（通信与信息系统专业论文）cmmb与tmmb中ldpc码编码器的研究与fpga实现.pdf

中文摘要 摘要：手机电视由于在2 0 0 8 北京奥运会上的出色表现成为关注重点，被认为是3 g 时代最具发展前景的新业务。手机功能的创新不仅成为了企业追逐的焦点，也成 为消费者关注的重点。目前国内最主要的两个手机电视标准都是基于地面广播技 术的，一个是中国移动多媒体广播c m m b ，另一个是北京新岸线公司的手机电视 移动多媒体广播标准t - m m b 。t - m m b 在2 0 0 8 年4 月被选为手机电视国家标准， 而c m m b 早已进入商用，并且在2 0 0 8 年北京奥运会上转播奥运节目，一时间被 大众所接受。 作为手机电视标准的核心技术之一的前向纠错码技术已经成为众多科研单位 的研究热点，相应的编解码芯片更成为重中之重。其中l d p c 码以其优异的性能 成为众多手机电视标准的首选信道编码方案，在c m m b 标准中用到了l d p c 码和 r s 码的级联编码方式，在t - m m b 标准中用到了l d p c 码和卷积码的级联编码方 式。 本论文以这两个手机电视标准中的l d p c 码编码器为切入点，深入研究了手机 电视中的信道编码方法，主要在算法改进和分析上做了大量工作。对于c m m b 中 的l d p c 编码器，在原有的l u 分解进行编码的基础上，用流水线及并行运算的思 想提出了改进的算法，提高了编码速度，节省了资源的占用。同时对c m m b 中的 r s 编码器也提出了一种新的算法，使其编码速度更快，可以应用在多种场合。由 于c m m b 中的r s 编码是和字节交织同时进行的，本论文还用片外s r a m 实现了 字节交织，最后在f p g a 中实现了c m m b 中的整个信道编码，并进行测试。对于 t - m m b 中的l d p c 编码器，根据其生成矩阵的特点，采用了基于准循环的编码方 式进行编码。测试结果表明，芯片逻辑功能完全f 确，速度和资源消耗均达到了 标准的要求，具有一定的商用价值。 关键词：手机电视；l d p c 码；r s 码：交织；f p g a ；c m m b ；t o m m b 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：m o b i l et vh a sb e c o m eaf o c u ss i n c ei t so u t s t a n d i n gp e r f o r m a n e ei nt h e 2 0 0 8b e i j i n go l y m p i cg a m e s ，i ti sc o n s i d e r e dt h em o s tp r o m i s i n ga n dn o v e ls e r v i c ei n 3 ge r a t h ei n n o v a t i o no fm o b i l ep h o n ef u n c t i o n sb e c o m e sn o to n l yt h ef o c u so ft h e e n t e r p r i s et oc h a s e ，b u ta l s ot h ef o c u so fc o n s u m e rt oc o n c e r n a tp r e s e n t ，t h et w om o s t i m p o r t a n ts t a n d a r d sf o rm o b i l et va r eb a s e do ng r o u n db r o a d c a s t i n gt e c h n o l o g i e s o n e i sc h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ( c m m b ) ，t h eo t h e ri sm o b i l em u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n gs t a n d a r dt m m bp r o p o s e db yb e i j i n gn u f r o n tt e c h n o l o g yc o l t d t m m bw a ss e l e c t e da st h en a t i o n a lm o b i l et vs t a n d a r di na p r i l2 0 0 8 ，n o n e t h e l e s s ， c m m bh a sa l r e a d yb e e ni n t ot h eb u s i n e s su s e ，a n db r o a d c a s t e dp r o g r a m si nt h e2 0 0 8 b e i ji n go l y m p i cg a m e s ，i th a sb e e na c c e p t e db yt h ep u b l i ci nn ot i m e a so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e si nm o b i l et vs t a n d a r d ，t h ee r r o r - c o r r e c t i n gc o d e t e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o tt o p i ci ns c i e n t i f i cr e s e a r c h a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o d e c c h i p sh a v eb e c o m et h et o pp r i o r i t y ，i nw h i c hl d p cc o d eh a sb e c a m et h ef i r s tc h a n n e l c o d i n gs c h e m e sc h o i c ei nm a n ym o b i l et vs t a n d a r d sf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e c m m ba d o p t e dt h ec o n c a t e n a t e dc o d e sm a k eu po fl d p ca n dr sc o d e ，a n dt m m b a d o p t e dt h ec o n c a t e n a t e dc o d e sm a k eu po fl d p cc o d ea n dc o n v o l u t i o n a lc o d e i n t h i sp a p e r ，w et a k el d p cc o d ee n c o d e ri nt h e s et w om o b il et vs t a n d a r d sa st h e b r e a k t h r o u g hp o i n t ，s t u d yt h em o b i l et vc h a n n e lc o d i n gm e t h o dd e e p l y ，a n dal o to f w o r km a i n l yi nt h ea l g o r i t h mi m p r o v e m e n ta n d a n a l y s i si sd o n e f o rt h el d p ce n c o d e r i nc m m b ，a ni m p r o v e da l g o r i t h mu s i n gt h ei d e ao fp i p e l i n ea n dp a r a l l e lc o m p u t i n gi s p r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h eo r i g i n a le n c o d i n gm e t h o db yl ud e c o m p o s i t i o n a sa r e s u l t ，i t sc o d i n gs p e e di si m p r o v e d ，a n dt h er e s o u s e si ss a v e d m e a n w h i l e ，an e w a l g o r i t h mf o rr se n c o d e ri nc m m bi sp r o p o s e d ，w h i c hm a k ei t se n c o d i n gf a s t e ra n d c a nb ea p p l i e di nv a r i e do c c a s i o n s s i n c er se n c o d i n ga n db y t ei n t e r l e a v i n ga r e w o r k i n ga tt h es a m et i m e ，t h eb y t ei n t e r l e a v i n gi si m p l e m e n t e du s i n gs r a mi nt h i s p a p e r , a n df i n a l l yt h ee n t i r ec m m bc h a n n e lc o d i n gi si m p l e m e n t e da n dt e s t e di nf p g a f o rt h el d p ce n c o d e ri nt m m b ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e n e r a t o r m a t r i x ，t h ee n c o d i n gm e t h o db a s e do nq u a s i c y c l i cc o d ei sa d o p t e d t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ec h i pl o g i cf u n c t i o ni sc o r r e c t ，t h es p e e da n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o na r eu pt ot h e s t a n d a r dr e q u i r e m e n t s ，a n di th a sac e r t a i nb u s i n e s sv a l u e k e y w o r d s ：m o b i l et v ：l d p cc o d e ；r sc o d e ；i n t e r l e a v e ；f p g a ；c m m b ； t m m b c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲1 云之唧签字吼7 年石月m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作肯完全了解北京交通人学有关保翩、使j l j 学 妒论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数撕库进行检索， 并采川影印、缩印或于 拙等复制手段保存、打：编以供奁阅和i 借i 瑚。l 川意学校阳圜 家仃天 i f j fj 或机构送交论文的复r l j t l ：平h 磁髓。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弋丕之丹1 签字f 1 期：7 年6 月陆同 ， 导师签 签字只期 致谢 本论文的工作是在我的导师姚冬节副教授的悉，i l q r 导下完成的，姚冬节副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来姚冬节老师对我的关心和指导。 姚冬节副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向姚冬节老师表示衷心的谢意。 姚冬节副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 熊磊博士在科研工作和论文工作过程中给予了许多无私的帮助，提出了许多 宝贵建议，使我受益匪浅，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期i b j ，张博、张扬军等师兄同学对我论文中的研究 工作给予了指导和帮助，钱蓓蓓、f 开雨、王f 生等同门，沈涛等师弟对我的理论 以及仿真工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1选题的内容和意义 1 综述 手机电视被认为是3 g 时代最具发展前景的新业务。在举世瞩目的2 0 0 8 年巴 塞罗那3 g s m 世界移动大会上，我们可以看出手机电视的i j 景。掘英国市场调研 机构公布的一份报告显示，随着2 5 g 和3 g 手机的普及，2 0 0 9 年全球移动娱乐市 场的销售收入将超过5 9 0 亿美元；移动内容将稳步达到2 2 亿美元；移动游戏市场 的销售收入将分别达到1 9 3 亿和1 8 5 亿美元。到2 0 1 0 年，全球将有1 2 5 亿用户收 看手机电视节目，届时将会售出8 3 5 0 力台相关功能的手机，而亚洲将成为手机电 视服务最为普及的地区，其次是美国、欧洲以及中东和非洲。 虽然手机电视业务的发展还面临很多困难，但是从长远来看，随着移动通信 网络带宽的不断加大，业务资费的不断下降，具有视频功能手机的同益普及，相 关标准政策的出台，手机电视业务将会获得快速发展，并形成相当大的市场规模。 在中国国内，2 0 0 8 年北京奥运会期问，以手机电视为代表的移动多媒体广播已经 投入全面运营。 那么什么是手机电视，其标准又有哪些呢? 本论文所谈的手机电视标准，或 许称为手机数字电视标准更为贴切。j 下如字面所表达的意思一样，手机电视是以 手机为终端设备，传输电视内容的一项技术应用。目前手机电视业务的实现方式 主要有3 种：用蜂窝移动网络实现、通过卫星广播方式实现、在手机中安装数字 电视接收模块实现。最后这种方式是目前最被看好的，支持该功能的技术应用标 准则是目前研究的热点。 国外的手机电视标准，当日i 主流的只有欧洲的d v b h 和同本基于微波数字电 视标准i s d b t 制定的单波段播放。而国内目前的手机电视标准十分混乱，衍尘的 不同手机电视标准是基于不同的传输网络和制式的。其中基于移动通信网络的主 要标准有c m b 、t d m b m s ，基于地面广播技术的主要标准有c m m b 、t o m m b 、 c d m b 、d m m b 。目自l ，许多标准背后已经形成了各自的产业联盟，广电企业、 移动运营商、终端商、硬件和软件服务提供商都涉足其中。这几种手机电视标准 的大概情况如下【o 】： ( 1 ) c m m b c m m b 标准是广科院、泰美世纪共同丌发的手机电视标准体系，可提供2 5 套电视节目、3 0 套广播节目及数据服务。c m m b 标准自研发之同起便一直得到了 广电系的全力支持。 c m m b 具有天地一体、覆盖面广的优点，同时具有卫星发射成本高昂、卫星 信号穿透力差、必须进行地面补点、架设增补站成本比较高等缺点。由于在奥运 期l 日j 的成功应用，大大提高了它的知名度。本论文重点研究的标准之一就是 c m m b ，在接下来的章节中会详细介绍c m m b 标准。 ( 2 ) t m m b t - m m b 标准是北京新岸线于2 0 0 4 年l o 月推出的手机电视系统，拥有完整的 自主知识产权体系，可提供4 到7 个电视频道和2 个电台频道。其优点在于t o m m b 主要技术体现在采用高阶调制将d a b 信道容量扩为原来的两倍；缺点在于t - m m b 兼容多种标准，包括d a p i p 、t - d m b 等，掘称需要交纳大量的专利费。t - m m b 标准也是本论文重点研究的标准，接下来也会详细介绍。 ( 3 ) c d m b c d m b 标准是在中国标准化协会多媒体通信广播标准化技术委员会领导下， 由中国卫信控股有限公司、中电通信科技有限责任公司等8 家单位共同发起的， 目前核心支持成员单位已超过4 0 家。 c d m b 标准是“t d s c d m a + d a b + a v s ”的组合方案，包含a v s 视频、音频和 导航、数据广播信号发射、信号覆盖、固定和高速移动状况下移动终端接收等技 术领域，可提供4 到7 个电视频道和2 个电台频道。c d m b 技术具有完全自主知 识产权，符合国家相关标准。 其优点在于保护f j i 期d a b 投资，d a b 码流低，通常情况下所需的发射功率 低；其缺点即d a b 的缺点，下行数据带宽为比较窄。 ( 4 ) d m m b d m m b 是清华大学在地面数字电视标准d m b t h 基础上推出的手机电视标 准。其技术的核心采用了m q a m q p s k 的时域同步j 下交频分复用( t d s - - o f d m ： t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u s - - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制技术， 这种独特的先进技术有机地将信号在时域和频域的传输结合起来，在频域传送有 效载荷，在时域通过扩频技术传送控制信号以便进行同步、信道估计，实现快速码 字捕获和稳健的同步跟踪性能。使用了最新的l d p c 前向纠错编码技术，因而可 以更加可靠地支持更多的无线多媒体业务。 ( 5 ) c m b 小区多媒体广播( c m b ) 是华为公司自主创新的端到端的多媒体广播解决方案， 于2 0 0 5 年推出。2 0 0 6 年，华为为全球第一大数字电视服务提供商一香港电讯盈科 ( p c c w ) 设计实施了全球首个基于3 g 广播技术的手机电视商用网络。该网络同时 支持单播和广播传输，单播传输每小区可以支持6 到1 2 个用户，广播传输每小区 2 最多可以支持2 5 6 个用户。 c m b 在成本、价格和节点方面具有相当的优势，并且由于商用较早，积累了 丰富的运营经验。缺点在于受限制于网络带宽，q o s 保障不如广播模式。 ( 6 ) t d m b m s t d m b m s 是在全球标准m b m s 的基础之上，针对t d s c d m a 网络进行了 优化。t d m b m s 标准研发的参与机构包括大唐移动、中兴、鼎桥、展讯等。从 t d m b m s 的信道容量上看，通过增加频点，1 0 m 带宽中最大可以提供4 8 个频道 资源，既满足了运营商对频道资源的要求，又通过t d d 技术充分节约了对带宽的 要求。目前已有中兴通讯推出了支持该标准的终端。 国内的手机电视国标遴选于2 0 0 6 年1 2 月丌始，在2 0 0 8 年4 月3r 揭晓的结 果中，北京新岸线公司研发的t - m m b 确定为手机电视移动多媒体国家标准的技 术方案。但广电总局拒认这个结果，c m m b 继续推广，其市场覆盖领先其他对手， 并在北京奥运上获得成功。 手机电视现在越来越受到人们的关注，对于这种新兴的技术，之前许多人都 暂时还不能接受，加之种类繁多的数字网络都令其进展得有些缓慢。不过自从奥 运会的举办，人们已完全体验了移动数字的魅力，其稳定的网络信号，清晰流畅 的画质都令消费者们对电视手机有了进一步的认识。 在当今信息化社会，人们渴望能够随时随地收看到自己想看的资讯，手机电 视的出现满足了人们在户外即时获知信息的需求，填补了移动人群在移动状念中 收视的空白。根据2 0 0 7 年赛迪顾问的调查发现，8 0 左右的被访者表示对手机电 视有兴趣，希望通过手机观看新闻、电影、音乐、电视剧、天气预报和体育等节 目。随着中国人民生活水平的不断提高，人们用于娱乐消费的支出比例节节攀升。 在消费需求的刺激下，手机电视的用户规模有望不断扩大【2 】。 在手机数字电视信号的发射过程中，需要经过模数转换、信源编码、信道编 码、映射、调制等过程，其中的信道编码部分在整个发射过程中占了比较重要的 位置。现在国内外的手机电视标准中，信道编码的方案也各不相同，有的采用 r s + l d p c ，有的采用r s + r c p c ，有的采用r s + t u r b o 。r c p c 码，即码率兼容删 除型卷积码，是r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e e dc o n v o l u t i o n a l ( c o d e s ) 的缩写。l d p c 码，即低密度奇偶校验码，是l o wd e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e 的缩写。r s 码是定义 在g f ( 2 ”) 域上的多元b c h 码。 以上手机电视标准涉及到的信道编码类型：l d p c 码、r s 码、t u r b o 和r c p c 码都具有优秀的性能，适合硬件实现，而其中的l d p c 码，由于其e r r o rf l o o r 较 低，很多下一代的移动通信系统中都将考虑将其作为信道编码方案，l d p c 码已经 被列为多种数字电视以及手机电视传输系统标准中的信道编码方案，例如我国数 字电视地面广播传输系统标准d m b t h 、欧洲的数字卫星广播系统标准d v b s 2 、 我国广播信道行业标准c m m b 、我国手机电视国家标准t - m m b 等标准，它们都 应用了最新的l d p c 前向纠错编码技术，可以更加可靠地支持更多的无线多媒体 业务。 l d p c 虽然有很低的e r r o rf l o o r ，但这是有代价的，获得低的误码平台是与解 码算法有关的，b p 类算法经过大量迭代可以实现，而大量迭代意味着实现复杂度 提高，接收机成本增加，实际上l d p c 系统通常迭代次数是有限制的。而这还仅 仅是加性高斯白噪声( a w g n ) 信道下的结果，一旦信道变成动态多径信道，实 际情况全然不同了，会造成e r r o rf l o o r 大幅提升，对于视频应用，就会出现大量马 赛克，严重影响收视。所以几乎所有数字电视标准都采用了l d p c 码作为内码， 与外码构成级联码，来进行信道编码，而外码的选择有r s 码，b c h 码等。 c m m b 采用了r s 编码和高度结构化低密度奇偶校验码( l d p c ) 技术。在目前 已有的编码方法中，l d p c 是一种能够逼近s h a n n o n 限的性能优秀的信道纠错编码 方法，因其卓越的性能使它成为高速宽带系统应用中理想的编码方式。c m m b 的 s t i m i 技术采用t o 新的l d p c 构造方法和低复杂度的译码方法，不仅提高了接收 灵敏度，而且极大地降低了整个编译码器硬件执行的复杂性，利于芯片实现。 在t - m m b 标准中由于采用了更强的l d p c 信道纠错算法，可以采用高阶的调 制方式，从而相较于传统d a b ，在不影响接收性能( 甚至更佳) 的前提下，获得 更高的频谱效率。 本论文选取了当今国内最有影响力的两个手机电视标准c m m b 和t - m m b 中 l d p c 码编码器的f p g a 实现为切入点，深入研究前向纠错码( f e c ) 技术。 1 2国内外研究现状及发展趋势 1 9 4 8 年，信息论的奠基人c e s h a n n o n 发表了一篇在通信界具有旱程碑意义 的论文通信的数学理论( am a t h e m a t i c a lt h e o r yo fc o m m u n i c a t i o n ) 1 3 ，文中指 出，采用信道编码可以实现信息有效且可靠地传输，并提出了著名的信道编码定 理【4 1 。 1 2 1手机电视中的信道编码技术 信道编码又称为纠错编码，在手机电视中，是指将数字电视信号进行编码处 理，以使编码后的传送码流与信道传输特性相匹配，其根本目的是为了提高信息 传输的可靠性，即提高数字电视系统的抗干扰能力。信道编码是数字通信区别于 4 模拟通信的显著标志，其主要实现方法是通过增大码率或频带，即增大所需的信 道容量。这一点恰好与信源编码为适应存储及信道传输要求而进行压缩码率或频 带而相反。 在发送端，手机数字电视节目源先经过信源编码处理，得到压缩编码后的视 频、音频码流，随后进行信道编码，这里需要辅助数据与控制数据的支持。信道 编码实现检错和纠错功能，以提高手机数字电视传输信号的抗干扰能力，使之适 应信道传输特性，再进行载波调制以实现频谱搬移，最后送入信道进行传输。经 载波调制后的数字信号送入传输信道中进行传输，传输途径主要包括地面丌路广 播、有线广播、卫星广播三种方式。在接收端，信号处理流程与发送端f 好相反， 先进行载波解调，然后是信道解码、信源解码，从而还原出手机数字电视视频、 音频节目信息，最后送入显示设备将信息呈现给手机数字电视用户。 手机数字电视信号在传输过程中将受到信道加性噪声、乘性噪声以及多径衰 落等干扰因素的影响，虽然与模拟通信系统相比，数字通信系统具有较强的抗干 扰能力，但当干扰较大时仍然可能出现误码，其中地面丌路广播在数字电视三种 传输方式中由于信道特性最为恶劣、传输难度最大，因而失真与误码也最为严重。 要减少失真与误码，必须提高信噪比，由于信道带宽及信号功率均受到限制，信 噪比的提高也受到限制，因此必须进行纠错编码，以进一步提高传输系统的可靠 性。只要信号传输过程中出现的失真与误码在一定限度之内，接收端就能正确解 调出来，从而保证了信息传送的正确性。 手机数字电视系统对信道编码技术有以下两点要求：一是通过附加一些数掘 信息以实现最大的检错纠错能力，这将涉及到差错控制编码的原理及特性：二是 数据流频谱特性适应传输信道的通频带特性，以使信号能量经由通道传输时损失 最小，这将涉及到数字信号序列的频谱形成技术，即传输码型选取及转换。此外， 应该明确：任何信道编码技术的检错、纠错能力都在一定限度之内，当信道中干 扰很严重、传输误码超出一定限度时，信道编码系统将无法纠正这些错误。 手机数字电视系统信道编码技术主要包括纠错编码技术、数据交织技术、网 格编码技术、均衡技术等，它们可提高数字电视信号的抗干扰能力，再利用调制 技术即可将数字电视信号放在载波或脉冲串上，从而为信号发射做好准备。信道 编码的实质是寻找适合数字电视信号在相应传输信道中的安全传输模式，使经过 信道编码后的数字码流能够匹配信道传输特性、减少误码与差错。因此，信源编 码以后的所有编码措施，包括扰码、交织、卷积等都可以划分到信道编码的范畴。 手机电视中常用的纠错编码，通常采用两次附加纠错码的前向纠错( f e c ) 编 码。外编码和内编码结合一起，称之为级联编码。级联编码后得到的数据流再按 规定的调制方式对载频进行调制。前向纠错码( f e c ) 的码字是具有一定纠错能力 的码型，它在接收端解码后，不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的 位置，并自动纠错。这种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。所以 在广播系统( 单向传输系统) 都采用这种信道编码方式。 1 2 2l d p c 码及其发展 l d p c 码，即低密度奇偶校验码，是l o wd e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e 的缩写，由 麻省理工学院的r g g a l l a g e r 于1 9 6 2 年在其博士论文中第一次提出，所以又称 g a l l a g e r 码。l d p c 码是线性分组码的一种，所谓“低密度”是指l d p c 码的m x n 校验矩阵具有稀疏性，即校验矩阵中只有很少的“1 ”元素，其余都是“0 ”。 g a l l a g e r 在他的博士论文中提出了j 下则l d p c 码的构造方法、编译码算法以及 最小汉明距离分析和译码算法的性能分析。他的重要创新点在于提出了能够在低 复杂度下实现接近香农限的迭代译码算法( 或称m p 算法集) 。由于当时的条件限 制，编译码器的硬件实现几乎是不可能的：同时，因为没有足够计算能力的计算 机，所以精确细致的仿真也不能实施，g a l l a g e r 只能给出高于1 0 4 的误码率【5 l 。 t u r b o 码的发现重新引发了众多学者对l d p c 码的研究兴趣。1 9 9 5 年m a c k e y ， n e a l 和r i c h a r d s o n 等人对l d p c 码重新进行了研究。在m a c k a y 的论文中，证明 在采用b p 迭代译码时，l d p c 码具有逼近s h a n n o n 限的性能，是一种极为优秀的 信道编码【6 】。近几年来该领域带来了许多新的发现：首先将l d p c 码的概念扩展到 了非正则码的概念，并且提出了译码阈值，有效编码算法等等新的理论。 1 9 8 1 年t a n n e r 第一次提出了用图的理论来分析l d p c 码的性能，从而将l d p c 码的校验矩阵对应到被称为t a n n e r 图的双向二分图上。t a n n e r 在他的论文中提出 用t a n n e r 图来分析极性校验码的思想，为人们从图论的角度分析l d p c 的距离特 性和性能限丌辟了一条新思路【7 】。l d p c 码的二分图又称为t a n n e r 图，这是由t a n n e r 在1 9 8 2 年首次用它来表示低密度码的，一个t a n n e r 图和一个校验矩阵完全对应。 编码的复杂度太高一度成为阻碍l d p c 发展的一大障碍，l d p c 码在硬件上实 现并不现实，这引发了无数通信学者的研究。在n e a l 的论文中，他提出了第一个 具有线性复杂度的编码算法基于l u 分解的算法【8 1 ，但是能否找到一个合适的 l u 分解成为制约这个算法的关键。t j r i c h a r d s o n 和r l u r b a n k e 在他们的论文 中提出了一种基于近似下三角矩阵的可以达到线性复杂度的编码算法【9 1 ，这种算法 需要对h 矩阵进行预处理，将h 矩阵化成一个近似下三角的形式；s jj o h n s o n ，s r w e l l e r 等人在论文中提出的基于准循环矩阵的编码方式【l o 】；h j i n 等人提出的基于 差分编码的编码方式】；澳大利亚科学家h a l e y 提出的基于迭代的编码【1 2 】【1 3 】等等。 l u b y 等人于1 9 9 8 年提出构造每行( 每列) 重量不相同的非正则l d p c 码，其 6 中信息比特所在的列越重，所参与校验式越多，译码时越容易被纠错，从而帮助 译码器更容易纠正其它错误，性能有较大的改进【1 4 】。1 9 9 8 年以来，l d p c 码的硬 件实现成为一个研究热点，而2 0 0 1 年以来，l d p c 码和通信中的其它先进技术的 结合成为研究重点，b e nl u 等人提出基于l d p c 的s t c ( s p a c e t i m ec o d e d ) o f d m 系统，结合了空间分集、选择性衰落分集( s e l e c t i v e f a d i n gd i v e r s i t y ) ，以较低的计算 复杂度达到了较好的系统性能。 国内关于l d p c 码的研究主要是对现有码类和解码算法的实施和改进，以及 l d p c 码与调制技术的结合或在移动通信系统中的应用研究等，对l d p c 码新码的 构造和编码器设计的研究涉及较少。大型稀疏奇偶校验矩阵的存储和快速生成算 法，以及低复杂度l d p c 码编码器的设计问题，是阻碍l d p c 码走向应用的瓶颈 问题。 l d p c 码作为一种具有稀疏校验矩阵( 校验矩阵中l 的个数较少) 的线性分组 码，具有逼近香农限的优异性能，并且矩阵的稀疏特性保证了编码和译码复杂度 基本与码长呈线性关系，目i j 该技术已得到国际上的广泛重视，今后将在通信的 各个领域中得到广泛的应用。 1 3论文的主要工作与章节安排 本论文以c m m b 与t - m m b 中的信道编码为主要研究方向，研究了其系统结 构，对信道编码部分，特别是其中的l d p c 码编码器进行了深入研究，并用f p g a 实现了两种标准中的l d p c 码编码器，以及c m m b 标准中与l d p c 码编码器级联 的r s 码编码器以及字节交织。论文的主要贡献有： 1 ) 研究并总结了学位论文数字电视传输系统中l d p c 码编码器的研究与 f p g a 实现中对c m m b 标准中l d p c 码编码器的设计，对原有的l u 分 解进行编码的方法进行了深入研究，提出了改进的算法，新算法充分利用 f p g a 并行和流水线设计的特点。经测试，在使用1 0 0 m h z 时钟的时候， l d p c 码编码数据率由原来的5 6 m b p s 提高到3 0 m b p s 以上，而m 9 k 块 r a m 的占用由原来的5 0 降低到3 3 。 2 ) 对原有的各种r s 编码算法进行总结，以学位论文数字电视传输系统中 b c h 码编译码器的研究与f p g a 实现中的r s 码编码器为基础，在总结 其比特并行编码和用对偶基实现乘法的方法基础上进行了改进，提出在对 偶基中实现编码器中的乘法和加法来达到快速编码，并完成了c m m b 标 准中三种码率的r s 码编码器。经测试，改进后的r s 码编码器在使用 1 0 0 m h z 时钟的时候，编码速度由原来的9 2m b p s 提高到7 3 0 m b p s 。 7 3 ) 对c m m b 中的字节交织，考虑到交织所占的大量存储，为了节省f p g a 的内部存储资源，用片外s r a m 实现字节交织。设计了f p g a 与s r a m 的接口，最终完成c m m b 中字节交织与r s 码编码器、l d p c 码编码器的 联合测试。 4 ) 设计了t - m m b 中l d p c 码编码器，用基于准循环的生成矩阵的编码方式 进行编码，并在f p g a 中实现。 论文的组织结构共分为五章： 第1 章综述部分主要介绍了课题的研究背景，手机电视用到的信道编码技术， l d p c 码的一些发展情况，随后阐述了本论文的选题动机，最后是论文的组织结构。 第2 章介绍了手机电视中比较重要的信道编码技术l d p c 码和r s 码，这也是 本论文所研究的重点。从原理上介绍了与本论文有关的几种l d p c 码编码方式， r s 编码原理，以及c m m b 中要用到的字节交织原理。这一章是本论文所研究内 容的理论准备。 第3 章是本论文的重点，集中讨论对l d p c 码编码器、r s 码编码器的改进算 法及其分析，在原有的编码方法基础上，提出更适合在f p g a 中实现的编码方法， 以提高编码速度，介绍了如何用时序图实现字节交织。最后还介绍了t - m m b 中 l d p c 码编码器的设计方法。 第4 章介绍本论文所设计的各种编码器在f p g a 上的实现，包括c m m b 标准 中的r s 码编码器和l d p c 码编码器的f p g a 实现，字节交织在片外s r a m 实现 的方法，以及t - m m b 中l d p c 码编码器的f p g a 实现。 第5 章是测试和总结，对本论文的设计进行最终测试，包括c m m b 中字节交 织与r s 编码、l d p c 码编码器的上板联合测试以及t - m m b 标准中的l d p c 码编 码器的测试。最后介绍了论文的主要贡献和存在的不足。 2 手机电视中的l d p c 码及r s 码 2 1l d p c 码的主要编码方式 编码的复杂度太高曾经成为阻碍l d p c 发展的一大障碍，传统的编码方式复杂 度是和码字长度的平方成正比，而一般l d p c 码字的长度都是在上万左右，所以 在硬件上实现并不现实，这引发了无数通信学者的研究。第一个具有线性复杂度 的编码算法是由n e a l 提出的基于l u 分解的算法【15 1 ，但是能否找到一个合适的l u 分解成为制约这个算法的关键。 2 1 1传统编码方式 由于l d p c 码的本质是线性分组码，所以其传统编码算法和一般的线性分组码 十分类似，只需根据校验矩阵求出生成矩阵，然后利用生成矩阵进行编码。即： 已知长度为k 的信息序列s ，变换得到的k x 疗生成矩阵g ，那么编码的过程就是 c = s g 。 l d p c 码的校验矩阵日是稀疏的，可以通过一定的数学方法构造得到。利用日 和g 之间的正交性，可以通过对日矩阵的高斯消去和初等列变换将其化成标准形 式：珥= t e l , 一。】，其中p 为( n - k ) xk 阶的校验子矩阵，l 一。为o 一七) ( 万一k ) 阶 单位方阵，那么利用我们所学过的知识，就可以很容易写出g 矩阵的标准形式： g = 【i kl p r 】，其中为k xk 的单位矩阵，且g 满足t t g r = 0 ，这样得到的码字 具有系统码的形式。 虽然日矩阵是稀疏的，但是高斯消去会破坏它的稀疏性，也就是得到的g 矩阵 将不具有稀疏性。因为我们编码是通过c = s g 得到，所以g 矩阵的内容必须事先 存储在硬件中，那么如果g 矩阵不稀疏，把其中的内容进行存储会消耗较大的存 储资源，计算起来也会比较慢。 可以看出，虽然传统编码方法适合任何日矩阵，原理也简单，但因为复杂度太 高，这种传统的编码方式在f p g a 实现起来并不现实。 2 1 2l u 分解进行编码 考虑一个码长为包含k 个信息比特l d p c 码，校验比特在前，信息比特在 9 后。由于信息比特是已知的，因此编码器的工作就是根据校验矩阵日和信息比特， 计算这m = n k 个校验比特，使整个码字满足日矩阵的校验关系，即hx c r = 0 。 将l d p c 码的日矩阵按列分成彳和毋两个矩阵，子矩阵a 对应校验比特，子 矩阵口对应信息比特，利用h x c 7 - - - 0 ，可得 l ab 阡。 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中a 是( n - k ) x ( n 一七) 的矩阵曰是( n 一七) k 的矩阵，s 为信息比特，长 度为七，p 为校验比特，长度为n 一七。 由式( 2 1 ) 可得， , 4 p 7 + b s7=0(2-2) 即, 4 p r = 一b s 7 = b s ， ( 由于在二元域编码，因此符号可以取消) 因此可得： p 1 = a 叫x b x s l( 2 3 ) 编码的问题似乎解决了，然而在对爿矩阵求逆的过程中，会严重破坏其稀疏性， 从而导致复杂度随彳矩阵的大小呈平方增长，这对于码长通常较长的l d p c 码是 非常致命的。 n e a l 在1 9 9 9 年提出了基于l u 分解的编码算法，l u 分解可以将与彳- 1 的计算 转化为前向迭代和后向迭代的过程【8 1 。 根据矩阵的基本知识我们知道：一个满秩的矩阵可以表示为一个下三角矩阵l 和一个上三角矩阵u 乘积的形式，即a = l xu 。需要注意的是，这里和u 不是 唯一的。代入式( 2 3 ) ，可得： p r = ( l x v ) 一。x b x s r = u 一1 x l - 1x b x s 7 由于三和u 分别为上三角和下三角矩阵，因此在计算过程中， 和u 的逆，然后再进行矩阵乘法。对式( 2 4 ) 进行变形可得， l x u x p 7 = b x s r 编码过程如下： 1 令：= b xs7 ，计算z 的值 z 2 b xs r = 墨。q ： 垦。垦： 风。氐： 对位相乘。以第一行为例： 墨 s 2 ： s t ( 2 4 ) 并不需要求出工 ( 2 - 5 ) ，实际上是矩阵曰的各行分别与矢量s 1 0 七 七 ； z i = b i i s i + b i 2 屯+ + 召i i & ( 2 6 ) 注意到矩阵曰是一个稀疏矩阵，且在二元域上运算，因此就等价于：将矩阵曰 第一行中1 元素对应的s 元素进行模- a n ( 异或) 。 2 令y = u x p r ，因此l x y = z ，即 l xy = lo 0 ) 10 。一i i ) 1 0 )k _ 1 ) 1 儿 奶 y 。 y 。 刁 z 2 乞1 乞 ( 2 7 ) 解矩阵方程可得， y i = z l( 2 - 8 ) 耽= 9 2o1 ( 2 ，i ) y l ( 2 - 9 ) y n = z no i l i ) y lo & n 2 此国o 厶n ，1 1 i ) y n i( 2 - 1 0 ) 显然，计算妮需要用y l 的值，依此类推，是一个前向迭代的过程。 3 由y = u xp7 ，计算p ，即 u xp r = 1 u ( i ，2 ) ol 0 0 解矩阵方程可得， 0 0 1 u ( 月一i 月) 0 l a 见 见一l p 。 咒 儿 y n y 。 p n i h 胁i = y n i $ 坝肿1 一西 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) p 1 2 y lou ( i 2 ) p 2ou ( 1 ，3 1 9 3o o “( 一i ，l