专利名称：多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法
技术领域：
本发明涉及现代数字通信中信道译码方法，尤其是一种多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，即LDPC(低密度校验)码LLRBP(对数似然比置信传播)算法的实现，其中包含利用简单的电路结构实现复杂的对数函数、双曲正切函数及其反函数。
背景技术：
MIMO(多输入多输出)系统的空间复用技术在可以实现高速数据传输，但当信道呈现严重的频率选择性的时候，MIMO系统传输的性能将急剧下降。OFDM(正交频分复用)系统通过将信道划分成多个正交子信道的方法可以有效地抵抗频率选择性衰落。所以，将MIMO系统与OFDM系统结合起来进行数据传输可以大大提高频谱效率。基于此，MIMO系统与OFDM系统相结合的方案成为宽带无线通信的研究热点。在多径传输环境下，尽管OFDM系统中绝大部分子载波始终可以进行正确的检测，但系统的性能仍会因为部分子载波受到深衰落的影响而急剧恶化，一种重要的解决方法是将纠错编码应用于系统中，作为纠错编码的研究热点的LDPC码因其接近香农限的卓越性能成为首选。MIMO-OFDM系统原理图如图1所示，本发明所涉及的就是虚线部分的译码方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，该译码方法在基于对数似然比置信传播算法的基础上，运用CORDIC(坐标旋转数字计算机)计算了译码中所需要的对数函数、双曲正切函数及其反函数，是一种简单高效的LDPC译码方法。
本发明方法是这样实现的 多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，基于对数似然比置信传播原理，对数似然比置信传播包括初始化、变量节点向校验节点传递信息、校验节点向变量节点传递信息、译码判决，其特征是对于初始化的对数函数以及校验节点向变量节点传递信息的双曲正切函数及其反函数，利用坐标旋转数字计算机结构，将上述函数涉及的旋转的角度离散化为固定值，然后利用这些固定值逐步偏转到所需要旋转的角度，得到坐标旋转数字计算机结构的差分方程； 其中，初始化时的对数函数的计算中，信道信息经除法器后输出依次经过乘法器、加法器以及减法器得到一个向量，以该向量为初始向量的向量模式下的坐标旋转数字计算机结构，定义为第一种坐标旋转数字计算机结构，该结构的输出结果即为校验节点初始化信息； 校验节点向变量节点传递信息时，先将变量节点信息通过移位器右移，形成一个向量，再以该向量为初始向量的旋转模式下坐标旋转数字计算机算法，定义为第二种坐标旋转数字计算机结构，将该结构输出向量中的分量经过除法器输出经过乘法器再形成一个向量，以该向量为初始向量的向量模式下坐标旋转数字计算机算法结构，定义为第三种坐标旋转数字计算机结构，将该结构输出向量中的分量经过移位器左移即得到校验节点传递给变量节点的信息。
具体按以下步骤 首先经过第一种坐标旋转数字计算机结构、加法器、减法器、乘法器以及除法器实现对数似然比置信传播算法的校验节点信息的初始化 然后经过加法器实现低密度校验码中变量节点向校验节点传递信息 接着利用第二种和第三种坐标旋转数字计算机结构、移位器、乘法器以及除法器实现校验节点向变量节点传递信息 最后利用加法器和选择器实现译码判决 并判断判决后的码字是否正确，即是否成立，若正确则迭代结束，否则继续迭代，直到最大迭代次数。
初始化方法如下 (1)将信道信息，即信道转移概率P(xn＝1|yn)以及P(xn＝0|yn)经过除法器之后的输出为 (2)将信道转移概率比值
经过乘法器、加法器以及减法器之后得到的向量为 (3)以向量作为坐标旋转数字计算机算法向量模式的初始向量，形成第一种坐标旋转数字计算机结构，该结构的输出向量中分量zn即为 变量节点向校验节点传递信息为现有方法，通过以下步骤实现 将
(u∈M(n)-{m})经过加法器之后即可得到变量节点向校验节点转递的信息Λc(cn)，即实现 校验节点向变量节点传递信息通过以下步骤实现 (1)将变量节点信息
通过移位器右移实现乘以
即实现
从而形成向量 (2)以
为坐标旋转数字计算机算法旋转模式结构的初始向量，得到第二种坐标旋转数字计算机结构，该结构中的输出向量中的分量 (3)上面的xn，yn经过一个除法器之后得到 (4)
再经过乘法器后得到
形成向量 (5)以为坐标旋转数字计算机算法向量模式结构的初始向量，得到第三种坐标旋转数字计算机结构，该结构的输出向量中分量 (6)将经过移位器左移得到校验节点传递给变量节点的信息 最后利用加法器和选择器实现译码判决 并判断判决后的码字是否正确，即是否成立，若正确则迭代结束，否则继续迭代，直到最大迭代次数。
本发明的优点及显著效果(1)由于CORDIC结构很简单，只用到移位和加减运算，所以本发明采用了CORDIC结构，使得LDPC码LLR BP译码方法的复杂度较低；(2)在利用CORDIC结构计算对数函数、双曲正切函数以及反函数时利用了电路结构的复用技术，使得LDPC译码方法的复杂度更低；(3)基于CORDIC有许多简化的改进算法，本发明的译码方法的复杂性还可以随之进一步降低；(4)该译码方法是LLR BP译码原理的实现，由于LLR BP译码原理目前是LDPC码性能最优的软判决算法，所以这种译码方法的性能最高。
图1是MIMO-OFDM系统发送端和接收端框图； 图2是LDPC码的LLR BP译码算法的流程图； 图3是本发明CORDIC结构的两种工作模式的复用电路； 图4是本发明LDPC码译码结构。
具体实施例方式 首先阐述本发明方法的原理 LLR BP算法是LDPC码的性能最优的软判译码算法，LLR BP译码算法的流程图如图2所示，其中n＝1，2，…，N；m＝1，2，…，M，N为LDPC码变量节点的个数，M为LDPC码校验节点的个数，Nstop为LLR BP译码的最大迭代次数。
在LLR BP译码算法中，初始化时用到了对数函数，校验节点传递可靠性信息给变量节点时用到了双曲正切函数及其反函数，对这些函数的传统实现方法是泰勒展开或者查找表，这样就存在较大的误差，硬件实现也复杂。这里利用CORDIC结构实现这些函数运算，由于CORDIC结构简单，精度较高，所以能很好的实现LLR BP译码算法。
CORDIC结构的思想是先将旋转的角度离散化为固定值，然后利用这些固定值逐步偏转到所需要旋转的角度。实现双曲函数的CORDIC结构的差分方程为 CORDIC结构有两种工作模式，即旋转模式和向量模式。对旋转模式而言，σi＝sign(zi)，差分方程的迭代结果为 对于向量模式而言，σi＝-sign(yi)，差分方程的迭代结果为 根据CORDIC结构的两种工作模式知，可以通过选择器对这两种工作模式进行复用。复用后的流水线实现结构如图3所示，其中是虚线部分是为了复用而在传统的CORDIC流水线结构的基础上增加的选择器。
根据上面旋转模式和向量模式的迭代结果可知，对旋转模式而言，若初始值设为(x0，y0，z0)＝(0，1，z0)，则 记这种特定初始值的CORDIC结构再加上除法器以实现tanh z0的结构为CORDIC-2(即为前述第二种坐标旋转数字计算机结构加上除法器)；对向量模式而言，始值设为(x0，y0，z0)＝(1，y0，0)，则zn＝arctanh y0，记这种特定初始值的CORDIC结构为CORDIC-3(即为前述第三种坐标旋转数字计算机结构)；类似上面的分析，在向量模式中，若始值设为(x0，y0，z0)＝(a2+1，a2-1，0)，则zn＝ln a。记这种特定初始值的CORDIC结构为CORDIC-1(即为前述第一种坐标旋转数字计算机结构)。所以，CORDIC-2与CORDIC-3结合起来再加上乘法器和移位器(移位器左移实现乘以2，移位器右移实现乘以
)可以实现LLR BP算法校验节点传递可靠性信息给变量节点，即 CORDIC-1可以用来实现LLR BP算法初始化运算中Λc(cn)的计算，即 基于上面的分析，LDPC译码器结构如图4所示(变量节点传递可靠性信息给校验节点部分的结构因简单而省略)。
以下参照上面的LLR BP算法以及附图进行说明。
首先是初始化，这里主要是Λc(cn)的计算，即 计算Λc(cn)利用到了CORDIC-1，CORDIC-1的工作模式为向量模式，可以在图3中通过选择器使得CORDIC工作在向量模式下，并设置CORDIC-1的初始值为 实现Λc(cn)的电路实现结构如图4(上半部分)所示，首先将来自信道的信道信道转移概率信息送到CORDIC-1中，计算出Λc(cn)做为LDPC码译码的初始化。
然后是变量节点传递可靠性信息给校验节点，即实现 这一步相对简单，只需要加法器即可，因其实现结构简单故在图4中省略。
接着是最重要的一步，校验节点传递可靠性信息给变量节点，即实现 实现
所需要的硬件电路结构为CORDIC-2，需要移位器左移一位实现乘以
CORDIC-2的初始值为 利用CORDIC-2实现了
之后，还要用乘法器实现最终CORDIC-3的初始值为 从而CORDIC-3的输出值为再需要移位器左移(相当于乘以2)即为
计算
的电路实现结构图如图4(下半部分)所示。
最后一步是译码判决和译码结束，这些功能的电路实现很简单，且为现有技术，故在图4中省略。
虽然在本说明书中，已根据本发明的一种最佳实施例对本发明进行了详细的阐述，但在技术领域中的专业人员仍能对本发明做出各种改进和变型。因此，附加的权利要求企图包括属于本发明实质内容的所有的改进变型。
权利要求
1、多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，基于对数似然比置信传播原理，对数似然比置信传播包括初始化、变量节点向校验节点传递信息、校验节点向变量节点传递信息、译码判决，其特征是对于初始化的对数函数以及校验节点向变量节点传递信息的双曲正切函数及其反函数，利用坐标旋转数字计算机结构，将上述函数涉及的旋转的角度离散化为固定值，然后利用这些固定值逐步偏转到所需要旋转的角度，得到坐标旋转数字计算机结构的差分方程；
其中，初始化时的对数函数的计算中，信道信息经除法器后输出依次经过乘法器、加法器以及减法器得到一个向量，以该向量为初始向量的向量模式下的坐标旋转数字计算机结构，定义为第一种坐标旋转数字计算机结构，该结构的输出结果即为校验节点初始化信息；
校验节点向变量节点传递信息时，先将变量节点信息通过移位器右移，形成一个向量，再以该向量为初始向量的旋转模式下坐标旋转数字计算机算法，定义为第二种坐标旋转数字计算机结构，将该结构输出向量中的分量经过除法器输出经过乘法器再形成一个向量，以该向量为初始向量的向量模式下坐标旋转数字计算机算法结构，定义为第三种坐标旋转数字计算机结构，将该结构输出向量中的分量经过移位器左移即得到校验节点传递给变量节点的信息。
2、根据权利要求1所述多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，其特征是通过设置选择器，对坐标旋转数字计算机结构的旋转模式和向量模式进行复用，以便在一个坐标旋转数字计算机结构中实现上述第一、第二、第三种坐标旋转数字计算机结构。
3、根据权利要求1或2所述多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，其特征是如下具体步骤
首先经过第一种坐标旋转数字计算机结构、加法器、减法器、乘法器以及除法器实现对数似然比置信传播算法的校验节点信息的初始化
然后经过加法器实现低密度校验码中变量节点向校验节点传递信息
接着利用第二种和第三种坐标旋转数字计算机结构、移位器、乘法器以及除法器实现校验节点向变量节点传递信息
最后利用加法器和选择器实现译码判决
并判断判决后的码字是否正确，即是否成立，若正确则迭代结束，否则继续迭代，直到最大迭代次数。
4、根据权利要求3所述多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，其初始化方法如下
(1)将信道信息，即信道转移概率P(xn＝1|yn)以及P(xn＝0|yn)经过除法器之后的输出为
(2)将信道转移概率比值经过乘法器、加法器以及减法器之后得到的向量为
(3)以向量作为坐标旋转数字计算机算法向量模式的初始向量，形成第一种坐标旋转数字计算机结构，该结构的输出向量中分量zn即为
5、根据权利要求3所述多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，其校验节点向变量节点传递信息是通过以下步骤来实现的
(1)将变量节点信息
通过移位器右移实现乘以
即实现
从而形成向量
(2)以
为坐标旋转数字计算机算法旋转模式结构的初始向量，得到第二种坐标旋转数字计算机结构，该结构中的输出向量中的分量
(3)上面的xn，yn经过一个除法器之后得到
(4)
再经过乘法器后得到
形成向量
(5)以为坐标旋转数字计算机算法向量模式结构的初始向量，得到第三种坐标旋转数字计算机结构，该结构的输出向量中分量
(6)将经过移位器左移得到校验节点传递给变量节点的信息
全文摘要
本发明提出一种多输入多输出正交频分复用系统低密度校验码的译码方法，该方法基于对数似然比置信传播原理，其特征是通过坐标旋转数字计算机结构、移位器、加法器、乘法器以及除法器的相关运算实现了低密度校验码的对数似然比置信传播译码。该译码方法中还通过选择器来实现坐标旋转数字计算机结构的复用，使得低密度校验码的译码结构更简单。
文档编号H03M13/00GK101488759SQ200910024440
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者萌 张, 星 高, 戴志生, 吴建辉, 汤佳健, 刘万福, 锋 罗, 方信昀, 红 李, 时龙兴 申请人:东南大学