产生低密度奇偶校验码的方法和系统的制作方法

专利名称：产生低密度奇偶校验码的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，更具体地说，涉及编码的通信系统。
背景技术：
通信系统使用编码来确保在有噪声的通信信道中能提供可靠的 通信。这些通信信道表现出一种固定的能力，它可以被表示为在给 定的信噪比(SNR)下每个符号的比特数，它定义了一个理论上的 上限称为山农(Shannon)极限]。因此，编码设计以实现接近 于这个山农极限的速率为目标。 一种能接近山农极限的此类代码就 是低密度奇偶校验(LDPC)码。
从传统上来说，由于存在许多缺点，使得LDPC码尚未被广泛 地使用。其中， 一个缺点就是，LDPC编码技术是高度复杂的。使 用发生器矩阵来对LDPC码进行编码可能需要存储一个非常大的、 非稀疏矩阵。此外，LDPC码要求大的数据块变为有效；因而，即 使LDPC码的奇偶校验矩阵是稀疏的，要存储这些矩阵仍然是有问 题的。从实施的角度来看，存储问题是为什么LDPC码在实践中尚 未得到普遍推广的一个重要原因。在LDPC码实现过程中的一个主 要挑战就是如何在解码器中的几个处理引擎(节点)之间实现连接 网络。
因此，需要一种使用简单的编码和解码处理的LDPC通信系 统。这也需要有效地使用LDPC码，以支持高的数据速率，同时不引入较大的复杂性。还需要改进LDPC编码器和解码器的性能。还 需要使用于实现LDPC编码的存储要求最小。还需要一种简化在 LDPC解码器中的处理节点之间的通信的方案。

发明内容
本发明针对这些和其他需求，其中，提供了一种产生结构化低 密度奇偶校验(LDPC)码的方法。通过将奇偶校验矩阵的某一部分 限定为下半部的三角形和/或满足其它要求，提供了 LDPC码的结 构，使得解码器的节点之间的通信变得非常简单。该方法也能够使 用LDPC码对传送的比特的不均等的误码保护能力，以对高阶次调 制星座(如8-PSK)的更脆弱的比特提供额外的误码保护。此外， 通过利用预存储的常数和逐位操作，可通过算法产生奇偶校验矩 阵。
根据本发明的一个实施例的一个方面，提供了一种产生低密度 奇偶校验(LDPC)码的方法，该方法包括仅利用LDPC码的奇偶 校验矩阵，将接收的输入消息变换为LDPC码字，而不使用LDPC 码的发生器矩阵；和输出LDPC码字。
根据本发明的一个实施例的另一个方面，提供了一种支持线性 分組码的编码的方法，该方法包含将高阶次信号星座比特映射到对 应于线性分组码的奇偶校验矩阵的比特节点。信号星座的脆弱的比 特被映射到具有至少3个边沿的比特节点。
根据本发明的一个实施例的又一个方面，公开了一种支持线性 分组码的编码的方法，该方法包含将高阶次信号星座比特映射到对 应于线性分组码的奇偶校验矩阵的比特节点。信号星座的脆弱的比 特被映射到其边沿的数量不少于更可靠的比特的边沿数量的比特节 点。
根据本发明的一个实施例的再一个方面，提供了一种产生低密 度奇偶校验(LDPC)码的方法，该方法包括仅利用LDPC码的奇偶 校验矩阵，将接收的输入消息变换为LDPC码字，而不使用LDPC码的发生器矩阵。该方法还包含对LDPC码字施加外码，和输出具 有施加的外码的LDPC码。
根据本发明的一个实施例的再一个方面，公开了一种产生低密 度奇偶校验(LDPC)码的方法，该方法包括将一组比特节点的边沿 的内容相互邻接地放置在存储器中。该方法还包含同时将一组校验 节点的边沿的内容相互邻接地放置在存储器中。
根据本发明的一个实施例的再一个方面，公开了一种产生低密 度奇偶校验(LDPC)码的系统，该系统包括仅利用LDPC码的奇偶 校验矩阵，将接收的输入消息变换为LDPC码字，而不使用LDPC 码的发生器矩阵的装置。该系统还包含输出LDPC码字的装置。
根据本发明的一个实施例的再一个方面，公开了一种处理低密 度奇偶校验(LDPC)码的方法，该方法包括通过LDPC解码器解码 接收的LDPC码。该方法还包含在每一次或几次LDPC解码器叠代 之后，叠代地重新产生信号星座比特度量到LDPC解码器。
从以下的详细说明中，通过图解若千特定的实施例和实施方 案，包括被设想用于实行本发明的最佳模式，将使本发明的其他方 面，特征和优点变得更加明显。在不背离本发明的精神实质和范围 的前提下，本发明还可以包括其他的和不同的实施例，并且在各个 明显的方面对一些细节进行修改。相应地，从性质上来说，附图和 说明都被认为是说明性的，而不是限制性的。


在附图的各视图中，借助于实例，而不是借助于限制，来说明 本发明，并且在其中，相同的参考数字指的是类似的元件，在附图 中
图1是根据本发明的一个实施例的、被构成去使用低密度奇偶 校验(LDPC)码的通信系统的图2是在图1的系统中的示例性的发射机的图； 图3是在图1的系统中的示例性的接收机的图；图4是在根据本发明的一个实施例中， 一个稀疏的奇偶校验矩
阵的图5是图4的矩阵的LDPC码的两部分构成的图6是根据本发明的一个实施例的一个稀疏的奇偶校验矩阵的
一个子矩阵的图，其中，该子矩阵含有仅限于下半部的三角形区域
的奇偶校验数值；
图7是表示使用无约束的奇偶校验矩阵(H矩阵)的代码对具
有如图6所示的子矩阵的有约束的H矩阵的代码之间的性能比较的
图8A和8B分别是一个非格雷8—相移键控调制方案的图，以 及一个格雷8^^目移键控调制方案的图，它们当中的每一种都可以用 于图1的系统之中；
图9是表示使用格雷标记的代码对非格雷标记的代码之间的性 能比较的图10是在根据本发明的一个实施例中，使用非格雷映射的 LDPC解码器的工作流程图11是表示在根据本发明的一个实施例中，使用格雷映射的 LDPC解码器的工作情况的流程图12A—12C是在根据本发明的一个实施例中，各校验节点和 各比特节点之间的交互作用的图13 A—13C表示在根据本发明的各个实施例中，所产生的各 LDPC码的仿真结果；
图14 A—14B分别表示在根据本发明的一个实施例中，被构成 用以支持结构化存取、以实现在LDPC编码中的随机性的存储器的 顶部边沿和底部边沿的图15是表示在根据本发明的一个实施例中，能执行LDPC码 的编码和解码处理的一个计算机系统的图。
具体实施方式
下面描述用于有效地产生结构化的低密度奇偶校验(LDPC) 码的系统、方法和软件。在以下的描述中，为了说明的目的，将列 举许多特定的细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本领 域技术人员来说，显而易见，在实施本发明时，可以不用这些特定 的细节，或者采取一种等效的设计安排。在其他各实例中，以方框 图的形式来表示一些众所周知的结构和装置，以避免不必要地使本 发明变得模糊不清。
图1是根据本发明的一个实施例的、被配置成使用低密度奇偶 校验(LDPC)码的通信系统的图。数字通信系统100包括发射机 101，它产生各种信号波形，通过通信信道103送往接收机105。在 这个离散通信系统100中，发射机101有一个消息源，它产生各种 可能的消息的一个离散的集合；各种可能的消息中的每一种都有一 个相应的波形。这些信号波形被通信信道103所衰减，或被改变。 为了克服在信道103中的噪声，使用了 LDPC码。
由发射机101产生的LDPC码能在不引起任何性能损失的条件 下实现高速实施方案。从发射机101输出的结构化的LDPC码避免 向各比特节点(bit node)分配小量的校验节点(check node),由于 所用的调制方案(例如，8—相移键控)，使得各比特节点容易出现 信道误码。
这样的LDPC码具有一种可并行化的解码算法(不同于turbo 码)，有利的是它涉及诸如加法、比较和查表那样的简单运算。而 且，精心设计的各种LDPC码不会表现出误码平底的任何征兆。
根据本发明的一个实施例，发射机101使用一种相对地简单的 编码技术，基于各奇偶校验矩阵(它有助于在解码过程中有效的存 储器存取)来产生LDPC码，以便跟接收机105进行通信。发射机 101使用LDPC码，只要块的长度足够大，它们在性能上均优于已 连接在一起(concatenated )的turbo + RS (里德一所罗门)码。
图2是在图1的系统中的示例性的发射机的图。在发射机200 中安装了一个LDPC编码器203,它从信息源201接受输入，并输
8出具有较高冗余度的编码流，适于在接收机105中进行纠错处理。 信息源201从一个离散字母X产生k组信号。用各奇偶校验矩阵来 指定各LDPC码。另一方面，LDPC码的编码通常需要指定发生器 矩阵。即使有可能使用高斯消去法从各奇偶校验矩阵来获得发生器 矩阵，所得到的矩阵将不再是稀疏的，同时存储一个大的发生器矩 阵可能是复杂的。
编码器203使用一种简单的编码技术从字母Y产生各信号，送
往调制器205,上述编码技术仅使用奇偶校验矩阵，其方法是将结构 施加于奇偶校验矩阵。具体地说，通过将该矩阵的某个部分限定为 三角形，来对该奇偶校验矩阵施加一种约束条件。下面在图6中， 将更充分地说明这样一种奇偶校验矩阵的结构。这样一种约束所带 来的性能损失是可以忽略的，因此，形成一种有吸引力的折衷。
调制器205将已编码的消息从编码器203映射到被传送到发射 天线207的信号波形，发射天线207在通信信道103上发射这些波 形。相应地，已编码的消息被调制并且被分配到发射天线207。来自 发射天线207的传输传播到接收机，这将在下面进行讨论。
图3是在图1的系统中的一部示例性的接收机的图。在接收一 侧，接收机300包括一个解调器301,它对来自发射机200的已接收 的信号进行解调。这些信号在接收天线303处被接收用于解调。经 过解调之后，已接收的信号被送往一个解码器305，它通过与一个比 特度量发生器(bit metric generator) 307相结合来产生消息X，，尝 试重构原始的源消息。在非格雷映射的条件下，比特度量发生器307 在解码过程中反复地(叠代地)跟解码器305交换概率信息，这将 在图10中加以详细说明。可供替代地，若使用格雷映射(根据本发 明的一个实施例)，则通过比特度量发生器307 —次已经足够，在 其中，在每一次LDPC解码器叠代之后，比特度量产生的进一步的 尝试可能只产生有限的性能改进；下面将结合图11更充分地说明这 个方法。为了理解本发明所提供的种种好处，建议大家去考察 LDPC码是如何产生的，如在图4中所讨论的那样。图4是在根据本发明的一个实施例中， 一个稀疏的奇偶校验矩
阵的图。LDPC码是具有稀疏的奇偶校验矩阵H (n.k)xn的长的、线性
分组码(linear block code)。典型地，块的长度n处于从数千到数 万比特的范围内。例如，用于LDPC码的一个长度n = 8和速率为 1/2的奇偶校验矩阵示于图4。同样的代码可以等效地用图5的两部 分构成的图来表示。
图5是图4的矩阵的LDPC码的两部分构成的图。奇偶校验方 程式隐含着这样的意思，即，对每一个校验节点来说，所有相邻的 各比特节点[在Galois域(GF) (2)上]之和等于零。如同在图 中所看见的那样，各比特节点占据图的左边，并且按照一种预定的 关系跟一个或多个校验节点相关联。例如，对应于校验节点， 对各比特节点来说，下列表达式成立
Hi + n4 + n5 + n8 = 0
回到接收机303, LDPC解码器被认为是一个消息通过型解码 器，由此，解码器305以找到各比特节点的数值为目标。为了完成 这个任务，各比特节点跟各校验节点反复地互相进行通信。这种通
信的特性将在下面加以说明。
从各校验节点到各比特节点，每一个校验节点都向 一个相邻的 比特节点提供基于来自相邻的其他各比特节点的信息的关于该比特 节点的数值的一种估计("意见")。例如，在上述实例中，若对于 mi， n4, n5 以及n8之和"好像是"0，则nh将向w表明，ih的数 值将被认为是0 (因为ni + n4 + n5 + n8 = 0);否则，m!将向n!表 明，w的数值将被认为是l。此外，对软判断解码来说，增加了可靠 性措施。
从各比特节点到各校验节点，每一个比特节点都向一个相邻的 校验节点重发基于来自它的相邻的其他各校验节点的反馈的关于它 本身数值的一种估计。在上述实例中，Hi只有两个相邻的校验节点 iih和m3 。若来自m3到w的反馈表明，ih的数值可能为0,贝'w 将通知mi: ih本身的数值的估计为0。对于这种比特节点有两个以
10上相邻的校验节点的情形来说，比特节点在向与之通信的校验节点 报告判断结果之前，比特节点将基于来自它的其他相邻的各校验节 点的反馈，进行一次少数服从多数的表决(软判断)。重复进行上 述过程，直到所有比特节点都被认为是正确(即，满足所有的奇偶 校验方程式)为止，或者直至达到预定的最大叠代次数，由此宣告 一次解码失败为止。
图6是根据本发明的一个实施例的一个稀疏的奇偶校验矩阵的 一个子矩阵的图，其中，该子矩阵含有仅限于下半部的三角形区域 的奇偶校验数值。如上所述，通过限定奇偶校验矩阵的下半部的三 角形区域的各数值，(图2的)编码器203就能使用一种简单的编 码技术。根据本发明的一个实施例，对奇偶校验矩阵所施加的约束 条件具有下列形式
式中，B为下半部的三角形区域。
任何信息块i = (i 。 ， i h…，i k-i)都使用HcT = 0被编码为一个
码字C = ( i 0 ， i ,，…，i ^ ，P 0 ， P h…，P n-k-i ),并且递归地求解各
奇偶校验位；例如，
aoo!'o + a。^ +…+ a。,w!'w + p。 卄求解p o
aio!'o + a" +…+ 。"—+ &ioPo + Pi —求解p i
对P2，P3，.,"Pn-k.1来说，求解方法与此相似。
图7是表示使用无约束的奇偶校验矩阵(H矩阵)的代码对图 6所示的有约束的H矩阵的代码之间性能比较的图。该图表示两种
LDPC码之间的性能比较 一种具有普通的奇偶校验矩阵，另一种 则具有一个仅限于下半部三角形的奇偶校验矩阵，以便简化编码。
这种仿真所使用的编码方案为8—PSK。性能损失在0.1dB以内。因
此，基于下半部三角形的H矩阵的约束条件，性能损失可以忽略不
计，而编码技术的简化带来的益处是显著的。因此，在行和/或列排 列中等效于一个下半部三角形或上半部三角形的任何奇偶校验矩阵
都可以用于相同的目的。图8A和8B分别是一个非格雷8—相移键控调制方案的图，以 及一个格雷8—相移键控调制方案的图，它们当中的每一种都可以用 于图1的系统之中。图8A的非格雷8—相移键控调制方案可以用于 图3的接收机，以便提供一个要求很低的帧误码率(FER)的系 统。如图8B所示，通过使用一种格雷8—相移键控调制方案，并且 与 一 种诸如包斯(Bose )、楚赫利(Chaudhuri )以及贺昆汉 (Hocquenghem ) ( BCH )、汉明(hamming)、 里德一所罗门 (Reed—Solomon ) ( RS )码那样的外码相结合，也能满足这种要 求。
可供替代地，可以用一种外码来实现图8B的格雷8—相移键控 方案。在这种方案下，不需要在LDPC解码器305 (图3)以及可以 使用8—PSK调制的比特度量发生器307之间进行叠代。在不具备外 码的情况下，使用格雷标记的LDPC解码器305呈现出一种较早的 误码平底，如下面的图9所示。
图9是表示图8A和8B的使用格雷标记的代码对无格雷标记的 代码之间的性能比较的图。假定存在来自LDPC解码器305的正确 的反馈，由于具有已知的两个比特的这两种8—PSK符号都跟非格 雷标记相距甚远，所以采用非格雷标记的8—PSK的比特量度的再 生将更为精确，误码平底就是来源于这个事实。这也可被等效地看 作工作于较高的信噪比(SNR)的条件下。因此，即使使用的格雷 或非格雷标记(labeling)的相同的LDPC码的误差渐近线具有相同 斜率(即，互相平行)，具有非格雷标记的那一种在任何信噪比下
都能通过较低的帧误码率。
另一方面，对于不要求极低的帧误码率的那些系统来说，由于 在每一次LDPC解码器叠代之前，8—PSK比特度量的再生都带来附 加的复杂性，所以，在LDPC解码器305以及8—PSK比特度量发 生器307之间没有任何叠代的格雷标记将更为适用。而且，当使用 格雷标记时，在每一次LDPC解码器叠代之前，8—PSK比特量度的 再生仅产生非常微弱的性能改进。如前所述，只要外码得以实现，没有叠代的格雷标记就能应用于要求极低的FER的那些系统。
格雷标记和非格雷标记之间的选择还取决于LDPC码的特性。 典型地，由于在非格雷标记的条件下，节点的阶次越高，从LDPC 解码器305到8—PSK (或者类似的较高阶次的调制方式)比特量度 发生器307的初始反馈的恶化程度就越大，所以，比特节点或校验 节点的阶次越高，格雷标记的效果就越好。
当8—PSK (或者类似的较高阶次)调制跟二进制解码器配合 使用时，人们认识到， 一个符号的3个(或更多)比特不是在"均 等的噪声，，条件下被接收的。例如，在格雷8—PSK标记的条件下， 进入解码器的一个符号的第三比特被认为在噪声水平上高于其他两 个比特。因此，在LDPC码设计中，不向那些由8—PSK符号的 "噪声水平较高的，，第三比特所代表的各比特节点分配小量的边沿 (edge),使得那些比特不致处于双倍的不利地位。
图10是在根据本发明的一个实施例中，使用非格雷映射的 LDPC解码器的工作流程图。在这种方案中，LDPC解码器和比特量 度发生器轮流地发生叠代。在这个实例中，使用8—PSK调制，然 而，相同的原理也可以应用于其他各种高阶次调制方案。在这种情 况下，假定解调器301输出一个距离矢量d,它表示已接收的含有噪 声的各符号点以及到比特量度发生器307的8—PSK符号点之间的距 离，由此，矢量的各分量被表示为
8—PSK比特量度发生器307跟LDPC解码器305进行通信， 以便交换先验概率信息和后验概率信息，它们分别地被表示为u和 a。这就是说，矢量u和a分别表示已编码的各比特的对数似然度比 值的先验概率和后验概率。
8一PSK比特量度发生器307为3个比特的每一组产生的先验 似然度比值的方法如下。首先，获得关于已编码的各比特的外在信 息
e广a广Uj j-O, 1, 2
13其次，确定8—PSK符号概率Pj i = 0，l，...，7。 *yj = -f(0，ej)j = 0， 1, 2
式中,f(a，b)= max ( a， b) + LUTf ( a， b )，再有， LUTf (a，b) - In (l + e-1"1 )
*~ = 3^+。_/ = 0,1,2
A =义。+ a + y2p5 = h + a + h
其次，比特度量发生器307确定已编码的各比特的先验的对数 似然度比值，作为送往LDPC解码器305的输入，其表达式如下
",=/( + Po A+ p乂 + p"5 + p5) - /(^ + p2,d3 + + p6,rf7 +
要注意的是，可以以递归方式对具有两个以上变量的函数f
(.)进行估计；例如，f (a，b，c) =f (f(a,b)，c)。
现在来说明使用非格雷映射的LDPC解码器305的工作情况。 在步骤1001,在按照下列表达式(并且如图所示)进行第一次 叠代之前，LDPC解码器305对已编码的各比特v的对数似然度比值 进行初始化
vn—ki = un， n = 0， 1，…，N-l， i=l， 2,…，deg(比特节点n) 在这里，Vn—ki表示从比特节点n送往它的相邻的校验节点ki的
消息，Un表示针对比特n的解调器输出，并且N为码字的大小。
在步骤1003，对校验节点k进行更新，由此，输入v产生输出
w。如图12B所示，从它的d e个相邻的比特节点送往校验节点k的
到来的消息被表示为Vni—k， —k，…， 一k。其目标是计算从校验
节点k返回到dc个相邻的比特节点的输出消息。这些消息被表示为
式中
函数g ()的定义由下式给出g (a， 6) = —(。) xx {min(l a l，l & D) + Lt/T
式中，u/7;w)-ma十^)—ln(1+e-m)。跟函数f相似，可以以
递归方式对具有两个以上变量的函数g进行估计。
再次，在每一个步骤1005中，解码器305都输出一个后验概率 信息(图12C),使得
在每一个步骤1007中，确定是否满足所有的奇偶校验方程式。 若不满足这些奇偶校验方程式，则在步骤1009，解码器305重新导 出8—PSK比特度量以及信道输入u n 。然后，如步骤1011所示， 对该比特节点进行更新。如图13C所示，从dv个相邻的校验节点送 往比特节点n的到来的消息被表示为v"'，v"^'…"v""^ 。来自比特节 点n的外送的消息被计算并送回到cU个相邻的校验节点；这些消息 被表示为"—"'"""，'…' ，，计算公式如下
在步骤1013,解码器305输出硬判断结果(在满足所有的
奇偶校验方程式的情况下)
a fo,。，
若说r-o ，则停止。
当使用非格雷标记时，上述方案是适当的。然而，当采用格雷 标记时，则应执行图11的处理过程。
图11是表示在根据本发明的一个实施例中，使用格雷映射的图 3的LDPC解码器的工作情况的流程图。当使用格雷标记时，由于 在每一次LDPC解码器叠代之后，各比特度量的再生只能产生微不 足道的性能改进，所以在LDPC解码器叠代之前，各比特度量被有 利地仅产生一次。如图10中的步骤1001和1003所示，进行已编码 的各比特v的对数似然度比值的初始化，并且在每一个步骤1101和 1103中，都进行校验节点的更新。随后，如步骤1105所示，进行比 特节点n的更新。此后，解码器输出一个后验概率信息(步骤1107)。在步骤1109，确定是否满足所有的奇偶校验方程式；若满 足，则解码器输出硬判断结果(步骤1111)。否则，重复执行步骤 1103—1107。
图13 A—13C是表示在根据本发明的各个实施例中，所产生的 各LDPC码的仿真结果的图。特别是，图13 A—13C表示具有较高 阶次调制以及码率为3/4 (QPSK， 1.485比特/符号)，2/3 ( 8— PSK， 1.980比特/符号)，以及5/6 (8—PSK， 2.474比特/符号)的 各LDPC码的的性能。
为了实现介于各校验节点以及各比特节点之间的互联，存在两 种总方案(l)全并行的方案，以及(2)部分地并行的方案，在 全并行的体系结构中，所有节点以及它们之间的互联都以物理方式 来实现。这种体系结构的优点在于速度。
然而，全并行的体系结构在实现所有节点以及它们之间的互联 上可能涉及较大的复杂性。因此，在全并行的体系结构中，可以要 求较小的块大小，以便降低复杂性。在这种情况下，对相同的时钟 频率来说，可能导致在吞吐量方面的成比例的缩减，以及在FER对 Es/No的性能方面的某些下降。
实现LDPC码的第二种方案就是仅在节点总数的一个子集上从 物理上来实现，并且仅使用这个有限数目的"物理，，节点来处理该代 码的所有"功能的，，节点。即使可以使LDPC解码器的运算变得极端 简单，并且可以以并行方式来执行，但是在设计上仍然存在着如何 在"随机地，，分布的各比特节点以及各校验节点之间建立通信联系的 进一步的挑战。根据本发明的一个实施例，图3的解码器305通过 以一种结构化的方式去访问存储器来解决这个问题，以便实现一种 表面上的随机代码。下面将参照图14A和14B，对这个方案进行说明。
图14A和14B分别是存储器顶部边沿和底部边沿的结构图，根 据本发明的一个实施例，该存储器支持结构化存取，以实现LDPC 编码的随机性。可以通过把注意力集中于奇偶校验矩阵的产生，就能实现结构化存取，而不必牺牲真正的随机代码的性能。 一般说 来，可以通过各校验节点与各比特节点的连接来指定一个奇偶校验
矩阵。例如，各比特节点被划分为每392 >}^—组(此处392只用于 说明目的)。而且，举例来说，假设与阶次为3的第一个比特节点 相连接的各校验节点被编号为a、 b和c,那么与第二个比特节点相 连接的各校验节点就被编号为a+/;， b+/ 和c+p ，与第三个比特 节点相连接的各校验节点就被编号为a + 2/ ， b + 2/;和c + 2/;,等 等。对于下一组的392个比特节点，与第一个比特节点相连接的各 校验节点不同于a， b， c，从而通过选择适当的"，使所有的校验节点 都具有相同的阶次。对各自由的常数进行随机搜索，从而最终的 LDPC码就是自由的周期-4和周期- 6。
上述安排有助于校验节点和比特节点在处理过程中的存储器访 问。在这个两部分构成的图中，各边沿的数值可以存储在存储介 质，例如随机存取存储器(RAM)之中。应当注意的是，对于校验 节点和比特节点处理过程中真正的随机LDPC码来说，只能以随机 方式对各边沿的数值一个一个地进行访问。然而，这种访问方式对 于高数据速率应用来说就显得太慢了。图和HB的RAM以这 样一种方式被组成，它将很大一组相关的边沿置于一个时钟周期之 内；相应地，这些数值在存储器中将被放置"在一起"。可以看到的 是，实际上，对于一组校验节点(以及各比特节点)来说，即使是 采用真正的随机代码，相关的边沿数值在RAM中也可以一个挨一个 地存放，但与一组比特节点(以及各校验节点)相邻的相关边沿数
值将被随机地分布在RAM之中。因此，本发明所指的"在一起"， 源于奇偶校验矩阵本身的设计。也就是说，校验矩阵的设计保证了 一组比特节点和校验节点的相关边沿在RAM中被同时地放置在一 起。
如图14A和14B所示，每一个框都含有一个边沿的数值，它是 多比特的(例如，6比特)。根据本发明的一个实施例，边沿RAM 被分为两部分顶部边沿RAM (图14A)和底部边沿RAM (图
1714B)。底部边沿RAM中含有例如阶次为2的各比特节点和各校验 节点之间的边沿。顶部边沿RAM则含有阶次高于2的各比特节点 和各校验节点之间的边沿。因此，对于每个校验节点来说，有两个 相邻的边沿被存储在底部边沿RAM之中，而其余的边沿则存储在顶 部边沿RAM之中。
继续上面的例子， 一次选择392个比特节点和392个校验节点 作为一组进行处理。对于392个校验节点的处理来说，从顶部边沿 RAM中访问q个相继的行，同时从底部边沿RAM中访问两个相继 的行。在这个实例中，q + 2就是每个校验节点的阶次。对于比特节 点的处理来说，若392个比特节点的组的阶次为2，则它们的边沿就 被定位于底部边沿RAM的两个相继的行中。若各比特节点的阶次d > 2,则它们的边沿就被定位于顶部边沿RAM的d 4亍之中。这d行 的地址可以存储在非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)之 中。其中某一行的边沿对应于392个比特节点的第一边沿，另一行 的边沿则对应于392个比特节点的第二边沿，依此类推。而且，对 于每一行来说，属于392个比特节点的组中的第一个比特节点的边 沿的列索引(index)也可以存储在ROM中。对应于第二、第三等 比特节点的各边沿的索引，也以一种"巻绕"的方式跟随着起始列的 索引。例如，若在行中的第j个边沿属于第一个比特节点，则第(j + 1)个边沿就属于第二个比特节点，第(j + 2)个边沿就属于第三 个比特节点，....，以及第(j-1)个边沿就属于第392个比特节 点。
采用上述的组成方式(示于图14A和14B),在LDPC编码过 程中，存储器的存取速度得以大大地提高。
图15说明一部可以在其上实现根据本发明的一个实施例的计算 机系统1500。计算机系统1500含有总线1501或其他用于传递信息 的通信装置，以及被连接到总线1501之上、用于处理信息的处理器 1503。计算机系统1500还包括4皮连接到总线1501的主存储器 1505，例如一个随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置，用以存储准备由处理器1503执行的各种信息和指令。在处理器1503 执行指令的过程中，主存储器1505也可以被用来存储各种暂时的变 量或其他中间信息。计算机系统1500还包括被连接到总线1501的 只读存储器(ROM) 1507或其他静态存储装置，用以为处理器1503 存储静态信息和各项指令。存储装置1509，例如磁盘或光盘，也被 附带地连接到总线1501,用以存储各种信息和指令。
计算机系统1500可以经由总线1501被连接到显示器1511， 例如阴极射线管(CRT),液晶显示器，有源矩阵显示器或等离子 体显示器，用以向计算机用户显示信息。输入装置1513，例如包括 字母数字以及其他键的键盘，被连接到总线1501,用于向处理器 1503传达信息和各种命令选择。用户输入装置的另外一种类型就是 光标控制器1515，例如鼠标，跟踪球，或者光标引导键等，也可以 用于向处理器1503传达指向信息和各种命令选择，并且用以控制光 标在显示器1511上的移动。
根据本发明的一个实施例，计算机系统1500响应于处理器 1503执行主存储器1505中的一系列指令的安排，提供了 LDPC码 的产生。这些指令可以从其他计算机可读介质(例如存储装置 1509 )中读入到主存储器1505之中。执行在主存储器1S05中所包 含的一系列指令的安排，使得处理器1503执行本文所述的各处理步 骤。在多处理器设计安排中的一个或多个处理器也可以被用来执行 主存储器1505中所含有的各项指令。在可供替代的各实施例中，可 以用硬件连接电路来代替软件指令，或者与软件指令相结合，来实 现本发明的实施例。这样一来，本发明的各实施例就不局限于硬件 电路和软件的任何特定的组合方式。
计算机系统1500还包括被连接到总线1501的通信接口 l517。 通信接口 1517提供双向数据通信，它通过网络链路1519被连接到 一个本地网1521。例如，通信接口 1517可能是一块数字用户线路 (DSL)卡或调制解调器， 一块综合业务数字网络(ISDN)卡，一 个电缆调制解调器，或者一个的电话调制解调器以向相应类型的电
19话线路提供数据通信连接。作为另一个例子，通信接口 1517也可能 是一块向一个兼容的局域网提供数据通信连接的局域网(LAN)卡
(例如用于以太网或异步传输模式(ATM)网的卡)。无线链路也 可以实现。在任何这样的实施方案中，通信接口 1517发送和接收电 气、电磁或光学信号，而这些信号都承栽着代表不同类型信息的数 字数据流。而且，通信接口 1517可以包括外部接口装置，例如通用 串行总线(USB )接口 ，个人计算机存储器卡国际协会
(PCMCIA)接口等等。
网络链路1519典型地通过一个或多个网络向其他数据装置提供 数据通信。例如，网络链路1519可以通过本地网1521来提供通往 主计算机1523的连接，主计算机1523与网络1525 (例如，广域网
(WAN)或者全球分组数据通信网，现在普遍地被称为"因特 网，，)或者服务提供商运营的数据设备相连。本地网1521和网络 1525 二者都使用电气、电磁或光学信号来传递各种信息和指令。跟 计算机系统1500交换数字数据的通过各种网络的信号、在网络链路 1519上的信号，以及经过通信接口 1517的信号，都是携带各种信息
和指令的栽波的示例性的形式。
计算机系统1500可以通过网络，网络链路l519和通信接口 1517来发送消息和接收数据，其中包括程序代码。在因特网的例子 中，服务器(未示出)可以通过网络1525、本地网l521和通信接口 1517来发送属于一个应用程序的所需代码，以便实现本发明的一个 实施例。处理器1503可以执行正在接收的所发送的代码，和/或将 该代码存储在存储装置1509或其他非易失性存储装置之中，供以后 执行。以这样的方式，计算机系统1500可能以载波的形式获得应用 程序代码。
这里所使用的术语"计算机可读介质，，指的是参与向处理器 1503提供用于执行的各项指令的任何介质。这样的介质可能有很多 形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易 失性介质包括，例如，光盘或磁盘，诸如存储装置1509。易失性介质包括动态存储器，诸如主存储器1505。传输介质包括各种同轴电 缆、铜线和光纤，包括构成总线1501的导线。传输介质也可以采取 声波，光波或电磁波的形式，诸如在射频(RF)和红外(IR)数据 通信中所产生的各种波。计算机可读介质的一般形式包括，例如， 软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质，只读光盘(CD— ROM)，可重写光盘(CDRW)，数字化视频光盘(DVD)，任何 其他光学介质，穿孔卡片，纸带，光学标记单，以及具有孔的图形 或其他可用光学方法识别的标记的其他物理介质，RAM, PROM和 EPROM， FLASH-EPROM，任何其他存储器芯片或卡式磁带，栽 波，或计算机可读的任何其他介质。
在向处理器提供可执行的指令时，可能涉及不同形式的计算机 可读介质。例如，用于实施本发明的至少一部分的指令可能首先加 载在远程计算机的磁盘上。在这种情况下，远程计算机将指令装载 到主存储器上，并使用调制解调器通过电话线路发出指令。本地计 算机系统的调制解调器接收到在电话线路上传送的数据，并使用红 外发射机将数据转换成红外信号，将红外信号发送到便携式计算装 置，例如个人数字助理(PDA)和膝上型计算机。在便携式计算装 置上的红外检测器接收到由红外信号携带的信息和指令，将数据传 送到总线上。总线将数据传送到主存储器，处理器再从主存储器中 取出指令并加以执行。主存储器接收到的指令可以在处理器执行之 前或之后存储到存储装置之中。
相应地，本发明的不同的各实施例提供了一种方法，用以产生 结构化的低密度奇偶校验(LDPC)码，以便使编码器和解码器得以 简化。通过将奇偶校验矩阵限定为下半部三角形，来提供LDPC码 的结构。同样，本方法可以有利地使用LDPC码对被发送的各比特 的不均等的误码保护能力，以便向高阶次调制星座[诸如8—相移键 控(8—PSK)的更脆弱的各比特提供额外的误码保护。此外，可 以使用预先存储的各项常数和逐位操作，从算法上来产生奇偶校验 矩阵。通过将表示从奇偶校验矩阵的各校验节点到各比特节点的相
21继的各边沿的信息存储到存储器的相继的位置上，就能实现LDPC 的有效解码。上述方案在不牺牲性能的前提下，有利地降低了复杂 性。
在结合多个实施例和实施方案对本发明进行说明的同时，本发 明并不因此而受到限制，相反，它覆盖了各种明显的修改以及各种 等同的设计安排，它们都处于所附的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种产生低密度奇偶校验(LDPC)码的方法，该方法包括仅利用LDPC码的奇偶校验矩阵，将接收的输入消息变换为LDPC码字，而不使用LDPC码的发生器矩阵，其中奇偶校验矩阵的值提供用于对存储器的结构化存取，所述存储器被配置为将一组位节点和校验节点的相关边沿值一起存储；和输出LDPC码字。
2. 根据权利要求l的方法，其中，在变换步骤中的奇偶校验矩 阵的预定三角形部分具有0值。
3. 根据权利要求l的方法，在行和列置换后，在变换步骤中的 奇偶校验矩阵的预定三角形部分具有0值。
4. 根据权利要求l的方法，还包括根据调制方案调制LDPC码，所述调制方案包括8—相移键控 (8—PSK ) 、 16—正交调幅(16—QAM )和正交相移键控 (QPSK)其中之一。
5. —种产生低密度奇偶校验(LDPC)码的方法，该方法包括仅利用LDPC码的奇偶校验矩阵，将接收的输入消息变换为 LDPC码字，而不使用LDPC码的发生器矩阵，其中奇偶校验矩阵 的值提供用于对存储器的结构化存取，所迷存储器被配置为将一组 位节点和校验节点的相关边沿值一起存储；对LDPC码字施加外码；和输出具有施加的外码的LDPC码。
6. 根据权利要求S的方法，其中在施加步骤中的外码包含 Bose、 Chaudhuri以及Hocquenghem ( BCH )码、里德一所罗门(RS)码和汉明码其中之一。
7. —种产生低密度奇偶校验(LDPC)码的系统，该系统包括仅利用LDPC码的奇偶校验矩阵，将接收的输入消息变换为 LDPC码字，而不使用LDPC码的发生器矩阵的装置，其中奇偶校 验矩阵的值提供用于对存储器的结构化存取，所述存储器被配置为 将一组位节点和校验节点的相关边沿值一起存储；和输出LDPC码字的装置。
8. 根据权利要求7的系统，其中，奇偶校验矩阵的预定三角形 部分具有0值，该系统还包含存储奇偶校验矩阵的值以便于与LDPC码相关的奇偶校验位的 产生的装置。
9. 根据权利要求7的系统，在行和列置换后，奇偶校验矩阵的 预定三角形部分具有O值，该系统还包含存储奇偶校验矩阵的值以便于与LDPC码相关的奇偶校验位的 产生的装置。
10. 根据权利要求7的系统，还包括根据调制方案调制LDPC码，所述调制方案包括8—相移键控 (8—PSK ) 、 16—正交调幅(16—QAM )和正交相移键控 (QPSK)其中之一。
全文摘要
提供了一种产生结构化低密度奇偶校验(LDPC)码的方法和系统。通过将奇偶校验矩阵的某一部分限定为下半部的三角形，提供了LDPC码的结构，由此得到一种不需要代码发生器矩阵的非常简单的编码方法。该方法也能够使用LDPC码对传送的比特的不均等的误码保护能力，以对高阶次调制星座(如8-PSK)的更脆弱的比特提供额外的误码保护。此外，描述了一种有效的解码方案，其中比特节点和校验节点被分为组。对于比特节点组和校验节点组，与每一组相关的边沿值被同时一起放置在存储器中。这种结构允许多个边沿在一个时钟周期被提取。描述了一种设计奇偶校验矩阵的方法，该方法确保了对一组比特节点或校验节点，在几个时钟周期内所有相邻边沿被提取。
文档编号H03M13/11GK101515804SQ200910006878
公开日2009年8月26日 申请日期2003年7月24日 优先权日2002年7月26日
发明者姆斯塔法·伊罗兹, 孙凤文, 李琳南 申请人:休斯电子公司