低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法技术

本发明专利技术涉及低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法，属于通信信道译码技术领域，该方法为：首先对LDPC码第i个码元的软信息、对比特节点i输出到校验节点j的外信息、对校验节点j输出到比特节点i的外信息选定一组以多比特表示的均匀量化参数；再以该均匀量化参数为基础，依次逐步减少所述三种变量的量化值数目，直至得到满足译码性能要求的三种变量所需数目的量化值，这些量化值组成三种不同的非均匀量化参数集合，采用所述三种非均匀量化参数分别对三种变量值进行量化。本发明专利技术所提出的非均匀量化方法可以利用3比特量化位宽，达到均匀量化方法6比特量化位宽下的译码性能，有效降低了译码器硬件实现所需资源，具有较好的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信信道译码
，特别涉及基于低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法。
技术介绍
随着我国高分辨率对地观测系统的快速发展，卫星对地观测精度日益提升，需要传输的数据量飞速增长，星地数传速率需求由数百兆比特每秒提升到了数千兆比特每秒。而受制于星上射频器件的功率，星地数传链路的传输速率由数百兆比特每秒提升到数千兆比特每秒面临着巨大的挑战，需要采用高增益的信道编码以缓解链路电平余量紧张的局面。在现有信道编码方法中，低密度奇偶校验码(Low-Density Parity-Check code,以下简称LDPC码)的具有编码增益最接近香农纠错编码理论极限、同时具有误码平底低、并行译码适合高速传输等优点，在卫星数传领域具有强烈的应用需求。然而，现有基于FPGA芯片设计实现的LDPC译码器，速率仅为数百兆比特每秒，要在资源有限的FPGA芯片中实现数千兆比特每秒速率的高性能LDPC译码器，需要进一步探索降低LDPC译码实现复杂度的方法。高效的迭代数值量化是实现低复杂度LDPC译码器设计的关键。LDPC码常用的译码方法主要是基于置信度传播和积译码算法，而和积译码算法在硬件实现上，对每一步译码运算结果都要进行数值量化处理。数值量化的过程就是把高精度数值集合映射成一个离散幅度值的有限数集合，用有限位比特数代表若干量化值，数值最大的量化值取为最大量化值，正最大量化值与负最小量化值代表了量化范围，相邻两个量化值之差为量化间隔，量化处理用每个量化值代表一个区间范围内的全部数值，此区间取为该量化值对应的量化区间，最大量化值对应的量化区间取为最大量化区间。目前通常采用的均匀量化方法是指量化间隔相同的量化方法，其硬件实现复杂度较高，研究高效量化方法能够以更低的硬件资源代价达到更好的性能，对于解决通信系统中数据传输速率及可靠性问题，具有非常重要的意义。LDPC码是一种分组码，采用超稀疏随机矩阵作为校验矩阵，其矩阵结构可用双向 Tanner网格图来表示。图1所示为一个双向Tanner图，图中每个黑色小方格代表校验矩阵H中一行的约束关系，即每行所有非零元素将对应的LDPC码元构成一个相当于校验码的约束，这种校验关系定义为一个校验节点j。图中每个黑色小圆圈代表校验矩阵H中的一列的约束关系，即每列所有非零元素都对应着LDPC码字中的同一个码元，它们与接收码元一起构成了一个相当于重复码的约束，这种约束关系定义为一个比特节点i。校验矩阵H中的每个非零元素既参与校验节点的约束关系又参与比特节点的约束关系，在Tanner图中映射为连接两种节点的“连结线”。校验节点和比特节点的输出外信息通过这两种节点间的“连结线”传递进行互反馈迭代译码。在译码过程中，首先进行比特节点的译码。每个比特节点接收到来自信道的对应码元软信息，即对应码元符号取\1\的概率除以取\0\的概率得到的值再取自然对数，同时每个比特节点还收到与该节点相连接的校验节点输出外信息，利用这些信息按照比特节点约束关系进行译码后，将比特节点输出外信息传递到与之相连接的校验节点，每个校验节点利用传递来的外信息按照校验节点约束关系进行译码，再将译码结果输出给相连接的比特节点。外信息沿着“连结线”在比特节点和校验节点之间来回传递，完成译码的全过程。基于均匀量化方法的LDPC码和积译码算法实现流程如下：1)对译码初始化：接收端接收到来自信道的实数序列R＝[R0,R1,…,RN-1]，其中N为LDPC码码字长度，将LDPC码每个码元调整成对数似然比的形式，作为该LDPC码码元的输入软信息：LLR(Ri)＝2/σ2Ri,1≤i≤N其中σ2为信道噪声标准方差。对计算出的每个码元软信息进行(Q,Qf)均匀量化处理：其中Q取量化比特数，Qf取软信息小数部分量化比特数，x取码元软信息数值。2)进行比特节点译码：每一个比特节点i利用来自信道的每个LDPC码码元软信息以及与之相连的校验节点输出外信息进行译码，输入与输出为“和”的关系： q j ( n ) ( i ) = Σ j ′ ∈ C o l [ i ] j ′ ≠ j r i ( n ) ( j ′ ) + L L R ( R i ) ]]>其中Col[i]表示校验矩阵H中第i列中非零元素位置的集合，ri(n)(j)表示第n次迭代，从校验节点j输出到比特节点i的外信息。若为第一次迭代，迭代次数n＝1，初始条件下校验节点输出外信息设为零，即ri(1)(j)＝0。对计算出的每个比特节点输出外信息进行均匀量化处理，处理方法与步骤1)相同，其中Q取量化比特数，Qf取比特节点输出外信息小数部分量化比特数，x取比特节点输出外信息数值。3)进行校验节点译码：每一个校验节点j利用与之相连接的比特节点输出外信息进行译码，输入与输出为“积”的关系： r i ( n + 1 ) ( j ) = Φ - 1 ( Π i ′ ∈ R o w [ j ] i ′ ≠ i Φ ( 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法，其特征在于，对码元软信息、从校验节点输出到比特节点的外信息、从比特节点输出到校验节点的外信息这三种变量分别采用不同的非均匀量化参数；首先对LDPC码第i个码元的软信息、对比特节点i输出到校验节点j的外信息、对校验节点j输出到比特节点i的外信息选定一组多比特表示的均匀量化参数；再以该均匀量化参数为基础，依次逐步减少所述三种变量的量化值数目，最终得到满足译码性能要求的三种变量所需数目的量化值，这些量化值组成三种不同的非均匀量化参数的集合，采用所述不同的非均匀量化参数分别对三种变量值进行量化。

【技术特征摘要】
1.一种低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法，其特征在于，对码元软信息、从校验节点输出到比特节点的外信息、从比特节点输出到校验节点的外信息这三种变量分别采用不同的非均匀量化参数；首先对LDPC码第i个码元的软信息、对比特节点i输出到校验节点j的外信息、对校验节点j输出到比特节点i的外信息选定一组多比特表示的均匀量化参数；再以该均匀量化参数为基础，依次逐步减少所述三种变量的量化值数目，最终得到满足译码性能要求的三种变量所需数目的量化值，这些量化值组成三种不同的非均匀量化参数的集合，采用所述不同的非均匀量化参数分别对三种变量值进行量化。2.如权利要求1所述低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：1)通过仿真确定满足译码性能要求的最低均匀量化比特数，得到软信息的均匀量化参数(QL,QfL)，比特节点输出外信息的均匀量化参数(Qq,Qfq)，校验节点输出外信息的均匀量化参数(Qr,Qfr)，其中QL,Qq,Qr分别代表三种信息的量化比特数，QfL,Qfq,Qfr分别代表三种信息的小数部分的量化比特数；2)基于步骤1)得到的均匀量化参数(QL,QfL),(Qq,Qfq)和(Qr,Qfr)，依次分别逐步减少LLR(Ri)、和的量化值数目至到个，用Qnon表示非均匀量化值比特数，Qnon取值为不大于QL,Qq,Qr最小值的正整数；先从最大量化值开始并通过性能仿真依次确定每个变量的第...、1个非均匀量化值；3)将确定后的LLR(Ri)、的个非均匀量化值得到三种非均匀量化值集合，对三种集合的非均匀量化值进行仿真，若译码性能符合要求则作为最终非均匀量化值，若译码性能不符合要求则返回步骤2)重新确定三变量的非均匀量化值。3.如权利要求2所述低密度奇偶校验码和积译码运算数值的非均匀量化方法，其特征在于，所述步骤2)具体实施步骤如下：2.1)确定接收到每个码元软信息LLR(Ri)的第个非均匀量化值；码元软信息均匀量化参数(QL,QfL)中将个正量化值的正实数分割成个正向量化区间， 个负量化值的负实数分割成个负向量化区间，正最小量化区间和...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷柳国，曲欣茹，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11