專利名稱：采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法，尤其涉及一種數(shù)字信息傳輸(或存儲(chǔ))系統(tǒng)中的低密度校驗(yàn)碼(簡稱LDPC碼)的信道編碼方法。屬于數(shù)字信號(hào)傳輸前向糾錯(cuò)編碼領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低密度校驗(yàn)碼是當(dāng)今數(shù)字通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。LDPC碼最初在1962年提出，現(xiàn)在研究已證實(shí)LDPC碼是一種性能接近香農(nóng)限的可構(gòu)造碼。LDPC碼與傳統(tǒng)的編碼相比顯示了優(yōu)越的性能，比如與常用的Turbo碼相比，性能相似但譯碼復(fù)雜度卻遠(yuǎn)低于Turbo碼。最近幾年，LDPC信道編碼技術(shù)因其卓越的性能已經(jīng)被選為數(shù)字電視廣播DVB-T中的信道編碼標(biāo)準(zhǔn)。蜂窩移動(dòng)通信，寬帶衛(wèi)星通信，無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(802.15)，無線移動(dòng)寬帶接入網(wǎng)(802.20)以及其它諸如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)設(shè)備訪問和有線調(diào)制解調(diào)器(Cable Modem)、數(shù)字用戶線(DSL)等通信系統(tǒng)也已將其作為信道編碼規(guī)范。
在一個(gè)采用LDPC碼的通信系統(tǒng)中，LDPC碼相當(dāng)于傳統(tǒng)的線性分組碼，可以用生成矩陣和校驗(yàn)矩陣描述。在系統(tǒng)的發(fā)端(編碼器)，生成矩陣用于碼字的生成，而校驗(yàn)矩陣決定了生成矩陣的產(chǎn)生；同時(shí)校驗(yàn)矩陣還直接用于收端(譯碼器)的譯碼，因此一種LDPC碼可以完全由它的校驗(yàn)矩陣所決定，LDPC碼的性能好壞也取決于校驗(yàn)矩陣的構(gòu)造。
LDPC碼的校驗(yàn)矩陣是一個(gè)稀疏的矩陣，矩陣中“1”的數(shù)目遠(yuǎn)小于“0”的數(shù)目。校驗(yàn)矩陣由二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”構(gòu)成，大小為N*K的矩陣有N列K行，校驗(yàn)矩陣的每一列對(duì)應(yīng)一個(gè)信息比特，每一行定義一個(gè)校驗(yàn)方程。如果矩陣中第k行第n列為“1”，意味著碼字中的第n個(gè)比特參與了第k個(gè)校驗(yàn)方程。對(duì)于一個(gè)規(guī)則的LDPC碼校驗(yàn)矩陣每一列包含λ個(gè)“1”，每一行包含ρ個(gè)“1”，但LDPC碼的校驗(yàn)矩陣并不要求每一列每一行分別包含相同數(shù)目的“1”，因此在構(gòu)造LDPC碼校驗(yàn)矩陣時(shí)λ和ρ是可變的，相應(yīng)的可以用n和k的函數(shù)λ(n)、ρ(k)來表示。給定λ(n)、ρ(k)時(shí)如何構(gòu)造具有較大的最小環(huán)長(Girth)的校驗(yàn)矩陣是提高LDPC信道編碼性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前有兩類LDPC碼，其校驗(yàn)矩陣采用的構(gòu)造方法不同。第一類方法由戈拉格首先提出(“R.G.Gallager，Low-Density Parity-Check Codes”，MITPress，Cambridge，Mass，1963)，該方法對(duì)規(guī)則的LDPC碼校驗(yàn)矩陣每一列中的λ個(gè)“1”采用隨機(jī)分配的原則，但這樣很難避免較短長度的環(huán)的出現(xiàn)，性能較差?！癓ow-Density Parity-Check Codes Based on Finite GeometriesARediscovery and New Results”(Y.kou，S.lin，and M.P.C.Fossorier，IEEETransactions on Information Theory，vol.47，No.7，November 2001)中提出了另一類確定性的校驗(yàn)矩陣構(gòu)造方法，利用有限幾何的概念通過生成多項(xiàng)式產(chǎn)生校驗(yàn)矩陣，在這種確定性的構(gòu)造方法中避免了長度為4的環(huán)的出現(xiàn)，即最小環(huán)長為6(環(huán)長必為偶數(shù))，但這種構(gòu)造存在兩個(gè)問題1)最小環(huán)長為6，無法進(jìn)一步提高最小環(huán)長，例如無法構(gòu)造最小環(huán)長為8的校驗(yàn)矩陣。
2)校驗(yàn)矩陣中“1”的數(shù)目比較多，導(dǎo)致LDPC譯碼器硬件復(fù)雜度較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法，使其譯碼性能更優(yōu)，具有更強(qiáng)的糾錯(cuò)性能，編解碼器的硬件實(shí)現(xiàn)容易。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的信道編碼方法將核心的低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣分為三層分別構(gòu)造，每一層均由該層第一行循環(huán)移位產(chǎn)生，由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建成的校驗(yàn)矩陣再通過高斯消元法轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的生成矩陣，生成矩陣用于編碼器的碼字生成，校驗(yàn)矩陣用于譯碼器的譯碼過程。通過適當(dāng)選取各層第一行中ρ個(gè)“1”的位置，可以構(gòu)造出具有較大最小環(huán)長的校驗(yàn)矩陣，使分層低密度校驗(yàn)碼得到更強(qiáng)的糾錯(cuò)性能。
本發(fā)明提出的采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法具體包括如下步驟
1、根據(jù)所需的碼長N選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)ρ(ρ＞＝4)，使分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣列數(shù)N＝ρ3，行數(shù)K＝3*ρ2，每一行包含ρ個(gè)“1”，每一列包含3個(gè)“1”。該校驗(yàn)矩陣由三層構(gòu)成，每一層ρ2行N列。
2、產(chǎn)生分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣第一層首先將該層第1行中前ρ個(gè)位置填為“1”，之后N-ρ個(gè)位置填為“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)ρ位(“循環(huán)”指尾部移出的ρ位移到該行前列)，可產(chǎn)生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)2ρ位，可產(chǎn)生第3行；按上述方法依次對(duì)該層第1行循環(huán)移位j*ρ位(j＝3…ρ2-1)，可產(chǎn)生第4到第ρ2行，這樣可構(gòu)造出校驗(yàn)矩陣的第一層。
3、產(chǎn)生分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣第二層首先該層第1行中編號(hào)為“1+j*ρ2”(j＝0…ρ-1)共ρ個(gè)位置填為“1”，其他位置填為“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)1位，可產(chǎn)生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)2位，可產(chǎn)生第3行；依次對(duì)該層第1行循環(huán)移動(dòng)j位(j＝3…ρ2-1，可產(chǎn)生第4到第ρ2行，這樣可構(gòu)造出校驗(yàn)矩陣的第二層。
4、產(chǎn)生分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣第三層首先將該層分為ρ個(gè)子層，每一子層由ρ行，N列組成；將第一子層第1行中編號(hào)為“1+j*ρ”(j＝0…ρ-1)共ρ個(gè)位置填為“1”，其他位置填為“0”；將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)1位，可產(chǎn)生第一子層第2行；將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)2位，可產(chǎn)生第一子層第3行；依次對(duì)第一子層第1行循環(huán)移動(dòng)j位(j＝3…ρ-1)，可產(chǎn)生第一子層中第4到第ρ行，這樣完成校驗(yàn)矩陣第三層中第一子層的構(gòu)造。然后將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動(dòng)N/ρ位，可產(chǎn)生第二子層相應(yīng)的ρ行；將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動(dòng)2*N/ρ位，可產(chǎn)生第三子層相應(yīng)的ρ行；依次對(duì)第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動(dòng)j*N/ρ位(j＝3…ρ-1)，可產(chǎn)生第4到第ρ子層相應(yīng)的ρ行，這樣完成校驗(yàn)矩陣第三層的構(gòu)造。
5、將上述得到的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建成校驗(yàn)矩陣H，再將其通過高斯消元法轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的生成矩陣G，生成矩陣G可用于發(fā)端(LDPC編碼器)的碼字生成，校驗(yàn)矩陣H用于收端(LDPC譯碼器)的譯碼過程，這樣實(shí)現(xiàn)了分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法。
本發(fā)明通過上述方法所構(gòu)造的校驗(yàn)矩陣H，其中的各行位置可以互換，各列位置也可以互換。這種互換不影響分層LDPC碼的性能，但可使編譯碼器實(shí)現(xiàn)方便。
本發(fā)明的分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法，將低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣分為三層分別構(gòu)造，通過這種分層構(gòu)造可以保證校驗(yàn)矩陣的最小環(huán)長為8，使譯碼性能更優(yōu)。同時(shí)該矩陣所特有的性質(zhì)保證了其本身的稀疏性及其對(duì)應(yīng)的生成矩陣的稀疏性，可以大大降低分層低密度校驗(yàn)碼編解碼器的硬件復(fù)雜度，因此特別適用于數(shù)字信號(hào)傳輸(存儲(chǔ))系統(tǒng)高速編解碼器的硬件實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第一層結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖。
圖2為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第一層結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第二層結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖。
圖4為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第二層結(jié)構(gòu)圖。
圖5為本發(fā)明分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖。
圖6為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第三層結(jié)構(gòu)圖。
圖7為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣結(jié)構(gòu)圖。
圖7所示矩陣中，“1”用點(diǎn)表示，“0”未標(biāo)出。
圖8為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼生成矩陣結(jié)構(gòu)圖。
圖8所示矩陣中，“1”用點(diǎn)表示，“0”未標(biāo)出。
具體實(shí)施例方式
為更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下給出一個(gè)分層LDPC碼構(gòu)造方法的具體實(shí)施例，具體的步驟如下1、選擇ρ＝4，使分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣列數(shù)N＝64，行數(shù)K＝48，每一行包含4個(gè)“1”，每一列包含3個(gè)“1”。該校驗(yàn)矩陣由三層構(gòu)成，每一層16行64列。
2、分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第一層構(gòu)造如圖1。
首先將該層第1行中前4個(gè)位置填為“1”，之后60個(gè)位置填為“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)4位，產(chǎn)生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)8位，產(chǎn)生第3行；依次對(duì)該層第1行循環(huán)移位4j位(j＝3..15)，可產(chǎn)生第4到第16行。產(chǎn)生的校驗(yàn)矩陣第一層結(jié)構(gòu)如圖2。
3、分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第二層構(gòu)造如圖3。
首先將該層第1行中編號(hào)為1，17，33，49共4個(gè)位置上填“1”，其他位置填“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)1位，產(chǎn)生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動(dòng)2位，產(chǎn)生第3行；依次對(duì)該層第1行循環(huán)移動(dòng)j位(j＝3..15)，可產(chǎn)生第4到第16行。產(chǎn)生的校驗(yàn)矩陣第二層結(jié)構(gòu)如圖4。
4、分層LDPC碼校驗(yàn)矩陣第三層構(gòu)造如圖5。
首先將該層分為4個(gè)子層，每一子層由4行，64列組成。將第一子層第1行中編號(hào)為1，5，9，13共4個(gè)位置上填“1”，其他位置填“0”；將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)1位，產(chǎn)生第一子層第2行；將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)2位，產(chǎn)生第一子層第3行；將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)3位，產(chǎn)生第一子層第4行；然后將第一子層所產(chǎn)生的4行均向后循環(huán)移動(dòng)16位，產(chǎn)生第二子層相應(yīng)的4行；將第一子層所產(chǎn)生的4行均向后循環(huán)移動(dòng)32位，產(chǎn)生第三子層相應(yīng)的4行；將第一子層所產(chǎn)生的4行均向后循環(huán)移動(dòng)48位，產(chǎn)生第四子層相應(yīng)的4行。產(chǎn)生的校驗(yàn)矩陣第三層結(jié)構(gòu)如圖6。
5、將上述方法所得到的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建成校驗(yàn)矩陣H，如圖7所示，再將其通過高斯消元法轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的生成矩陣G，如圖8所示。生成矩陣G用于發(fā)端(LDPC編碼器)的碼字生成，校驗(yàn)矩陣H用于收端(LDPC譯碼器)的譯碼過程。
通過上述方法確定的分層低密度校驗(yàn)碼，為了其編譯碼器的硬件實(shí)現(xiàn)方便，可對(duì)上述方法構(gòu)造的校驗(yàn)矩陣進(jìn)行行或列的互換，不影響分層低密度校驗(yàn)碼性能。
權(quán)利要求
1.一種采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法，其特征在于包括如下具體步驟1)根據(jù)所需的碼長N選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)ρ，ρ＞＝4，使分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣列數(shù)N＝ρ3，行數(shù)K＝3*ρ2，每一行包含ρ個(gè)“1”，每一列包含3個(gè)“1”，校驗(yàn)矩陣由三層構(gòu)成，每一層ρ2行N列；2)產(chǎn)生分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣第一層首先將該層第1行中前ρ個(gè)位置填為“1”，之后N-ρ個(gè)位置填為“0”，然后將第1行向后循環(huán)移動(dòng)ρ位，產(chǎn)生第2行，將第1行向后循環(huán)移動(dòng)2ρ位，產(chǎn)生第3行，如此依次對(duì)第1行循環(huán)移位，產(chǎn)生第4到第ρ2行，構(gòu)造出校驗(yàn)矩陣的第一層；3)產(chǎn)生分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣第二層首先將該層第1行中編號(hào)為“1+j*ρ2”共ρ個(gè)位置填為“1”，其他位置填為“0”，其中j＝0…ρ-1，然后將第1行向后循環(huán)移動(dòng)1位，產(chǎn)生第2行，將第1行向后循環(huán)移動(dòng)2位，產(chǎn)生第3行，如此依次對(duì)第1行循環(huán)移動(dòng)，產(chǎn)生第4到第ρ2行，構(gòu)造出校驗(yàn)矩陣的第二層；4)產(chǎn)生分層低密度校驗(yàn)碼校驗(yàn)矩陣第三層首先將該層分為ρ個(gè)子層，每一子層由ρ行，N列組成；將第一子層第1行中編號(hào)為“1+j*ρ”共ρ個(gè)位置填為“1”，其他位置填為“0”，其中j＝0…ρ-1，將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)1位，產(chǎn)生第一子層第2行，將第一子層第1行向后循環(huán)移動(dòng)2位，產(chǎn)生第一子層第3行，如此依次對(duì)第一子層第1行循環(huán)移動(dòng)，產(chǎn)生第一子層中第4到第ρ行，完成校驗(yàn)矩陣第三層中第一子層的構(gòu)造；然后將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動(dòng)N/ρ位，產(chǎn)生第二子層相應(yīng)的ρ行；將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動(dòng)2*N/ρ位，產(chǎn)生第三子層相應(yīng)的ρ行；如此依次對(duì)第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動(dòng)產(chǎn)生第4到第ρ子層相應(yīng)的ρ行，完成校驗(yàn)矩陣第三層的構(gòu)造；5)將上述得到的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建成校驗(yàn)矩陣H，再將其通過高斯消元法轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的生成矩陣G，生成矩陣G用于低密度校驗(yàn)碼編碼器的碼字生成，校驗(yàn)矩陣H用于低密度校驗(yàn)碼譯碼器的譯碼過程，實(shí)現(xiàn)分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼。
2.如權(quán)利要求1的采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法，其特征在于所述校驗(yàn)矩陣H中的各行位置可以互換，各列位置可以互換。
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用分層低密度校驗(yàn)碼的信道編碼方法，將低密度校驗(yàn)碼的校驗(yàn)矩陣分為三層分別構(gòu)造，每一層均由該層第一行循環(huán)移位產(chǎn)生，得到的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建成的校驗(yàn)矩陣再通過高斯消元法轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的生成矩陣，生成矩陣用于編碼器的碼字生成，校驗(yàn)矩陣用于譯碼器的譯碼過程。本發(fā)明通過適當(dāng)選取各層第一行中“1”的位置，可以構(gòu)造出具有較大最小環(huán)長的校驗(yàn)矩陣，使分層低密度校驗(yàn)碼得到更強(qiáng)的糾錯(cuò)性能，構(gòu)造的校驗(yàn)矩陣及其對(duì)應(yīng)的生成矩陣非常稀疏且具有規(guī)律性，可以大大降低分層低密度校驗(yàn)碼編解碼器的硬件復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H03M13/29GK1564466SQ20041001725
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者潘宇, 徐友云, 田繼峰, 張文軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)