基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道译码方法
【专利摘要】本发明提供的是一种基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道译码方法。信源符号序列sh经AC编码器后得到编码序列bh，D个编码序列bh经并串转换器后得到LDPC编码器的输入信息序列b，b通过LDPC编码器后形成码字序列x，x经BPSK调制后送入到AWGN信道，接收序列r输入到LDPC译码器和Chase?SISO AC译码器组成的闭环中进行迭代译码，若干次迭代后LDPC译码器输出译码序列经串并转换器转换得到序列通过AC译码器后得到译码符号序列本发明将无损压缩效率非常高的AC与抗差错能力非常强的LDPC码相结合，使得系统的有效性和可靠性都很高，同时采用IJSCD方法，在保证有效性的情况下，进一步的提高可靠性。
【专利说明】
基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道谭码 方法
技术领域
[0001] 本发明设及的是一种无线通信系统中的联合信源信道译码方法，具体地说是一种 基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道译码方法。
【背景技术】
[0002] 信源编码和信道编码是通信系统不可或缺的两部分，信源编码的目的是去除信源 冗余提高通信的有效性，信道编码的目的是添加冗余提高通信的可靠性。传统的接收机结 构设计中通常将信源译码和信道译码分离考虑，没有充分地利用信源信息。联合信源信道 译码(Joint Source Channel Decoding,JSCD)方法将信源和信道整体考虑，使信源信息得 W充分利用，在保证有效性的前提下，可进一步提高可靠性。
[0003] 算术码(Arithmetic Coding,AC)是一种压缩效率比Huffman码更高的无损信源编 码，它将要编码的符号序列整体映射为一个码字，引入了小数编码的思想，可无限接近理论 压缩比的上限，已广泛应用于图像、视频等多种压缩标准中。低密度奇偶校验码化OW-density化;rity-check，LDPC)是一类可与化Ao码相媳美的信道编码方案，其译码性能可 接近化annon限，于2003年被欧洲新一代数字卫星广播标准(DVB-S2)所采纳。因此，算术码 与LDPC码的联合具有广阔的应用前景和实用价值，JSCD方法能在保证有效性的基础上，提 高抗干扰能力，实现通信的可靠性要求。
[0004] 随着I'urbo迭代译码思想的提出，软输入软输出（Soft-input Soft-output ,SISO) 译码算法得到了国内外学者的广泛关注。为了实现信源信道的联合译码，基于SISO算法的 信源译码器结构被提出，该信源译码器结合信源先验信息和信道信息，采用相关算法得到 软信息，并将其传递给信道译码器。当前多媒体数字传输已成为通信业务的主流，其传输的 数据量十分庞大且面临复杂多变的信道环境，对通信系统的有效性和可靠性提出了更高的 要求。若将联合信源信道译码技术应用于多媒体通信系统中，可在保证数据高效传输的同 时提高系统的可靠性。
[0005] 2007年，M.Grangetto等人在杂志《I邸E Transactions on Image Processing》上 发表题为('Iterative decodin邑 of seri曰Ily cone曰ten曰ted 曰rithmetic 曰nd ch曰nnel codes with JPEG 2000applications"-文，提出了一种基于算术码与系统卷积码的迭代 联合信源信道译码（Iterative Joint Source化annel Decoding, IJSCD)方法，该方法在 算术编码器中添加禁用符号来增加算术码的检错能力，AC-SISO译码器利用BCJR(Bahl Cocke Jelinek Raviv)算法来计算信息位的后验概率，并将其传递给卷积码译码器，同时 卷积码译码器将其得到的外信息传递给AC-SISO译码器，通过多次迭代最终完成译码。但该 方法的不足之处是损失了算术码的部分压缩效率，计算量大，实现复杂度高。
[0006] 2008年，逢玉叶在其博±学位论文"基于算术码的联合信源信道编解码研究"中提 出了一种自适应的基于算术码与系统卷积码的IJSCD方法，该方法根据信道条件的好坏自 适应的调节BCJR算法的译码节点的数量，相较于M. Grangetto等人所提的IJSCD方法计算量 有所下降，但当信息位长度较大时，该方法的运算量依然非常庞大，不易实现。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种在保证有效性的同时可W进一步提高系统的可靠性， 并且运算量较小，实现复杂度较低的基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道 译码方法。
[000引本发明的目的是运样实现的：
[0009] 信源符号序列sh经AC编码器1后得到编码序列bh，D个编码序列护经并串转换器2后 得到LDPC编码器3的输入信息序列b，b通过LDPC编码器3后形成码字序列x，x经BPSK调制后 送入到AWGN信道4,接收序列r输入到LDPC译码器5和化ase-SISO AC译码器6组成的闭环中 进行迭代译码，若干次迭代后LDPC译码器5输出译码序列b，6经串并转换器7转换得到序列 心'，6*通过AC译码器8后得到译码符号序列。
[0010] 所述接收序列r输入到LDPC译码器5和化ase-SISO AC译码器6组成的闭环中进行 迭代译码具体包括:设置化ase-SISO AC译码器6反馈给LDPC译码器5的初始值为"0"，解调 器根据信道信息r得到发送序列的后验概率，并将其传递给LDPC译码器5,随后进行第一次 迭代联合译码过程;所述第一次迭代联合译码过程包括:LDPC译码器5采用化R-BP算法输出 译码序列i及软信息Qi，所述译码序列i及软信息Qi传递给化ase-SISO AC译码器6,^ase-SISO AC译码器6根据序列i和软信息Qi运用化ase-type算法得到新的软信息Wi,并将新的 软信息Wi反馈给LDPC译码器5完成第一次迭代联合译码。
[0011] 所述若干次迭代是按照与第一次迭代联合译码过程相同的方法继续完成第二次、 第S次........第N次迭代，直至达到最大外迭代次数或HiT =0。
[0012] 本发明的基于算术码(AC)与低密度奇偶校验化DPC)码的迭代联合信源信道译码 (IJSCD)方法，在由AC编码器1、并串转换器(P/S)2、LDPC编码器3、AWGN信道4、LDPC译码器5、 基于Chase-type算法的AC软输入软输出（Chase-SISO AC)译码器6、串并转换器（S/P)7W及 AC译码器8构成的系统中完成。信源符号序列sh经AC编码器1后得到编码序列bh，D个编码序 列bh经并串转换器2后得到LDPC编码器3的输入信息序列b，b通过LDPC编码器3后形成码字 序列x，x经BPSK调制后送入到AWGN信道4,接收序列r输入到LDPC译码器5和化ase-SISO AC 译码器6组成的闭环中进行迭代译码，若干次迭代后LDPC译码器5输出译码序列b，6经串并 转换器7转换得到序列!V'，IV'通过AC译码器8后得到译码符号序列r。本发明的主要特点在 于：
[0013] (I)LDPC译码器5和化ase-SISO AC译码器6组成一个基于SISO算法迭代处理闭环， 设置化ase-SISO AC译码器6反馈给LDPC译码器5的初始值为"0"。解调器根据信道信息r得 到发送序列的后验概率，并将其传递给LDPC译码器5,随后进行第一次迭代联合译码过程， 即LDPC译码器5采用LLR-BP算法输出译码序列S及软信息qi，该序列和软信息传递给化ase-SISO AC译码器6 ,Chase-SISO AC译码器6根据序列i和可信度Qi运用化ase-type算法得到 软信息Wi，并将其反馈给LDPC译码器5。至此，完成第一次迭代联合译码，依照此方法继续完 液窠二狄、窠三狄........第N次迭代，直至达到最大外迭代次数或HiT二0。
[0014] (2)LDPC译码器5和化ase-SISO AC译码器6构成的一个基于SISO算法迭代处理闭 环，通过迭代机制使信道译码器与信源译码器互相交换与传递软信息，充分利用信源信息 与信道信息。
[00巧](3)AC译码器6中低复杂度的Chase-type算法的引入与应用。
[0016] 本发明采用一种低复杂度的化ase-type算法来实现算术码的SISO结构，并将算术 码与LDP邱马进行迭代联合译码，提高系统可靠性的同时兼顾了实现的复杂度。
[0017] 本发明的优势在于：
[0018] 考虑到基于BCJR算法的AC-SISO译码器的实现是W牺牲AC编码效率为代价，因此 本发明采用化ase-type算法来设计AC-SISO译码器。运用化ase-type算法无需在信源集中 添加禁用符号，且对AC的编码效率没有影响。
[0019] 针对基于BCJR算法的AC-SISO译码器的运算量大和实现复杂度高的问题，本发明 采用的Oiase-type算法可有效降低AC-SISO译码器的计算量。基于Chase-type算法的AC-SISO译码器只在〇 = 2>-般取6)个候选序列中选出满足如下条件的序列作为译码序列：
[0020] 1)译码符号序列的长度等于信源符号序列长度；
[0021] 2)具有最大后验概率。
[0022] 由于译码过程没有较多的乘法运算，且运算量只与选择可信度最低的比特数a有 关，与序列的长度无关。因此基于化ase-type算法的AC-SISO译码器具有较低的运算量，易 于实现。
[0023] 本发明将目前无损压缩效率非常高的AC与抗差错能力非常强的LDPC码相结合，使 得系统的有效性和可靠性都很高，同时采用IJSCD方法，可在保证有效性的情况下，进一步 的提高系统的可靠性。
【附图说明】
[0024] 图1为与本发明所对应的系统框图；
[0025] 图2为与本发明所对应的AC与LDP邱马迭代联合译码过程中的消息传递示意图；
[0026] 图3为与本发明所对应的AC与LDP邱马迭代联合译码的误比特率曲线；
[0027] 图4为与本发明所对应的AC与LDP邱马迭代联合译码的丢包率曲线。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图举例对本发明作进一步说明：
[0029] 图1为与本发明相对应的系统框图，该系统由AC编码器1、并串转换器(P/S)2、LDPC 编码器3、AWGN信道4、LDPC译码器5、基于化ase-type算法的AC软输入软输出（化ase-SISO AC)译码器6、串并转换器(S/P)7W及AC译码器8构成。图1中各模块定义如下：
[0030] 1为算术码编码器；
[0031] 2为并串转换器(P/S);
[0032] 3为LDPC码编码器；
[0033] 4为加性高斯白噪声(Additive 怖ite Gaussian Noise,AWGN)信道；
[0034] 5为LDPC译码器；
[0035] 6为采用Chase-type算法的AC-SISO译码器；
[0036] 7为串并转换器(S/P)，作用与模块2相反；
[0037] 8为算术码译码器。
[0038] 为了便于描述，图1中的各符号定义如下：
[0039] sh[L]:信源输入的长度为L的符号序列，1卽卽，D表示并行输入到AC编码器1的 符号序列的个数；
[0040] 护比h] :AC编码器1输出的长度为kh的码字序列；
[0041] b比]:并串转换器2输出的长度为K的码字序列；
[0042] x[N]:LDPC编码器3输出的长度为N的码字序列；
[00创 r[N]: AWGN信道4输出的长度为N的序列；
[0044] q比]:LDPC译码器5输出的长度为K的序列；
[0045] qh比h]:串并转换器7输出的长度为kh的序列.
[0046] wh比h]:Chase-SISO AC译码器6输出的长度为kh的序列；
[0047] W比]:并串转换器2输出且送入LDPC译码器5的长度为K的序列；
[004引经行若干次迭代后，LDPC译码器5输出的长度为K的译码序列；
[0049] 心'[占 J : [欠]经过串并转换器7后输出的长度为kh的序列.
[0050] s" [。:AC译码器8输出的长度为L的译码符号序列。
[(K)引]结合图1，待发送的符号序列sh经AC编码盤1得哥I长底为kh的编码序列bh，D个6? 过并串转换器2转换后得到长度为K信息序列b，即
LDPC码的信息位长度为r， 如果K<r，为了保证LDPC码有效编码，则在序列b后面补齐若干个"0"或"r。6通过LDPC编 码器3后形成码字序列x，x经BPSK调制后送入到AWGN信道4,接收序列r输入到LDPC译码器5 和化ase-SISO AC译码器6组成的闭环中进行迭代译码，若干次迭代后LDPC译码器5输出译 码序列6，6经串并转换器7转换得到序列6*通过AC译码器8后得到译码符号序列沪。
[0052] 结合图2,图2为AC与LDPC码迭代过程中的消息传递示意图，图2中各符号的定义如 下：
[0053] vj(l y <M):LDPC码的第j个校验节点；
[0054] ci(l y卽）：LDPC码的第i个变量节点；
[0055] Lu:第j个校验节点专递给第i个变量节点Cl的消息；
[0化6] qi:第i个变量节点Cl传递给化ase-SISO AC译码器6的软信息；
[0化7] Wi:化ase-SISO AC译码器6传递给第i个变量节点Cl的软信息；
[0058] Li:第i个变量节点Cl传递给第j个校验节点V北勺消息。
[0059] 由于LDPC码编码生成的校验位不含有任何信源信息，因此变量节点Cl只将信息位 的消息传递给化ase-SISO AC译码器6,即Qi满足1含i含K;同理，Ci满足1含i <K。
[0060] LDPC译码器接收到信道信息序列r=(ri，n，...，rN)后开始译码，译码过程如下：
[0061] 1)初始化变量节点Cl传递给与其连接的校验节点Vj的信息：
[0062]
等式（1)
[0063] 其中，S2为高斯白噪声的均方差，Wi的初始值为0;
[0064] 2)计算校验节点专给与其连接的变量节点Cl的信息，且ieC(j)，C( j)表示所有 同校验节点Vj连接的变量节点的集合：
[00化]
等式（2)
[0066] 其中，C(j)\i表示除变量节点CiW外所有同校验节点Vj连接的变量节点的集合，t 为LDPC译码迭代次数，称为联合译码的内迭代次数；
[0067] 3)计算变量节点Cl传给与其连接的校验节点Vj的信息，且jeV(i)，V(i)表示所有 同变量书占。;宙巧的防胳书占的集合：
[006引
等式（3)
[0069] 其中，V(i)\j表示除校验节点VjW外所有同变量节点Cl连接的校验节点的集合；
[0070] 4)计算全部变量节点的硬判决信息：
[0071]
等式（4):
[0072] 若巧则译码序列X的第i个码字4 = 0,否则馬=Lldpc码的校验矩阵为H，如 果
，则AC与LDPC的迭代联合译码结束;如果
县没有达到最大内迭代次数，贝U 返回步骤2)继续译码；如果
且已达到最大内迭代次数，贝化DPC译码器将译码序列1 及其可信度Qi = TiW作为外信息传递给化ase-SISO译码器。
[0073] 译码序列义及其可信度qi经S/P7转换后得到D个长度为kh的译码序列必及其对应 的可信度序列qh，化ase-SISO AC译码器6对运D个序列对(iA，qA)进行译码，译码过程如下：
[0074] 1)根据qh确定序列中可信度最低的a个比特的位置；
[00对 2)生成第1个测试向量€ =砖，4，...，<,)，1</^^0，其中9 = 2。;*1遍历了只允许在可 信度最低的a个比特对应的位置出现"1"，在其余位置出现"0"且最大码重不超过a的所有二 进制序列；
[0076] 3)生成第i个测试序列Z'=位杳…，或），，其中
@表示模2和，yk是译码序列SA的第k个硬判决比特；
[0077] 4)利用标准的算术译码器对Q个测试序列Zi进行译码，如果序列Zi译码得到的符号 序列长度等于L，将该序列添加到集合r中，否则将序列Zi舍弃；
[007引 5)计算集合r中序列zi对应的最大后验概率(Maximum a Posteriori ,MAP):
[0079]
等式巧）
[0080] 其中，/二切，乂）为序列zi经BPSK调制得到的序列，si为序列zi经标准的算术 译码得到的符号序列，P(Si)表示符号序列Si出现的先验概率；
[0081] 6)计算序列对巧\qA)输出的外信息wh:
[0082]
等式（6)
[0083] 其中，护=(6怎…為,巧集合r中具有最大MAP值对应的序列，J为集合r中序列 的个数，O为实验值，E为a个可信度最小的比特在序列批中对应的位置。
[0084] 7)D个序列对巧\qA)经化ase-SISO AC译码器6译码得到D个外信息序列wh，再经P/ S2转换后得到传递给变量节点的信息W。若已达到最大的外迭代次数，译码结束；否则返回 到LDPC译码器继续译码。
[0085] 本实施方式的基于AC与LDPC的IJSCD方法，在保证系统有效性的前提下，可进一步 提高其可靠性，而且该方法运算量小，实现复杂度低。主要特征如下：
[0086] 1)AC编码器1采用二进制自适应算术编码，编码前信源符号的概率设为等概分布， 编码初始区间为[0,0XFFFF)，采用跟随比特法进行编码；
[0087] 2)LDPC编码器3采用系统LDPC码，校验矩阵采用边沿密度构造(PEG)法，编码采用 近似下=角矩阵编码方法；
[0088] 3)LDPC译码器5采用基于数域的似然比置信传播化Og-Iikel;Lhood-rate based Belief Propagation,LLR-BP)算法；
[0089] 4)Qiase-SIS0 AC译码器6义用Qiase-type算法。
[0090] W概率分布为0.9和0.1的二进制独立无记忆信源为例，产生的符号序列sh的长度 为110，49个并联输入的符号序sh组成一个数据包;LDPC码校验矩阵利用边沿密度法进行构 造，码长为3000,码率为0.876,变量节点的平均度为5,校验节点的平均度为37.58,0的最佳 取值为1，采用BPSK调制，在AWGN信道下基于AC与LDPC码的分离信源信道译码（Separate Source Qiannel Decoding,SSCD)和IJSCD的误比特率（Bit Error Rate,B邸）曲线和丢包 率(Packet terror Rate ,P邸）曲线如附图3和图4所不，其中a表不AC-SISO译码时选择的可 信度最低的比特数，e表示LDPC译码内迭代次数，e表示外迭代次数。
[0091] 从图3可W看出，基于AC与LDPC码的IJSCD方法的误比特率较SSCD方法要小，说明 IJSCD方法的译码性能更好，可靠性更高。对于IJSCD方法，在0和e-定的情况下，当a = 6时 其性能较Q = 4提高了约0.1 dB;在a和￡一定的情况下，当0 = 50时其性能较0 = 20明显更好； 在a和0-定的情况下，当e = 7时其性能较e = 5有略微改善。由此可得，a的值越大，内迭代和 外迭代的次数越多，基于AC与LDPC码的IJSCD方法的译码性能就越好。当a = 6，0 = 5〇，e = 5 时，IJSCD方法较SSCD可获得约0.2地的增益。同样由图4可知，采用IJSCD方法可获得比SSCD 方法更低的丢包率，提高了通信的可靠性。
【主权项】
1. 一种基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道译码方法，其特征是:信 源符号序列sh经AC编码器（1)后得到编码序列bh，D个编码序列护经并串转换器(2)后得到 LDPC编码器(3)的输入信息序列b，b通过LDPC编码器(3)后形成码字序列x，x经BPSK调制后 送入到AWGN信道(4)，接收序列r输入到LDPC译码器(5)和化ase-SISO AC译码器(6)组成的 闭环中进行迭代译码，若干次迭代后LDPC译码器(5)输出译码序列b，6经串并转换器(7)转 换得到序列弘，护通过AC译码器(8)后得到译码符号序列2. 根据权利要求1所述的基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道译码方 法，其特征是所述接收序列r输入到LDPC译码器(5)和化ase-SISO AC译码器(6)组成的闭环 中进行迭代译码具体包括:设置化ase-SISO AC译码器(6)反馈给LDPC译码器(5)的初始值 为"0"，解调器根据信道信息r得到发送序列的后验概率，并将其传递给LDPC译码器(5)，随 后进行第一次迭代联合译码过程;所述第一次迭代联合译码过程包括:LDPC译码器(5)采用 化R-BP算法输出译码序列i及软信息qi，所述译码序列&及软信息qi传递给化ase-SISO AC 译码器(6)，化ase-SISO AC译码器(6)根据序列免和软信息qi运用化ase-type算法得到新的 软信息wi，并将新的软信息wi反馈给LDPC译码器巧)完成第一次迭代联合译码。3. 根据权利要求2所述的基于算术码与低密度奇偶校验码的迭代联合信源信道译码方 法，其特征是所述若干次迭代是按照与第一次迭代联合译码过程相同的方法继续完成第二 次、第Ξ次........第N次迭代，直至达到最大外迭代次数或ηΤ =:0。
【文档编号】H03M7/40GK105846827SQ201610152971
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】薛睿, 孙岩博, 李超, 赵旦峰
【申请人】哈尔滨工程大学