稀疏信源下LDPC码信道编译码技术研究

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在信源编码系统中,图像、视频数据传输是多媒体业务的重要组成部分,数据量庞大。无线信道的带宽资源十分有限,必须对数据进行压缩才能提高传输的效率。   本文根据低密度奇偶校验码(LDPC,Low-Density Parity-Check Codes)的自身特性及其优势,提出了两种设计方案,方案Ⅰ根据信源信道分离编码理论,对稀疏信源首先进行无失真信源压缩编码,去除冗余,再进行较低码率的信道编码,增加相对较多的冗余;方案Ⅱ仅对稀疏信源进行较高码率的信道编码,但两种方案之间存在约束关系,即稀疏信源的分组长相等,经信道编码后的码字长也相等。用仿真的方法在加性高斯白噪声(AWGN,Additive White Gaussian Noise Channel)信道下和BPSK调制时分析它们的传输性能。仿真结果表明方案Ⅰ的FER性能比方案Ⅱ有0.2~1 dB的提高。   方案Ⅰ:稀疏信源→理想信源压缩→信道编码(可变码率LDPC码)→AWGN信道→信道译码(BP译码算法)→误帧率(FER)。   方案Ⅱ:稀疏信源→信道编码(可变码率LDPC码)→AWGN信道→信道译码(BP译码算法)→误帧率(FER)。   信道编码采用可变码率的Kite码,它是一类新的LDPC码,属于系统编码。Kite码的显著特性是编码速率“在线”可调。该类码的编码速率灵活可变,比较适合本文所提方案要求很多组码率的情况。LDPC码是以校验矩阵为特征的,构造LDPC码,实质就是构造它的稀疏校验矩阵,常用的编码方法是把校验矩阵系统化得到生成矩阵。Kite码的校验矩阵由两部分组成,左边的子矩阵随机生成,受一个整数序列(即参数p)控制,这个参数是决定码字性能优劣的关键。右边的子矩阵结构固定。   用译码性能仿真的方法来筛选参数p是比较繁琐的,因为优化的过程就是根据码参数预先设计一系列p,这也就确定了码字,再从中选取使码字性能较好的p。而把密度进化应用到分析码字性能优劣的过程中,不经过译码性能仿真就可以初步判定码字的好坏,方便快捷,为筛选Kite码的控制参数p提供了便利。但是EXIT(Extrinsic Information Transfer Chart)图是一种比密度进化更有效的分析迭代译码收敛性的工具,然而,本文没有涉及。   本文的译码选用置信传播(BP,Belief Propagation)算法,是迭代译码。每次迭代包括两步:校验节点消息的处理和变量节点消息的处理。在一次迭代中,所有校验节点从与其相邻的变量节点接收信息,处理后,再传回相邻的变量节点。然后,所有的变量节点进行同样的过程,且变量节点收集所有的置信消息进行判决。Tanner图可以直观地表示迭代译码的消息传递模式。用信息论的理论分析两种方案的约束关系,可以选取任意码率的码来进行仿真比较。本文设计出11组数据,并从中选取4组码进行译码性能仿真,结果表明方案Ⅰ的性能更优,与理论分析吻合。
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