（电路与系统专业论文）dmbth系统中准循环ldpc编译码的仿真研究.pdf

摘要 摘要 低密度奇偶校验码( l o w - d e n s i t y p a r i t y - c h e c kc o d e s ，l d p cc o d e s ) 由g a ll a g e r 在1 9 6 2 年首先提出，在沉寂了多年之后，受到t u r b o 码的启发，l d p c 码再次成 为通信技术研究的热点。l d p c 码是基于稀疏校验矩阵的线性分组码，具有非常 好的特点：逼近香农限的性能，译码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。准 循环l d p c ( q u a s i - c y c l i cl d p c ，q c - l d p c ) 码是一类非常重要的l d p c 码，在实 际应用中，以低复杂度的编码以及较低的误码平台成为优越的信道编码。 d m b t h ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i at v h a n d l eb r o a d c a s t i n g ) 是清华大学 提出的具有我国完整自主知识产权的数字电视地面传输标准，具有广泛的应用前 景。d m b t h 系统中涉及诸多关键的技术，其中信道编译码占据着十分重要的 地位。在d m b - t h 系统中，信道编码采用q c - l d p c 码作为内码，b c h 码作为外码 的级联方式。 本文在阐述d m b t h 系统的发送端原理、前向纠错编码模块，概述q c l d p c 码的特点和基于图模型的编译码原理的基础上，对应用在d m b - t h 系统中三种码 率的q c - l d p c 进行编码，分别采用对数似然比测度和积译码算法、最小和算法、 改进型最小和算法进行译码，比较其误码性能和译码复杂度。针对如何进一步在 提高q c - l d p c 码译码性能的同时降低译码复杂度，提出了将分层译码算法应用在 d m b - t h 系统中，并将分层译码与改进型最小和算法相结合，给出性能仿真。结 果表明，分层译码算法具有快速译码收敛的优点，在不改变噪声门限的条件下， 可使译码迭代次数减半。 关键词：d m b t h 系统；准循环低密度奇偶校验码；译码算法 a b s t r a c t a b s t r a c t l o w - d e n s i t y - p a r i t y c h e c kc o d e s ( l d p cc o d e s ) w h i c hw a sp u tf o r w a r db y g a l l a g e ri nt h ee a r l y19 6 2 ，s i l e n tf o rm a n yy e a r s ，i n s p i r e db yt u r b oc o d e s ，i tb e c a m ea h o tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya g a i n l d p cc o d e si sat y p eo fl i n e a rb l o c kc o d e sw i t h v e r ys p a r s ec h e c km a t r i x ，a n di th a sw o n d e r f u lf e a t u r e s ：c a p a b i l i t yo fa p p r o a c h i n gt h e s h a n n o nl i m i t ，c o n v e n i e n ta n a l y s ea n dr e s e a r c hi nt h e o r y , s i m p l ed e c o d i n g ，a b i l i t yo f p a r a l l e lp e r f o r m a n c ea n ds u i t a b l ef o ri m p l e m e n t a t i o nw i t hh a r d w a r e q u a s i c y c l i c l d p c ( q c l d p c ) c o d e si s a l l i m p o r t a n tt y p e o fl d p cc o d e s i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , q c l d p cc o d e si s as u p e r i o rc h a n n e lc o d i n gb e c a u s eo fi t sl o w e r c o m p l e x i t ya n dl o w e re r r o r - f l o o r d m b t hs y s t e m 谢t hi n d e p e n d e n ti p ( i n f o r m a t i o np r o p e r t y ) i si n d e p e n d e n t l y p r e s e n t e db yt s i n g h u au n i v e r s i t y c h a n n e lc o d i n go c c u p i e sv e r ys p e c i a lp o s i t i o ni n m a n yk e yt e c h n o l o g i e so fd m b t hs y s t e m i nd m b t hs y s t e m ，t h el d p c b c h c o n c a t e n a t e dc o d e sw e r eu s e di nf e cm o d u l e ，l d p ca si n n e rc o d e s ，b c ha so u t e r c o d e s t h eb a s i ct h e o r i e so ft r a n s m i s s i o nm o d u l ea n df e cm o d u l eo fd m b t hs y s t e m 、 t h ef e a t u r e so fq c - l d p cc o d e s 、t h ep r i n c i p l e so fe n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m s o fq c l d p cc o d e so ng r a p h sw e r es u m m a r i z e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o n so fl l r b p 、m e n s u ma n dm o d i f i e dm e n s u ma l g o r i t h m so v e ra w g nc h a n n e lw e r e p r e s e n t e dt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yo fd e c o d i n ga l g o r i t h m so f t h r e er a t e so fq c l d p cc o d e sf o rd m b t hs y s t e m i no r d e rt o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fq c l d p cc o d e sw h i l er e d u c i n gc o m p l e x i t yf u r t h e r ，l a y e r e dd e c o d i n g a l g o r i t h mw a su s e di nd m b - t hs y s t e m t h e nl a y e dd e c o d i n ga l g o r i t h mw a sc o m b i e d w i t hm o d i f i e dm e n s u ma l g o r i t h mt os i m u l a t ei t sp e r f o r m a n c e t h er e s u l ts h o w e dt h a t l a y e r e dm o d i f i e dm e n s u md e c o d i n ga l g o r i t h md i dn o ti m p o v en o i s et h r e s h o l db u ti t c o u l dr e d u c et h ed e c o d i n gi t e r a t i o nb yh a l f k e yw o r d s ：d m b - t hs y s t e m ；q c l d p cc o d e s ；d e c o d i n ga l g o r i t h m s 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个入或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明入( 签名) ：帚和k 罗年矿月好日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( 。 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：高旅 日期：加。譬年月西日 导师签名：搬 日期：硼9 年f月谚日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍q c l d p c 码的研究现状和信道编码的一些理论，然后概述目 前国内外数字电视地面传输标准的发展进程以及清华大学提出的d m b t h 多载 波方案，最后给出论文的主要内容和结构。 1 1q c - l d p c 码的研究背景与现状 准循环低密度奇偶校验码l l j ( q u a s i c y c l i cl o w d e n s i t y p a r i t y c h e c kc o d e s ， q c l d p c 码) 是一种特殊的低密度奇偶校验码，l d p c 码f 2 j 由g a l l a g e r 子2 0 世纪 6 0 年代首次提出，是一种基于稀疏校验矩阵的线性分组码。l d p c 码的编码基于 香农提出的随机编码的思想3 。由于当时计算机水平发展有限，硬件实现困难， l d p c 码并没有得到应有的重视，直到1 9 9 3 年b e r r o u 等提出t u r b o 码之后，人 们发现t u r b o 码从某种角度上讲是一种l d p c 码，l d p c 码又引起人们的研究兴 趣。l d p c 码采用软判决的置信传播迭代译码算法，在给定误码率下的信息传输 速率非常接近香农限，对于一些码长为中等或较长的码进行l d p c 信道编码。其 纠错性能甚至超过t u r b o 码。计算机仿真【4 】表明，在二元域a w g n 信道中码长 为1 07 、码率为1 2 的非规则l d p c 码距香农限仅有0 0 0 4 5 d b 。2 0 0 4 年9 月6 日， 日本产业技术综合研究所、n e c 电子和东京电力宣布，利用产集群计算机 “a i s t s u p e r c l u s t e r ”成功验证了l d p c 的有效性，即宣布所谓的误码平台( e r r o r f l o o r ) 是不存在的，只要构造合理，可以将误码率降到任意低1 5 j 。 l d p c 码根据其构造方法和相应的编码算法，可分为随机构造和确定性构造。 传统的l d p c 码都是采用随机构造法，但其在构造与编码上存在着用硬件不易实 现等问题，大大限制了传统的l d p c 码的发展和应用，而确定性构造法的l d p c 码，性能比随机构造法有所下降【6 l ，但因其构造方面的规律性，对于降低实现复 杂度、减少资源占用，有着重要的实用价值。在众多确定性构造法的l d p c 码中， 由于q c l d p c 码采用移位寄存器的方式进行编码【7 】，其编码复杂度与码长成线 性关系，在中短码时具有相当强的纠错能力，性能接近随机构造的最优l d p c 码， 又由于其校验矩阵结构的规律性，可以大量减少校验矩阵所需的空间，且硬件实 d m b - t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 现极其简单，逐渐成为一个研究热点。 目前对q c l d p c 码的研究主要集中在：校验矩阵的优化构造、编码算法的 优化、译码算法的优化、实际系统应用等方面。 l 、理论研究方面 有关q c l d p c 码校验矩阵优化方面的研究，包括如何消去短环【8 j 、寻找好 的节点次数分布 9 1 、寻找速率兼容的q c l d p c 码构造法1 1 0 1 、寻找较好的确定性 构造法。其中寻找较好的确定性构造法来构造性能优异的q c l d p c 码是目前的 研究热点。确定性构造法主要包括置换法、图论法、有限几何法等。在文献 1 1 】 中，作者提出了一种基于s f t 置换矩阵的q c l d p c 码构造法，该方法虽然降低 了q c l d p c 码的复杂度，但因其全局矩阵为随机构造，不利于硬件实现。针对 文献 1 1 中，全局矩阵构造方面存在的缺陷，在文献 1 2 】中提出了另一种基于改 进ie l r a 形式的q c l d p c 码构造法，该方法便于硬件的实现。文献【1 3 提出了 一种基于图论的q c l d p c 码构造法，该方法虽然在列重量没有限制的前提下能 够消除短环的存在，但是该构造法的实现复杂度随着环的长度而急剧加大，当环 的长度增加到1 2 时，该构造法就不利于长码字的实现。文献【1 4 q b 提出了有限 几何构造法和基于光正交码字构造法，两种构造法虽具有严密的构造步骤，但是 用这两种构造法构造的校验矩阵往往都不满足稀疏条件。在文献【1 5 】中提到了一 种新的构造法一基于循环差集构造法，该构造法构造的矩阵性能不但不低于随机 构造的l d p c 码性能，且对码率没有严格的限制，能够构造出高码率的q c l d p c 码，是目前比较理想的q c l d p c 码构造法。 有关q c l d p c 码编码算法方面的研究，主要如何通过对编码算法的优化来 降低编码复杂度和实现快速有效编码。编码算法的优化，目前主要有三种方案【1 6 1 ： 第1 类是寻找校验矩阵满足特殊性质的q c l d p c 码，这类构造法比较特殊，局 限性较大。第2 类是用高效译码算法实现迭代编码，这样会损失了译码性能。第 3 类是准下三角型编码方法( a l t f ) ，该编码方法可满足快速编码的要求。文献 【1 7 】提出了一种针对校验矩阵列重小于4 的q c l d p c 码的快速编码算法，该算 法进一步降低了编码复杂度，极大地提高了编码速度。 有关q c l d p c 码译码算法方面研究，主要包括寻找好的译码算法使译码性 能达到香农限、快速译码算法的研究【1 8 】、计算性能界和码率界、分析码结构中的 2 第一章绪论 周期与性能的关系【1 9 】等。其中寻找好的译码算法，提高译码性能、降低译码复杂 度和减少译码平均迭代次数是目前的主要研究热点。文献 2 0 】对几种常用的 q c l d p c 码的译码算法进行了介绍和比较，对数似然比测度和积译码算法在编 码二分图中没有环时，性能较好，但是译码复杂度太高，不利于硬件实现。最小 和算法通过简化校验节点信息的处理来降低译码复杂度，但是同时也使性能下 降。改进型最小和算法修正了最小和算法在校验节点消息处理上的缺陷，在译码 性能和实现复杂度之间达到了较好的平衡，但是每次译码所需的迭代次数较多， 当将其应用在实际d m b t h 系统中，系统的吞吐量低，不符合实时性的要求。 文献【2 1 】中提出了一种分层译码算法，其在译码性能、译码复杂度和平均迭代次 数上得到了较好的折中。目前国内外对分层译码算法研究还较少，特别是国内还 没有提出将其应用在d m b t h 系统中。 2 、应用研究方面 由于q c l d p c 的优异性能，q c l d p c 码具有巨大的应用前景。基于 q c l d p c 码在各通信领域应用的研究正方兴未艾，如宽带抗干扰、深空通信、 光纤通信等领域。q c l d p c 码作为前向纠错编码已经在一些标准中得到成功的 应用，如欧洲的d v b s 2 、我国数字电视地面广播标准等，并已经被作为未来高 速宽带移动通信系统中信道编码的主要备选方案之一。继t u r b o 码被i s o 一2 0 0 0 标准作为第三代移动通信手机中的纠错抗干扰方案后，最近，q c l d p c 码也被 l g 等通信类大公司采用或提出作为第四代移动通信手机中的纠错干扰方案。 虽然q c 。l d p c 码具有许多的优点，但并不表示q c l d p c 码是一种“完美” 的纠错码，目前制约q c l d p c 码应用的最大问题就是对资源的占用过于庞大、 译码时间长所造成的系统吞吐量低。因此，如果能寻找到性能优越、较低复杂度 和平均迭代次数较少的先进编码算法以及译码算法，无疑将极大地增强 q c l d p c 码的生命力，并迅速地推动q c l d p c 码在各种通信系统中的实际应 用，从而占领产业的制高点。 3 d m b - t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 1 2 信道编码概述 1 2 1 数字通信系统 一般的通信系统可以由图1 1 表示【2 2 1 。包括五个关键部分。 ( 1 ) 信源：产生传送到接收端的信息或信息序列。 ( 2 ) 发送器：对信息进行处理，产生一个适合于信道传送的信号。 ( 3 ) 信道：传输介质，可能是导线，电缆，无线电频段等等。 ( 4 ) 接收器：完成发送器的逆过程，从信号中恢复信息。 ( 5 ) 信宿：信息的接收端。 图1 - 1 数字通信系统 在实际的通信系统设计中，我们不仅要关心有效性，还同样关心可靠性问题， 即每一次传输过程能否在接收端得到正确的信息恢复。信息通过信道传输，由于 物理介质的干扰和噪声无法避免，信道的输入和输出之间仅具有统计意义上的关 系，在作出唯一判决的情况下将无法避免差错，其差错概率完全取决于信道特性。 因此，一个完整、实用的通信系统通常都包括信道编译码模块。视频信号在传输 前都会经过高度压缩以降低码率，传输错误会对最后的图象恢复产生极大的影 响，因此信道编码的性能显得尤为重要。 1 9 4 8 年，美国贝尔实验室的c l a u d ee s h a n n o n 在贝尔技术杂志上发表了题为 “a m a t h e m a t i c a lt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n 1 2 3 1 的论文，这篇论文开辟了现代信 息和编码理论这一新领域，它的发表标志着现代信息与编码理论学科的创立。 s h a n n o n 在该论文中推导了波形信道( 连续信道) 在加性高斯白噪声下的信道容 量，即著名的s h a n n o n 公式： 4 第一章绪论 c = w l 0 9 2 静 其中w 为信道所能提供的带宽，匕为信道平均功率，n o 为噪声的单边功率谱 密度，信道容量c 的单位为比特秒。在数字通信系统中，用邑代表每信息比特 需要传输的能量，则有： 名= c e b ( 1 2 ) 于是香农公式转化为： 谚c l 0 9 2 ( 1 + 芳静 3 ， 结果是 墨：兰! ( 1 4 ) n o c w 由香农公式可知，当宽带w 趋于无穷时，信道容量不会趋于无穷，而是趋于 一个渐进值。此时c w 专0 ，则有： 墨：l i m 兰：! 二! ：l n 2 ：o 6 9 ：一1 6 招( 1 - 5 ) n o c i w oc w 这个值被称为香农限。这是带宽无限的高斯白噪声信道达到信道容量所需的 最低比特信噪比，是通信系统传输能力的极限。 对于带限信道上的二元符号而言，编码速率为r ，丁为符号周期，则传输符 号的平均功率p = 娼丁。若高斯噪声双边功率谱密度为n o 2 ，信道传输带宽 为形，则噪声平均功率为盯2 = o 矿。在满足n y q u i s t 的理想情况下( 形= 刍) ， 得到a w g n 信道的信道容量( 每符号所承载的信息量) 为 c = 扣器，= l l o g 争 6 ， 信龇定义为s n r 蔓0 2 = 等 ( 1 - 7 ) 其中，疋是编码以后的符号平均能量。最后，得到带限a w g n 信道的信道容量 c 与编码速率尺和信道信噪比之间的关系为 5 d m b t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 = 扣叶争 m 8 ， 当式( 1 8 ) 中等号满足时，就达到了a w g n 信道的信道容量。从而，其s h a n n o n 容量限为 s n r 竺兰( 1 9 )二二( ) 2 r d m b t h 系统中三种码率的s h a n n o n 容量限如下。当r = 0 4 时，s h o n n o n 容量限约为0 9 2 d b 。当尺= o 6 时，s h o n n o n 容量限约为1 0 8 d b 。当r = 0 8 时， s h o n n o n 容量限约为1 6 9 d b 。 1 2 2 信道编码 信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元( 称为监督码元) ， 使它们满足一定的约束关系，这样由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传 输的码字。一旦传输过程中错误，则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。 在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而可达到发现和纠正错误的目 的。举例而言，欲传输k 位信息，经过编码得到长为刀( n k ) 的码字，则增 加了n k = r 位监督码元，我们定义r = 尼九为编码效率或码率。 1 、编码增益 假定单位时间内传输的信息量恒定，增加的冗余码元则反映为带宽的增加； 在同样的误码率要求下，带宽增加可以换取比特信噪比邑0 值的减少。我们把 在给定误码率下，编码与非编码传输相比减少的信噪比毛o 称为编码增益。需 要强调的是，在有信道编码存在的情况下，我们通常用以评价系统性能的岛o 值是每比特信息的信噪比，而不是每比特码元的信噪比。假设传输一个比特码元 所需平均能量为e = r 。 2 、构造好码 如何能够找到“好码”，使冗余尽可能小的情况下能获得尽可能大的编码增 益。s h a n n o n 在1 9 4 8 年论文中给出了著名的信道编码定理： 设尺是信息传输的速率，c 是信道容量，则对于任意小的占 0 ，只要r c ， 6 第一章绪论 就总存在一种信道编码方式，使得译码的平均错误概率只 s 。 这个定理表明，在不可靠的信道上完全可以实现可靠的信息传输，但是传输 速率绝不可能超越信道的极限能力即信道容量，否则就不可能做到无误传输。也 就是说，噪声只是限制了可以得到的信息传输速率，但不能限制可以获得的精确 度。 s h a n n o n 给出的只是一个存在性定理，并没有给出能够达到香农限的码型的 具体构造方法。此后，寻找靠近香农限的“好码”成为编码科研工作者们不懈追 求的目标。从理论上说，在信道带宽形- - - ) , o o 时，会有码长n 专0 0 ，这时系统的 传输能力才有可能接近s h a n n o n 限。但是，接收端译码算法的复杂度是随着编码 长度呈指数增产的，无限增加码长并不现实。即使在码长有限的情况下，随机编 码方式所得的码集也会很大。即使通过繁杂的搜索能找好码，这种码也往往是无 结构的，在译码时只能用查表法，其复杂度无法接受。因此真正实用的信道编码 都是通过数学方法来构造，使码字具有便于译码的结构；因此其性能距s h a n n o n 限也有一定的差距。这种差距也是信道编码研究人员开发新技术的源动力。 3 、信道编码的分类 在数字通信系统中，利用纠错码来进行差错控制的方式有以下几种f 2 4 】： ( 1 ) 重发反馈方式( a r q ) 。发送端发送能够检查错误的码字，在接收端根 据编码规则来判断接收到的码字否有错误发生，并将结果通过反馈信道通知发送 端。如果接收端认为其接收到的信号是错误的，发送端就重新发送，直至接收端 接收到正确的结果为止。这种方式只适合于能够建立反馈信道的通信系统，一般 用于点对点的通信。其优点在于编译码设备简单，可以获得极低的误码率。缺点 主要是这种方式的实时性和连续性比较差。 ( 2 ) 前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 方式。所谓“前向”，是指 接收端的译码器根据码的规律性自动纠正接收到的码字中的错误。这种方式的优 点在于不需要反馈信道，可以进行单点对多点的通信，消息的连续性和实时性比 较好。其缺点是码的构造复杂，需要添加比较多的冗余信息，编码效率较低。 ( 3 ) 混合纠错方式( h e c ) 。混合纠错方式就是上面两种差错控制方式的结 合。接收端在接收到码字之后，首先进行自动纠错，如果错误很多，超过了其纠 错的能力范围，则通过反馈信道通知发送端，发送端再次发送数据。这种方式是 7 d m b t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 上面两种差错控制方式的折中。 对于目前的多媒体广播通信网络来说，用户上行信息和某些数据量小、对传 输错误非常敏感的多媒体服务可以采用重发反馈方式或者混合纠错方式；而网络 的主要服务方式一视频广播通信由于体制的特殊性只能采用f e c 方式。常见的 方式有： 根据码字中的信息元是否发生变化，可分为系统码与非系统码。 根据构造编码的数学方法，可分为代数码、几何码和算术码。 根据码的功能可分为检错码、纠错码以及纠正删除错误的纠删码。 按照纠正错误的类型不同，可以分为纠正随机错误码和纠正突发错误 码。 按照对每个信息元的保护能力是否相等可分为等保护纠错码与不等 保护纠错码。 根据监督码元与信息组之间的关系，可以分为分组码和卷积码两大 类。分组码是将信源输出的信息序列进行分组，以k 个信源为一段， 通过编码器后，产生r 个校验码，输出长度为刀= k + ，的一个码组。 其中每一组码字的校验码只和本组的信源信息有关，与其他码组无 关。卷积码则是将信源信息以个码元为一段，通过编码器输出长 度为的一段码字，但是该码段的一个校验码不但和本组的信 息有关，而且还和前m 段的信息有关，称m 为编码存储。因此卷积 码用( ，k o ，m ) 表示。 根据监督码元和信息码元的关系，可分为线性码和非线性码。如果校 验码和信息源之间的关系是线性叠加关系，称之为线性码，否则为非 线性码。 为了取得更好的编码增益，目前比较常见的一类纠错编码是级联码，就是 将两种相同或者不同的纠错编码进行串联或者并联级联，例如我国数字电视地面 传输系统中信道编码模块就是采用级联码，其将q c l d p c 码与b c h 码进行串 联，以达到良好的抗随机错误与抗突发错误性能。 8 第一章绪论 1 3 数字电视地面传输标准发展概况 数字电视是整个电视广播产业链条上的一次大变革，被誉为新世纪的战略技 术。尤其是数字电视地面广播( d t t b ：d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 牵涉到与移动通信，移动互联网的融合，即三网合一，所以数字电视地面广播标 准影响到诸如信息服务业和接收终端制造业的发展，成为国际数字电视产业竞争 的制高点。 1 3 1 国内外数字电视地面广播的现状 l 、国外数字电视地面广播发展的现状 地面数字电视广播( d t t b ) 从1 9 9 8 年1 1 月北美合欧洲开播以来，在许多 国家已经进入业务运行阶段。目前经国际电信联盟( i t u ) 批准的d t t b 传输标 准主要有三种【2 5 】： 采用格形编码的8 电平残留边带( 8 v s a ) 调制方式的美国a t s c 系统。 采用编码正交频分复用调制( c o f d m ) 的欧洲d v b t 标准。 采用频带分段传输正交频分复用调制( b s t - o f d m ) 的日本i s d b t 系 统。 随着技术的发展和研究的不断深入，人们逐渐认识到在信号峰值一平均功率 比、c n 门限、移动接收、室内j , i , 接收天线、频谱效率、h d t v 传输能力、同 频邻频干扰、对现有模拟电视的干扰、单频网和同频道转发、脉冲干扰和连续 波干扰、相位噪声、静态动态的多径信道、。系统的灵活性等方面，上述三个系 统各有相应的优缺点。 2 、国内数字电视地面广播发展的现状 我国作为一个正在蓬勃发展的大国，拥有着广阔的电视机市场，同时随着模 拟电视市场逐渐地趋于饱和，发展数字电视已成为必然趋势，同时拥有一个具有 自主知识产权的数字电视地面标准对于我国的电视产业的发展也具有战略性的 意义。从2 0 0 0 年开始，国家非常支持开发具有我国自主知识产权的数字电视地 面广播系统。 在经历了6 年多的研究、测试、修正和实践后，2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标 9 d m b t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 准化管理委员会发布公告，中国数字电视地面多媒体广播传输标准( d t m b ： d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 一g b2 0 6 0 0 - - 2 0 0 6 的数 字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制技术规范于2 0 0 6 年8 月1 8 日正式成为国家强制性标准，该标准实施的日期是2 0 0 7 年8 月1 日。 我国自从公布了自己的标准后，一改以往数字电视地面广播标准混乱的局 面，指明了我国数字电视地面广播的方向，再加上国家数字电视领导小组规定自 标准颁布之日起两年内不收专利费，极大地促进了我国数字电视地面多媒体产业 化进程。我国在产业化进程方面也制定了相应的时间表：计划在2 0 0 8 年有涉及 奥运项目的六个城市和四个省用地面数字电视试点转播奥运会，2 0 1 0 年全面实 现地面数字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出。 d t m b 标准主要融合了上海交大的a d t b t 单载波方案和清华大学的 d m b t h ( t v h a n d l e d i g i t a lt e r r e s t r i a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 多载波方案【2 6 1 ， 集成了两种模式各自的优点，提供了多达3 3 0 种应用模式，支持从标清到高清共 3 3 种数据速率，使不同的省份、不同的地区可依据各自的实际需求，灵活选择 不同的方案和模式。 本人在2 0 0 6 年0 4 月到2 0 0 7 年1 2 月参与了厦门市产学研项目移动数字电 视机顶盒的研制。作为一个主要研发设计人员，本人负责高频信号的移动接收 和信道解码模块。其中，信道解码模块采用的是清华大学和北京凌讯华业科技有 限公司共同研发的l g s 8 9 1 3 信道解码芯片。因此本论文所作的研究是基于清华 大学提出的d m b t h 多载波方案。 1 3 2d m b - t h 系统简介 清华大学在吸收了国际上先进研究成果的同时结合我国的具体国情，提出了 一种新颖的、适合我国国情的数字电视地面传输方案，和美国、欧洲的地面标准 相对应，称为d m b t ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 技术。之后， 清华大学在配合国家数字电视联合工作组的基础上，融合继d m b t 技术之后的 最新研究成果，形成了国家数字电视地面标准融合方案，考虑到该方案支持未来 的手持、便携设备接收，称为d m b t h 。d m b t h 在继承原有d m b t 系统优点 的基础上，覆盖范围、抗干扰能力、接收性能、系统稳定性等方面比原有d m b t 1 0 第一章绪论 技术有明显提高。对d m b t h 系统的具体介绍将在第二章中。 不同国家对数字电视地面广播的性能方面均有不同的考虑，这些都影响到信 道编码和调制等信号处理的要求。表1 1 列出了d m b t h 和其他数字电视地面 传输标准中传输参数的比较。 表1 1d m b - t h 和其他数字电视地面传输系统中传输参数的比较 d m b t hd m l b t a t s c d v b ti s d b t 调制技术 时域同步正 时域同步正8 电平残留 编码正交频 频带分段传输正 交频分复用交频分复用 边带8 v s a 分复用调制交频分复用调制 t d s o f d mt d s o f d mc o f d mb s t - o f d m 信道外码 b c h 码r s 码( 2 0 8 ，r s 码( 2 0 7 ，r s 码( 2 0 4 ，r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ) ( 7 6 2 ，7 5 2 )1 8 8 )1 8 7 )1 8 8 ) 信道内码q c l d p c 网格编码网格编码卷积编码( 码率：1 2 ，2 3 ，3 4 ， 码( 码率：( t c m ) ( 码( t c m ) ( 码5 6 ，7 8 ) 0 4 ，0 6 ，0 8 )率2 3 )率2 3 ) 调制方式多载波多载波单载波多载波 均衡方式时域和频域时域和频域时域均衡频域均衡频域均衡 均衡 均衡 同步方式时域信号处时域信号处时域信号处频域信号处频域信号处理 理理理理 从表1 1 可知，d m b t h 的核心技术采用了m q a m q p s k 的时域同步正交 频分复用( t d s - - o f d m ) 调制技术【2 7 】，使用了最新的q c 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，特别适合于对系统功耗 要求苛刻的便携式和移动接收应用。 1 4 论文的组织结构 本文采用理论分析与计算机仿真相结合的方法，以清华大学提出的d m b t h 数字电视地面多媒体广播标准中q c l d p c 的编译码算法为切入点，对q c l d p c 码实际应用中的若干问题进行了研究，取得了一定研究成果。论文共分为六章， 主要内容有： d m b t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 第一章为绪论部分，简单介绍了论文的研究背景，包括q c l d p c 码的现状、 信道编码技术以及国内外数字电视地面广播发展进程，特别提到了清华大学的 d m b t h 多载波方案，且将d m b t h 系统的传输参数与其他的数字电视地面广 播系统进行比较。 第二章系统地介绍了d m b t h 系统的特点和优点、传输系统原理，给出了 d m b t h 发射端原理框图，之后对其中的前向纠错功能模块进行了重点介绍。 第三章介绍了l d p c 码的概念、二分图描述、分类等；在此基础上引入了 q c l d p c 的概念，并重点介绍了q c l d p c 码的构造和编码方法。这章内容是 后续章节研究分析的基本依据。 第四章在总结归纳常见的q c l d p c 译码算法后，详细阐述了改进型最小和 算法和分层译码算法，并将分层译码算法与改进型最小和译码算法结合，进行了 理论推导与分析。 第五章，在第三、四章理论分析基础上给出了d m b t h 系统规定的三种码 率q c l d p c 码的译码性能仿真，并对性能仿真图进行分析、总结。 最后一章是本文的总结与展望。 1 5 本文的创新点 本文针对d m b t h 系统中三种码率的q c l d p c 码的特点，完成了q c l d p c 码编码、译码等。创新点如下： 1 、提出将分层译码算法应用在d m b t h 系统中。 2 、在d m b t h 系统中，将分层译码算法与改进型最小和算法相结合，对三 种码率q c l d p c 码进行了性能仿真。结果表明，分层译码算法具有快速译码收 敛的优点，且在译码复杂度、译码性能和平均迭代次数三者上达到了较好的折中， 较其他的译码算法优。这为改进d m b t h 系统中q c l d p c 码译码算法提供了 理论依据，也为便携式移动数字电视技术的应用提供一定的参考价值。 1 2 第二章d m b 一1 i - i 数字电视广播系统介绍 第二章d m b - t h 数字电视广播系统介绍 d m b t h 多载波方案是清华大学提出的具有我国自主知识产权的方案，是我国 数字电视地面多媒体广播传输( d m t b ) 融合方案中的一种。目前我国已经有了 d m b t h 专用芯片，并已在机顶盒、手机电视中得到大力推广。 2 1d m b - r h 系统的技术特点和优势 d m b t h 数字电视传输标准主要借鉴了欧洲d v b 标准的经验，但是在调制 发射和接收技术上均有不同，具体可见表1 1 。通过比较发现由此导致的性能差 异存在于以下几个方面。 ( 1 ) d m b t h 能够提供更高的数据传输带宽：由于d m b t h 不需要象欧 洲d v b t 那样浪费诸多导频信号来进行同步和均衡，因此在同样条件下其有效 载荷传输能力比欧洲d v b t 高出1 0 ，这使得在相同无线频谱内能够提供更高 的数据带宽。 ( 2 ) d m b t h 能够实现更大的信号覆盖范围：d m b t h 比欧洲d v b t 的 接收门限有2 d b 的优势，接收灵敏度大大提高，使得d m b t h 在同样的发射条 件下能够覆盖更大的区域，确保较少的投资就可以完成覆盖指标，同时可以降低 电磁辐射污染。 ( 3 ) d m b t h 能够支持在各种高速载体上开展业务：d m b t h 能够在大于 2 0 0 公里时速的超常规速度载体上正常接收高清数字电视信号，正是因为 d m b t h 采用的时域快速信道估计技术，使系统同步和信号估计时间比欧洲 d v b t 缩短约1 0 0 倍左右，这为数字电视地面广播在各种载体上进行接收提供 了有利条件，如高速汽车、高速火车、轮渡等。这是欧洲d v b t 技术所不能达 到的。 ( 4 ) d m b t h 能够更好地支持城域、省域单频网：d m b t h 严格地与绝对 时间同步的帧结构，使其比欧洲d v b t 的同类设备更容易实现同时同频发送同 一信号的单一频率网络，节约无线频率资源，同时可确保在更大范围的城域、省 域内支持移动接收的单频网。 d m b t h 系统中准循环l d p c 编译码的仿真研究 ( 5 ) d m b - t h 为地面数字电视的可持续发展做好了技术准备：d m b t h 独 特的信号帧结构，可以融合多业务广播。d m b t h 在解决了数字高清晰度电视 传输问题的同时，将给高速信息用户接入和移动通信领域带来新的发展空间。这 些新的业务主要包括：可以进一步扩展互联网应用；增加组播、点播、导呼业务； 拓展视频、数据、语音等综合的和交互的应用业务；开发更加便携的移动接收业 务，包括手机接收数字电视等。 2 2d m b - t h 数字电视地面传偷系统的原理 d m b t h 系统采用了p n 序列填充的时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 多载波调制技术，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【2 6 1 。 在技术上，针对插入强功率同步导频的传统o f d m 调制方式，在传输系统 的有效性、可靠性都受损失的缺陷，发明了基于p n 序列扩频技术的高保护同步 传输技术和巧妙利用o f d m 保护间隔的填充技术，同时提高了传输系统的频谱 利用效率和抗噪声干扰性能。针对数字电视地面广播现有传输标准的信道估计迭 代过程较长的不足，发明了新的t d s o f d m 信道估计技术，提高了移动接收性 能。针对采用多载波c o f d m 技术的欧标d v b t 比采用单载波8 v s b 的美标 a t s c 系统误码门限差的现实，发明了一种新的纠错编解码( f e c ) 技术- - l d p c ， 成功地避开了国外专利保护，获得了比a t s c 更好的系统误码性能。针对其他标 准无法支持双向互动、互联网扩展等问题，进行了支持互联网的扩展设计，以便 适应未来信息数字化、多样化和多媒体化拓展，在现有数字电视无线广播基础上 可进一步扩展互联网业务、组播、点播、导呼等增值业务，甚至进而拓展视频、 数据和语音等综合、交互、移动、便携。针对数字视音频产业已有的成果，d m b t h 设计了灵活的接口方案，支持国际上通用的m p e g 2 t s 流数据格式，可以支持 任何类型的视频压缩和数据格式，如m p e g 2 。4 等。 d m b t h