淺談CMMB中的LDPC碼技術(shù)

姚瑞央　程俊峰

摘 要：本文主要介紹了LDPC碼的原理、CMMB技術(shù)，以及在CMMB系統(tǒng)中LDPC碼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)LDPC碼的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：CMMB；LDPC；應(yīng)用

1 引言

LDPC碼（Low Density Parity Check Code，LDPC），最早在20世紀(jì)60年代由Gallager在他的博士論文中提出，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，缺乏可行的譯碼算法，此后的35年間基本上被人們忽略，其間由Tanner在1981年推廣了LDPC碼并給出了LDPC碼的圖表示，即后來所稱的Tanner圖。1993年Berrou等人發(fā)現(xiàn)了Turbo碼，在此基礎(chǔ)上，1995年前后MacKay和Neal等人對(duì)LDPC碼重新進(jìn)行了研究，提出了可行的譯碼算法，從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了LDPC碼所具有的良好性能，迅速引起強(qiáng)烈反響和極大關(guān)注。

2 應(yīng)用熱點(diǎn)

目前已廣泛應(yīng)用于深空通信、光纖通信、衛(wèi)星數(shù)字視頻和音頻廣播等領(lǐng)域。LDPC碼已成為第四代通信系統(tǒng)（4G）強(qiáng)有力的競爭者，而基于LDPC碼的編碼方案已經(jīng)被下一代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2采納。

3 CMMB技術(shù)

CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting）中國移動(dòng)多媒體廣播，是由國家廣播電影電視總局提出，在2006年10月頒布為中國移動(dòng)多媒體廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用S波段大功率衛(wèi)星與地面同頻增補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)體制，單向廣播和雙向互動(dòng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全國天地一體覆蓋，全國漫游，面向多種類型終端設(shè)備，隨時(shí)隨地接收廣播電視節(jié)目和信息服務(wù)等業(yè)務(wù)。CMMB的核心技術(shù)是信道傳輸技術(shù)――sTiMi，采用LDPC編碼，基于時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)和OFDM調(diào)制技術(shù)，邏輯信道技術(shù)，用于快速同步的信標(biāo)技術(shù)等，由廣播科學(xué)研究院及其下院北京泰美世紀(jì)科技有限公司歷時(shí)4年多研發(fā)而成，在CMMB系統(tǒng)中，LDPC編碼是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

4 LDPC碼技術(shù)

LDPC（Low Density Parity Check）低密度奇偶校驗(yàn)，是一種先進(jìn)的糾錯(cuò)編碼技術(shù)。LDPC碼是一種校驗(yàn)矩陣H中只有很少元素為“1”，大部分元素都是“O”的一種線性分組碼。

為了提高傳輸可靠性，數(shù)字多媒體廣播系統(tǒng)均采用信道編碼以增強(qiáng)糾錯(cuò)能力。同時(shí)各系統(tǒng)采用頻帶利用率高的調(diào)制方案來提高系統(tǒng)的傳輸速率：

DVB-H采用RS碼結(jié)合卷積碼作為級(jí)聯(lián)編碼，調(diào)制可選QPSK，16QAM和64QAM，常用的信道傳輸凈碼率為3.72Mbit/s或者7.46Mbit/s，一個(gè)6MHz或8MHz帶寬可傳輸6-20路不同的移動(dòng)電視節(jié)目。

T-DMB采用RS（204，188，t=8）結(jié)合多碼率刪除卷積碼作為級(jí)聯(lián)編碼，DQPSK調(diào)制，信道帶寬1.54MHz，一般移動(dòng)接收情況下，其主業(yè)務(wù)信道（Main Service Channel，MSC）的可用凈碼率為1.152Mbit/s。

CMMB采用RS和LDPC編碼，BPSK，QPSK或16QAM調(diào)制，廣播信道物理層帶寬為8MHz和2MHz兩種，在30～3000MHz內(nèi)進(jìn)行數(shù)字多媒體廣播。

LDPC碼的性能超過了RS與卷積碼的級(jí)聯(lián)，理論上LDPC碼具有非常接近Shannon極限性能。2001年T.J.Richardson與S.Y.Chung等提高了著名的密度深化算法來優(yōu)化非正則Tanner圖參數(shù)，所設(shè)計(jì)的1/2碼率非正則LDPC碼在AWGN信道中性能距Shannon極限不超過0.0045dB。因此DMB-TH，CMMB，DVB-S2等推出的數(shù)字多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)中均采用LDPC。

LDPC碼之所以能有如此優(yōu)異的性能，最重要的原因是譯碼采用先迭代算法，并且由于校驗(yàn)矩陣的稀疏性，使得譯碼復(fù)雜度與碼長成線性關(guān)系，克服了長分組碼所面臨的計(jì)算復(fù)雜度問題。另外，在碼長很長時(shí)，相距很遠(yuǎn)的信息位參與同一校驗(yàn)，這使得連續(xù)的突發(fā)差錯(cuò)對(duì)譯碼的影響不大，也就是編碼本身就具有抗突發(fā)差錯(cuò)的特性，一般情況下不需要引入位交織器。最初的硬判塊（Bit Flipping）計(jì)算雜度很低，但譯碼性能不理想，WBF算法采用信道的軟信息對(duì)位翻轉(zhuǎn)判據(jù)加權(quán)，后又出現(xiàn)了改進(jìn)的P-WBF算法和WS-WBF算法；軟判決算法雖然性能更好，但復(fù)雜度較高。1999年MacMay和Neal提出將BP算法用于LDPC譯碼，后簡化出了Min-Sum算法，J.Chen提出采用歸一化因子的近似最佳Min-Sum算法和Offset Min-Sum算法，使得LDPC譯碼能在較低復(fù)雜度下獲得與BP算法相當(dāng)接近的性能，大大提高了工程可用性。結(jié)果說明兩者在高斯信道下的性能差別不如衰落信道下差別明顯，證明LDPC碼有著更好的抗衰落性能。

5 LDPC碼在CMMB中的應(yīng)用

從上圖CMMB物理層功能框架可見，來自上層的輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過前向糾錯(cuò)編碼，交織和星座映射后，與離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻復(fù)接在一起進(jìn)行OFDM調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)入幀頭后形成物理層信號(hào)幀，再經(jīng)過基帶至射頻變換后發(fā)射。在CMMB系統(tǒng)中，LDPC碼作為內(nèi)碼與外碼RS碼級(jí)聯(lián)作為信道碼。經(jīng)過RS編碼和字節(jié)交織的傳輸輸氧按照低位比特優(yōu)先發(fā)送的原則將每字節(jié)映射為8位比特流，送入LDPC編碼器，字節(jié)交織器的B字節(jié)的最低映射在LDPC輸入比特塊的第一個(gè)比特。

6 總結(jié)

CMMB布局是一項(xiàng)具有開創(chuàng)性的工作，是我國廣電產(chǎn)業(yè)發(fā)展難得機(jī)遇，將對(duì)今后廣電無線事業(yè)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。LDPC碼是一種可接近香農(nóng)極限的編碼技術(shù)，CMMB系統(tǒng)中的LD-PC編碼技術(shù)，其優(yōu)勢是壓縮了編譯碼所需的矩陣存儲(chǔ)空間，而且還有效的降低了編碼的復(fù)雜度，更使系統(tǒng)具有良好的抵御移動(dòng)信道中的多徑衰落的性能。LDPC碼不僅在光通信和無線通信領(lǐng)域具有異常廣闊的應(yīng)用前景，在其他通信領(lǐng)域同樣擁有巨大的應(yīng)用潛力。在深空通信，衛(wèi)星數(shù)字視頻和音頻廣播，磁/光存儲(chǔ)系統(tǒng)，固定無線通信（PHS），電纜調(diào)制，解調(diào)器和數(shù)字用戶線（ADSL）這些方向上低密度校驗(yàn)碼都有其用武之地。

新技術(shù)帶來新的商業(yè)價(jià)值、新的服務(wù)機(jī)會(huì)，瞄準(zhǔn)移動(dòng)視音頻市場，扎穩(wěn)移動(dòng)多媒體廣播電視的服務(wù)，開發(fā)、拓寬和運(yùn)作高端業(yè)務(wù)，CMMB網(wǎng)絡(luò)將激發(fā)出無限潛能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]GY/T2201-2006中國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)，CMMB廣播信道幀結(jié)構(gòu)，信道編碼和調(diào)制[S].北京：CMMB研究工作組，2006.

[2]譚太秋，李玉珀，武暢.基于CMMB標(biāo)準(zhǔn)的高效LDPC編碼研究.電子測量技術(shù).

[3]曹一卿.LDPC.北京郵電大學(xué).

[4]田燕靜，劉蘭蘭，王淼波.淺談CMMB的核心技術(shù)優(yōu)勢.

[5]袁東風(fēng)，張海剛，等，編著.LDPC碼理論與應(yīng)用[M].人民郵電出版神，2008.