ldpc码研究论文

广电数字化带来了节目与数据业务在传输流程上的统一，新的数字卫星广播标准也就不再局限于广电领域，而是面向更广阔的业务领域。准确地说，DVB- S2是服务于宽带卫星应用的新一代DVB系统，服务范围包括广播业务（BS）、数字新闻采集（DSNG）、数据分配/中继，以及Internet接入等交互式业务。与DVB-S相比，在相同的传输条件下，DVB-S2提高传输容量约30%以上，同样的频谱效率下可得到更强的接收效果。在广播业务（BS）方面，DVB-S2提供DTH（直播卫星）服务，也考虑到了地面共用天线系统和有线电视系统的需求。从与以往的兼容角度考虑，有两种模式供选用，即NBC-BS（不支持后向兼容）和BC-BS（支持后向兼容）。由于目前有大量DVB-S接收机投入使用，后向兼容模式将满足今后一定时期的兼容使用需求，在这种模式下，旧的DVB-S接收机可以继续接收原来的节目，新的接收机则可以接收到比前者更多的信息。当将来DVB-S接收机逐步淘汰后，采用兼容模式的信号发端将改成非兼容模式，从而真正意义上充分利用的信道传输优势。除广播业务外，还支持交互式服务（包括Internet接入）、数字新闻采集及数据分配/中继等其它专业服务。在交互式服务中，回传通道使用不同的DVB反向方式，如DVB-RCS、DVB-RCP、DVB-RCC。 DVB-S2最引人注目的革新在于信道编码方式，包括纠错编码和调制。纠错编码和调制是在实际的信道情况下，寻找最佳途径传输信息。香农的编码理论给出了最佳编码方案可以达到的信道容量，却没有给出具体的编码方案，以及没有描述实现起来的复杂程度，因此，编码和调制的研究集中于在最充分的利用传输资源（即带宽、功率、复杂度）的条件下，选择传输和接收方案，以逼近香农给出的极限。纠错编码使用LDPC（Low Density Parity Check code低密度奇偶校验码）与BCH码级联，调制则以多种高阶调制方式取代QPSK。DVB-S2在设计中充分考虑了业务多样性需求，具有很好的适应性。如支持1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10等多种内码码型；频谱成形中的升余弦滚降系数α可在、、三种中选择，而不是DVB-S固定的，自然α越小，频谱利用率越高。新的编码调制方案8PSK&LDPC已经十分接近香农极限，在距离理论上的香农极限～1dB的情况下可得到QEF（准无误码）的接收（DVB-S2的QEF标准为：在解码器接收5Mbps的单路电视节目时，每传输1小时产生少于一次无法校正的错误，近似相当于解复用前TS流PER<10-7），比DVB-S标准提高了3dB，以致于DVB官员认为这已是卫星广播信道的终极标准，不需要再开发DVB-S3了。（1）LDPC-BCHDVB-S2纠错编码由包括休斯、菲力浦、意法半导体等七家公司参与角逐，形成四个候选方案，即Parallel Turbo codes、Serial Turbo codes、Turbo Product codes和LDPC，最初的焦点集中于20世纪90年代中后期大显身手的Turbo码，不少公司已经先期投资开发基于Turbo编码的芯片，然而LDPC码最终胜出。LDPC码的发展颇具几分传奇色彩，麻省理工学院的Gallager 1962年在其博士论文中首次提出LDPC，但由于当时VLSI（超大规模集成电路技术）尚未成熟，难以逾越的复杂程度将其束之高阁，逐渐被人淡忘，九十年代末，受Turbo码成功的启示，LDPC技术的的价值被重新挖掘，成为当前编码领域的热点之一。LDPC码是一种有稀疏校验矩阵（校验矩阵中1的个数较少）的线性分组码，具有能够逼近香农极限的优良特性，并且由于采用稀疏校验矩阵，译码复杂度只与码长成线性关系，编解码复杂度适中，在长码长的情况下，仍然可以有效译码。目前该技术已得到国际上的广泛重视，今后将在通信中得到广泛应用，尤其是在质量较差的信道环境如移动通信、卫星通信等领域，此前已有在第四代移动通信系统中使用LDPC码的研究报告。（2）调制另一个比较大的革新是其调制方式，与DVB-S采用单一的QPSK调制方式相比，有更多的选择，即QPSK、8PSK、16APSK、32APSK。对于广播业务来说，QPSK和8PSK均为标准配置，而16APSK、32APSK是可选配置；对于交互式业务、数字新闻采集及其它专业服务，四者则均为标准配置。APSK是另一种幅度相位调制方式，与传统方型星座QAM（如16QAM、64QAM）相比，其分布呈中心向外沿半径发散，所以又名星型QAM。与QAM相比，APSK便于实现变速率调制，因而很适合目前根据信道及业务需要分级传输的情况。当然，16APSK、32APSK是更高阶的调制方式，可以获得更高的频谱利用率。16APSK的星座示意见图2。在卫星信道中使用高阶调制方式，显然也意味着在抗噪声接收方面的技术进步。DVB-S2特别组的研究表明，采用LDPC与8PSK的编码-调制组合，可以获得更好的传输性能，此前8PSK与原纠错编码方式的组合在误码率指标测试方面不太理想。图 2休斯公司提供的资料表明，LDPC&8PSK的编码组合距离香农极限仅～，远优于现有RS&卷积码的4dB，也比其余基于Turbo码的候选方案强。 （Variable Coding and Modulation，VCM）与适应编码调制（Adaptive Coding and Modulation，ACM）VCM、ACM的使用是DVB-S2的另一个显著的改进。在交互式的点对点应用如IP unicasting、Internet接入等中，可变编码调制（VCM）功能允许使用不同的调制和纠错方法，并且可以逐帧改变。采用VCM技术，不同的业务类型（如SDTV、HDTV、音频、多媒体等）可以选择不同的错误保护级别分级传输，因而传输效率得以大大提高。VCM结合使用回传信道，还可以实现适应编码调制（Adaptive Coding Modulation，ACM），可以针对每一个用户的路径条件使传输参数得到优化。ACM可根据具体的传播条件，针对具体的接收终端，提供更精准的信道保护和动态连接适应性。ACM的突出优点是可以有效利用所谓“clear sky margin”带来的4～8dB的能量浪费。原有卫星应用中，为满足QEF的传输效果，必须有一定的功率冗余，通常冗余是以覆盖区域内产生的最大雨衰为标准计算，显然这部分冗余对于绝大部分地区是不必要的，即便是雨衰最严重的地区，天气较好时也承受着不必要的能量浪费。而在IP unicasting业务中，采用ACM可随时根据接收地点的情况变化调整传输参数，因而对于功率冗余的计算可以重新精细调整，因此可以使卫星的平均吞吐量增加两倍到三倍，减少服务成本。 DVB-S2的所有改进是通过与DVB-S不兼容的技术方式实现的，但考虑到业内有大量的DVB-S接收机尚在使用，它也通过可选配置的模式提供后向兼容，采用后向兼容模式，原DVB-S接收机可以接收部分DVB-S2的信号。后向兼容模式的实质是在一个卫星信道上传输两个TS流，分别为HP（High Priority）TS流和LP（Low Priority）TS流，二者各自采用不同的纠错编码方式，然后通过特殊的映射方式在星座图中定位bit，在接收端可通过现有解调设备将二者分离。HP流可兼容DVB-S接收机，即使用DVB-S接收机可以解出DVB-S2中的HP TS流信号，而LP流只能用DVB-S2接收机接收。图 3后向兼容模式的信道编码过程如图3所示，其实现兼容的核心是采用了非均匀分布的8PSK星座映射结构（如图4），图4中8PSK的星座点并非如常在圆周上等距分布，而是分别在QPSK的四个星座点周围偏移θ角散开。合理选择θ值是兼容是否可行的关键，θ值越小，QPSK解调器输出越大，DVB-S接收机接收效果越好，但此时接收机的抗噪声性能下降，影响正常接收，因而θ取值需要权衡两种不同情况后折中考虑。图 4 DVB-S和DVB-DSNG对信源的格式有严格的规定，即MPEG TS流，而DVB-S2则灵活得多，实现了对多种数据输入格式的支持，扩展性大为增强。DVB-S2支持包括MPEG-2、MPEG-4、MPEG-4AVC（）、WM9在内的多格式信源编码格式及IP、ATM在内的多种输入流格式。作为当前信道编码和信源编码的最新成果，DVB-S2和MPEG-4AVC（）的结合颇受业界瞩目，可谓强强联手，将会有更出色的表现。

LDPC码是麻省理工学院Robert Gallager于1963年在博士论文中提出的一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码。几乎适用于所有的信道，因此成为编码界近年来的研究热点。它的性能逼近香农极限，且描述和实现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。所有的信道编码都有门限就是香农限,即理论上的性能极限这个在很多参考资料上都能找到。仿真信噪比超过某个数值后误码率反而会变大,是存在错误平层的原因。可以通过增加码长和交织来降低错误平层,另外注意在误码率很低时要仿真足够多的数据才能得到可靠的结果。