似然比序列l。

(5)似然比序列l经过LDPC译码，输出信息估计序列

以下分别介绍上述五个步骤的具体实施步骤。

如图2所示，所述非规则水印编码与调制，产生

的步骤包括：随机产生度向量

依据度向量w将水印码m不均匀地***码字序列

中，产生编码序列，其中，当w_j＝1时，每个符号包含一个水印比特，当w_j＝2时，每个符号包含两个水印比特；依据度向量w选择星座图的映射规则，当w_j＝1时，映射规则为η，当w_j＝2时，映射规则为η^*，将编码序列映射为发送序列x。

如图3所示，以λ＝3为例，映射规则η和η^*具体为，将编码序列中每λ个比特组成一个符号并映射为x_j＝(I_j,Q_j)，0≤j＜N_s，

其中，图(a)代表映射规则η，星座图中包含两个子集χ⁰和χ¹，每个子集包含M/2个星座点。

其中

χ⁰＝{000,010,100,110}→{x_j|x_j∈χ⁰}＝{(0.7071,0.7071),(0.7071,-0.7071),(-0.7071,-0.7071),(-0.7071,0.7071)}，

χ¹＝{001,011,101,111}→{x_j|x_j∈χ¹}＝{(0,1),(1,0),(0,-1),(-1,0)}。

图(b)代表映射规则η^*，星座图中包含四个子集χ⁰⁰、χ¹⁰、χ⁰¹和χ¹¹，对应的星座子集有

个，每个子集包含

个星座点，

其中χ⁰⁰＝{000,100}→{x_j|x_j∈χ⁰⁰}＝{(0.7071,0.7071),(-0.7071,-0.7071)}，

χ¹⁰＝{010,110}→{x_j|x_j∈χ¹⁰}＝{(0.7071,-0.7071),(-0.7071,0.7071)}，

χ⁰¹＝{001,101}→{x_j|x_j∈χ⁰¹}＝{(0，1),(0,-1)}，

χ¹¹＝{011,111}→{x_j|x_j∈χ¹¹}＝{(1,0),(-1,0)}。

所述步骤(3)经过非二进制***/删节-AWGN信道，产生接收序列具体为：

信道参数定义如下，***概率记为P_i，删节概率记为P_d，传输概率为P_t，AWGN服从高斯分布N(0,σ²)，σ为标准差；信道模型为本领域技术人员所公知，本发明对此不做赘述。

所述步骤(4.1)下标转换并计算F_j(t_j＝a)具体为：

1)下标转换；

将度向量w中满足w_j>1的j存入下标向量ρ中，并对ρ＝(ρ₀,ρ₁,…,ρ_θ,…ρ_β-1)按升序排序，第j个符号对应的信号子集：

上式中，i的计算如下；当w_j＞1或者j∈ρ时，

i＝j+θ+1，其中，ρ_θ＝j

当w_j＝1或者

时，

其中，1≤θ＜β，0≤i＜N

从x_j到d_k的下标转换如下，当w_j＞1或j∈ρ时，d_k的下标计算如下：

k＝j×ε-θ；

其中，ρ_θ＝j；

当w_j＝1或

时，(d_k-1,d_k)下标为：

其中，1≤θ＜β。

2)计算F_j(t_j＝a)；

第j个符号的漂移量为a且信道产生的符号串为y₀,…,y_j-1+a的概率记为前向度量：

其中，a、c均为漂移量，I_max为每个符号前的最大***比特数；P_ca为在j-1时刻漂移为c的条件下，j时刻漂移为a的概率；

为在j-1时刻漂移为c且j时刻漂移为a的条件下，输出序列y_j-1+c,…,y_j-1+a的概率；

其中，

且

所述步骤(4.2)下标转换并计算B_j(t_j＝b)具体为：

其中，P_bc为在j时刻漂移为b的条件下，j+1时刻漂移为c的概率；

为在j时刻漂移为b且j+1时刻漂移为c的条件下，输出序列y_j+b,…,y_j+c的概率；b、c均为漂移量，计算方法与前向度量同理，本发明对此不做赘述。

所述步骤(4.3)计算l具体为：

LDPC码的第k个比特对应的似然比：

其中，

其中，

其中，接收子序列

其中，

所述步骤(5)具体为：

LDPC译码器接收l，利用对数域置信度传播译码算法进行译码；重复该译码步骤，直到达到预设的最大迭代次数δ_max，输出

其中，对数域置信度传播译码算法为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

综上所述，本方法的编码序列中的每个符号包含的水印比特数不再相等，映射后的信号子集随度向量动态地变化，一些符号对应子集的最小距离增大；译码端，每个符号的已知信息也是随度向量动态地变化。与传统方案相比，该方法能够改善传统水印译码器的纠错能力，提高输出信息的可靠性，且不会造成明显的编码效率的损失。

具体实施例

本发明以一个二进制非规则准循环LDPC码为特例，介绍本发明的一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，其中，N_L＝576，R_L＝1/2。

仿真中采用伪随机序列作为水印码，水印码的长度N＝288+3β/2比特，级联码长度N_c＝864+3β/2比特，码率R_c＝288/(864+3β/2)，调制方式为八进制相移键控调制。对于度向量，w_j＝2的个数为β，满足w_j＝2的j是随机产生的。I_max＝5，P_i＝P_d，信噪比SNR固定为20dB。采用对数域置信度传播算法作为LDPC码的译码算法，最大迭代次数δ_max设为20次。

图4验证了本发明所提出方法的有效性。***的错误概率由误帧率表示。图中记录了不同β值对应的***的误帧率，并与传统的规则水印码进行比较。如图所示，随着β的增大，本发明所提出的方法获得的误帧率大大降低，***性能提升；并且，本发明提出的方法的性能远远优于传统的规则水印码；其中，误帧率等于错误帧数除以总的发送帧数。进一步，比较不同β值对应的码率。对于传统规则水印码，相当于β＝0，此时级联码的码率R_c＝0.333。对于本发明提出的方法，当β＝10时，R_c＝0.328，当β＝574时，R_c＝0.167。由此可见，选择合适的β值，如β＝10，便可在码率损失非常小的情况下，获得较大的性能增益，从而改善译码器的纠错能力。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)长度为N_b个符号的信息序列b通过LDPC编码产生长度为N_L个符号的码字序列d；

(2)通过非规则水印编码与调制，产生发送序列

(3)发送序列x经过非二进制***/删节-AWGN信道后，产生接收序列y＝(y₀,y₁,…)；

(4)非规则水印译码器利用修正的前向-后向译码算法对接收序列y进行译码，并输出似然比序列l；

(5)似然比序列l经过LDPC译码，输出信息估计序列

2.根据权利要求1所述的一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，其特征在于，所述通过非规则水印编码与调制，产生发送序列x具体为：

(2.1)产生度向量

依据度向量w将水印码m不均匀地***码字序列

中，产生编码序列；

(2.2)依据度向量w选择星座图的映射规则，当w_j＝1时，映射规则为η，当w_j＝2时，映射规则为η^*，将编码序列映射为发送序列x。

3.根据权利要求1所述的一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，其特征在于，所述水印译码器利用修正的前向-后向译码算法对接收序列y进行译码，并输出似然比序列l具体为：

(4.1)下标转换并计算前向度量F_j(t_j＝a)，0≤j＜N_s；

(4.2)下标转换并计算后向度量B_j(t_j＝b)，0≤j＜N_s；

(4.3)计算似然比序列l。

4.根据权利要求3所述的一种纠正非二进制***/删节的非规则水印编译码方法，其特征在于，所述下标转换具体为：

将度向量w中满足w_j>1的j存入下标向量ρ中，并对ρ＝(ρ₀,ρ₁,…,ρ_θ,…ρ_β-1)按升序排序，β为度向量中w_j>1的数目，第j个符号对应的信号子集为：

其中，m_i-1和m_i分别表示第i-1个水印比特及第i个水印比特，0≤i＜N；

上式中，i的计算如下；当w_j＞1或者j∈ρ时，

i＝j+θ+1，ρ_θ＝j

当w_j＝1或者

时，

从x_j到d_k的下标转换如下，当w_j＞1或j∈ρ时，d_k的下标计算如下：

k＝j×ε-θ；

其中，ε是w_j＝1的符号中LDPC码的比特数；

当w_j＝1或

时，(d_k-1,d_k)下标为：

其中，1≤θ＜β。

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