專利名稱：采用分層低密度校驗碼的信道編碼方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用分層低密度校驗碼的信道編碼方法，尤其涉及一種數(shù)字信息傳輸(或存儲)系統(tǒng)中的低密度校驗碼(簡稱LDPC碼)的信道編碼方法。屬于數(shù)字信號傳輸前向糾錯編碼領域。
背景技術：
低密度校驗碼是當今數(shù)字通信技術領域的研究熱點之一。LDPC碼最初在1962年提出，現(xiàn)在研究已證實LDPC碼是一種性能接近香農限的可構造碼。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，性能相似但譯碼復雜度卻遠低于Turbo碼。最近幾年，LDPC信道編碼技術因其卓越的性能已經被選為數(shù)字電視廣播DVB-T中的信道編碼標準。蜂窩移動通信，寬帶衛(wèi)星通信，無線個人區(qū)域網(802.15)，無線移動寬帶接入網(802.20)以及其它諸如數(shù)據(jù)存儲介質設備訪問和有線調制解調器(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。
在一個采用LDPC碼的通信系統(tǒng)中，LDPC碼相當于傳統(tǒng)的線性分組碼，可以用生成矩陣和校驗矩陣描述。在系統(tǒng)的發(fā)端(編碼器)，生成矩陣用于碼字的生成，而校驗矩陣決定了生成矩陣的產生；同時校驗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矩陣所決定，LDPC碼的性能好壞也取決于校驗矩陣的構造。
LDPC碼的校驗矩陣是一個稀疏的矩陣，矩陣中“1”的數(shù)目遠小于“0”的數(shù)目。校驗矩陣由二進制數(shù)字“0”和“1”構成，大小為N*K的矩陣有N列K行，校驗矩陣的每一列對應一個信息比特，每一行定義一個校驗方程。如果矩陣中第k行第n列為“1”，意味著碼字中的第n個比特參與了第k個校驗方程。對于一個規(guī)則的LDPC碼校驗矩陣每一列包含λ個“1”，每一行包含ρ個“1”，但LDPC碼的校驗矩陣并不要求每一列每一行分別包含相同數(shù)目的“1”，因此在構造LDPC碼校驗矩陣時λ和ρ是可變的，相應的可以用n和k的函數(shù)λ(n)、ρ(k)來表示。給定λ(n)、ρ(k)時如何構造具有較大的最小環(huán)長(Girth)的校驗矩陣是提高LDPC信道編碼性能的關鍵技術之一。
目前有兩類LDPC碼，其校驗矩陣采用的構造方法不同。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)，該方法對規(guī)則的LDPC碼校驗矩陣每一列中的λ個“1”采用隨機分配的原則，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矩陣構造方法，利用有限幾何的概念通過生成多項式產生校驗矩陣，在這種確定性的構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))，但這種構造存在兩個問題1)最小環(huán)長為6，無法進一步提高最小環(huán)長，例如無法構造最小環(huán)長為8的校驗矩陣。
2)校驗矩陣中“1”的數(shù)目比較多，導致LDPC譯碼器硬件復雜度較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種采用分層低密度校驗碼的信道編碼方法，使其譯碼性能更優(yōu)，具有更強的糾錯性能，編解碼器的硬件實現(xiàn)容易。
為實現(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碼校驗矩陣分為三層分別構造，每一層均由該層第一行循環(huán)移位產生，由三層結構構建成的校驗矩陣再通過高斯消元法轉化為對應的生成矩陣，生成矩陣用于編碼器的碼字生成，校驗矩陣用于譯碼器的譯碼過程。通過適當選取各層第一行中ρ個“1”的位置，可以構造出具有較大最小環(huán)長的校驗矩陣，使分層低密度校驗碼得到更強的糾錯性能。
本發(fā)明提出的采用分層低密度校驗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?shù)膮?shù)ρ(ρ＞＝4)，使分層低密度校驗碼校驗矩陣列數(shù)N＝ρ3，行數(shù)K＝3*ρ2，每一行包含ρ個“1”，每一列包含3個“1”。該校驗矩陣由三層構成，每一層ρ2行N列。
2、產生分層低密度校驗碼校驗矩陣第一層首先將該層第1行中前ρ個位置填為“1”，之后N-ρ個位置填為“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動ρ位(“循環(huán)”指尾部移出的ρ位移到該行前列)，可產生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動2ρ位，可產生第3行；按上述方法依次對該層第1行循環(huán)移位j*ρ位(j＝3…ρ2-1)，可產生第4到第ρ2行，這樣可構造出校驗矩陣的第一層。
3、產生分層低密度校驗碼校驗矩陣第二層首先該層第1行中編號為“1+j*ρ2”(j＝0…ρ-1)共ρ個位置填為“1”，其他位置填為“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動1位，可產生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動2位，可產生第3行；依次對該層第1行循環(huán)移動j位(j＝3…ρ2-1，可產生第4到第ρ2行，這樣可構造出校驗矩陣的第二層。
4、產生分層低密度校驗碼校驗矩陣第三層首先將該層分為ρ個子層，每一子層由ρ行，N列組成；將第一子層第1行中編號為“1+j*ρ”(j＝0…ρ-1)共ρ個位置填為“1”，其他位置填為“0”；將第一子層第1行向后循環(huán)移動1位，可產生第一子層第2行；將第一子層第1行向后循環(huán)移動2位，可產生第一子層第3行；依次對第一子層第1行循環(huán)移動j位(j＝3…ρ-1)，可產生第一子層中第4到第ρ行，這樣完成校驗矩陣第三層中第一子層的構造。然后將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動N/ρ位，可產生第二子層相應的ρ行；將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動2*N/ρ位，可產生第三子層相應的ρ行；依次對第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動j*N/ρ位(j＝3…ρ-1)，可產生第4到第ρ子層相應的ρ行，這樣完成校驗矩陣第三層的構造。
5、將上述得到的三層結構構建成校驗矩陣H，再將其通過高斯消元法轉化為對應的生成矩陣G，生成矩陣G可用于發(fā)端(LDPC編碼器)的碼字生成，校驗矩陣H用于收端(LDPC譯碼器)的譯碼過程，這樣實現(xiàn)了分層低密度校驗碼的信道編碼方法。
本發(fā)明通過上述方法所構造的校驗矩陣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，但可使編譯碼器實現(xiàn)方便。
本發(fā)明的分層低密度校驗碼的信道編碼方法，將低密度校驗碼校驗矩陣分為三層分別構造，通過這種分層構造可以保證校驗矩陣的最小環(huán)長為8，使譯碼性能更優(yōu)。同時該矩陣所特有的性質保證了其本身的稀疏性及其對應的生成矩陣的稀疏性，可以大大降低分層低密度校驗碼編解碼器的硬件復雜度，因此特別適用于數(shù)字信號傳輸(存儲)系統(tǒng)高速編解碼器的硬件實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明分層LDPC碼校驗矩陣第一層結構構成示意圖。
圖2為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗矩陣第一層結構圖。
圖3為本發(fā)明分層LDPC碼校驗矩陣第二層結構構成示意圖。
圖4為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗矩陣第二層結構圖。
圖5為本發(fā)明分層LDPC碼校驗矩陣第三層結構構成示意圖。
圖6為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗矩陣第三層結構圖。
圖7為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼校驗矩陣結構圖。
圖7所示矩陣中，“1”用點表示，“0”未標出。
圖8為一種ρ＝4，N＝64，K＝48的分層LDPC碼生成矩陣結構圖。
圖8所示矩陣中，“1”用點表示，“0”未標出。
具體實施例方式
為更好的理解本發(fā)明的技術方案，以下給出一個分層LDPC碼構造方法的具體實施例，具體的步驟如下1、選擇ρ＝4，使分層低密度校驗碼校驗矩陣列數(shù)N＝64，行數(shù)K＝48，每一行包含4個“1”，每一列包含3個“1”。該校驗矩陣由三層構成，每一層16行64列。
2、分層LDPC碼校驗矩陣第一層構造如圖1。
首先將該層第1行中前4個位置填為“1”，之后60個位置填為“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動4位，產生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動8位，產生第3行；依次對該層第1行循環(huán)移位4j位(j＝3..15)，可產生第4到第16行。產生的校驗矩陣第一層結構如圖2。
3、分層LDPC碼校驗矩陣第二層構造如圖3。
首先將該層第1行中編號為1，17，33，49共4個位置上填“1”，其他位置填“0”；然后將該層第1行向后循環(huán)移動1位，產生第2行；將該層第1行向后循環(huán)移動2位，產生第3行；依次對該層第1行循環(huán)移動j位(j＝3..15)，可產生第4到第16行。產生的校驗矩陣第二層結構如圖4。
4、分層LDPC碼校驗矩陣第三層構造如圖5。
首先將該層分為4個子層，每一子層由4行，64列組成。將第一子層第1行中編號為1，5，9，13共4個位置上填“1”，其他位置填“0”；將第一子層第1行向后循環(huán)移動1位，產生第一子層第2行；將第一子層第1行向后循環(huán)移動2位，產生第一子層第3行；將第一子層第1行向后循環(huán)移動3位，產生第一子層第4行；然后將第一子層所產生的4行均向后循環(huán)移動16位，產生第二子層相應的4行；將第一子層所產生的4行均向后循環(huán)移動32位，產生第三子層相應的4行；將第一子層所產生的4行均向后循環(huán)移動48位，產生第四子層相應的4行。產生的校驗矩陣第三層結構如圖6。
5、將上述方法所得到的三層結構構建成校驗矩陣H，如圖7所示，再將其通過高斯消元法轉化為對應的生成矩陣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碼，為了其編譯碼器的硬件實現(xiàn)方便，可對上述方法構造的校驗矩陣進行行或列的互換，不影響分層低密度校驗碼性能。
權利要求
1.一種采用分層低密度校驗碼的信道編碼方法，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?shù)膮?shù)ρ，ρ＞＝4，使分層低密度校驗碼校驗矩陣列數(shù)N＝ρ3，行數(shù)K＝3*ρ2，每一行包含ρ個“1”，每一列包含3個“1”，校驗矩陣由三層構成，每一層ρ2行N列；2)產生分層低密度校驗碼校驗矩陣第一層首先將該層第1行中前ρ個位置填為“1”，之后N-ρ個位置填為“0”，然后將第1行向后循環(huán)移動ρ位，產生第2行，將第1行向后循環(huán)移動2ρ位，產生第3行，如此依次對第1行循環(huán)移位，產生第4到第ρ2行，構造出校驗矩陣的第一層；3)產生分層低密度校驗碼校驗矩陣第二層首先將該層第1行中編號為“1+j*ρ2”共ρ個位置填為“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1位，產生第2行，將第1行向后循環(huán)移動2位，產生第3行，如此依次對第1行循環(huán)移動，產生第4到第ρ2行，構造出校驗矩陣的第二層；4)產生分層低密度校驗碼校驗矩陣第三層首先將該層分為ρ個子層，每一子層由ρ行，N列組成；將第一子層第1行中編號為“1+j*ρ”共ρ個位置填為“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1位，產生第一子層第2行，將第一子層第1行向后循環(huán)移動2位，產生第一子層第3行，如此依次對第一子層第1行循環(huán)移動，產生第一子層中第4到第ρ行，完成校驗矩陣第三層中第一子層的構造；然后將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動N/ρ位，產生第二子層相應的ρ行；將第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動2*N/ρ位，產生第三子層相應的ρ行；如此依次對第一子層的ρ行均向后循環(huán)移動產生第4到第ρ子層相應的ρ行，完成校驗矩陣第三層的構造；5)將上述得到的三層結構構建成校驗矩陣H，再將其通過高斯消元法轉化為對應的生成矩陣G，生成矩陣G用于低密度校驗碼編碼器的碼字生成，校驗矩陣H用于低密度校驗碼譯碼器的譯碼過程，實現(xiàn)分層低密度校驗碼的信道編碼。
2.如權利要求1的采用分層低密度校驗碼的信道編碼方法，其特征在于所述校驗矩陣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碼的信道編碼方法，將低密度校驗碼的校驗矩陣分為三層分別構造，每一層均由該層第一行循環(huán)移位產生，得到的三層結構構建成的校驗矩陣再通過高斯消元法轉化為對應的生成矩陣，生成矩陣用于編碼器的碼字生成，校驗矩陣用于譯碼器的譯碼過程。本發(fā)明通過適當選取各層第一行中“1”的位置，可以構造出具有較大最小環(huán)長的校驗矩陣，使分層低密度校驗碼得到更強的糾錯性能，構造的校驗矩陣及其對應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碼編解碼器的硬件復雜度。
文檔編號H03M13/29GK1564466SQ20041001725
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月29日 優(yōu)先權日2004年3月29日
發(fā)明者潘宇, 徐友云, 田繼峰, 張文軍 申請人:上海交通大學