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地面数字电视传输技术-在线教程七(42-50)

2008-5-28 15:15

42. 什么是低密度校验码(LDPC)?
低密度校验(Low Density Parity Check,LDPC) 码是麻省理工学院罗伯特.哥拉格
(Robert Gallagher)在 1953 年在他的博士论文中提出的一种好码,其性能接近 Shannon
限。在上世纪六十年代有的公司曾试图实现 LDPC 译码器,但不成功。随后在很长一段时
间内,没有受到人们的重视,早已被人遗忘。1993 年法国人 Berrou 等提出了 Turbo 迭代
译码后,人们研究发现 Turbo 码其实就是一种 LDPC 码,重新引起了 LDPC 研究的热潮。
996 年 Mackay 的研究,使得 LDPC 的研究进入了一个新的阶段。欧洲 DVB 组织更是
把 BCH + LDPC 串行级联码选为了第二代卫星数字电视广播的纠错编码方案。
LDPC 码是很长的线性分组码,它的校验矩阵 H(n-k)×n 是一个稀疏矩阵,每个码字满足
一定数目的线性约束,而约束的数目通常是非常小的,易于译码。
LDPC 码将要发送的信息 u={u1,u2,….,um} 转换成被传输的码字 v={v1,v2,….,vn}=u G,
n>m,n 表示分组的长度,n 的取值范围通常从数千到几十万。与生成矩阵 G 相对应的是一
个校验矩阵 H,H 满足 H vT=0,H 是一个几乎全部由 0 组成的稀疏矩阵,每行和每列中 1
的数目都很少,例如3、4 和 5 等。
Gallagher 定义的 (n,p,q)LDPC 码是码长为 n 的码字,在它的校验矩阵 H 中,每
一行和列中 1 的数目是固定的,其中每一列 1 的个数是 p,行的个数是 q, p≥3,列之
间 1 的重叠数目小于等于1。如果校验矩阵 H 的每一行是线性独立的,那么码率为 (q-p)
/q,否则码率是 (q-p’)/q,其中 q’ 是校验矩阵 H 中行线性独立的数目。
下图是由Gallagher 构造的一个 (20,3,4)LDPC 码的校验矩阵,它的 dmin=6,设计
码率为 1/4,实际码率为 7/20。

地面数字电视传输技术-在线教程六(42-50)
这种校验矩阵每行和每列中 1 的数目(例如 3)固定的 LDPC 码称为规则 LDPC 码
(Regular LDPC code),由规则 LDPC 码的校验矩阵 H 得到如下图所示的双向图(Bipartite
Graph)。在图的上方每一个节点代表的是信息位,下方代表的是校验约束节点。把某列 nk 与
该列中非零处的 ml 相连,例如对于 n2 列,这列中三个 1 分别对应于 m1、m7 和 m12 行,这
样就把 n2 和m1、m7 和 m12 连接起来。从行的角度考虑,把某一行 ml 中非零点处的 nk 相
连,得到同一个双向图。在规则 LDPC 码中,与每个信息节点相连边的数目是相同的,校验
节点也具有相同的特点。与这两种节点相连的线的数目称为该节点的度。在译码端,把与某
一个校验节点 ml 相连的 nk 求和,结果若为 0,则无错误发生。

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与规则 LDPC 码相对应的是非规则 LDPC 码 (Irregular LDPC code),其校验矩阵 H 中
每行中 1 的个数不同,例如3、4和5,列中1的个数也不一样。其编码方法与规则 LDPC 码
基本相同,非规则双向图中信息节点之间、校验节点之间的度由可能不同。因此,对于非规
则图构造的 LDPC 码,它的校验矩阵 H 的列重量不相同,是一个变化的值,这是非规则码
与规则码之间的重要区别
非规则码的性能要好于规则码。最近几年的研究表明,对于在 GF(8) 构造的非规则码,
它的性能要比 Turbo 码还好,能够显著提高码字性能,其性能非常接近于 Shannon 限。目
前非规则码已经成为 LDPC 码的研究热点。
非规则的译码可以采用可信传播迭代译码算法,也可以采用序列译码和并行译码算法
等。
43. 什么是格型编码调制 (TCM) ?
在传统的数字通信系统中,为了简化分析和编码设计,是将信道编码和调制各自独立实
现的,译码和解调也是如此。我们知道,信道编码需要通过增加冗余码元来获得编码增益,
但同时降低了传输效率。在频带受限系统中,为保持信息传输的速率,只能通过加大调制信
号集来为信道编码提供冗余度,但调制信号点的密集使得解调器输出的判决错误大量增加,
这又大大消耗了信道编码带来的编码增益。
在Viterbi 软判决译码算法,能够带来约2dB 的增益。在采用这种算法时,解调器不进
行判决而是直接输出模拟量,译码准则是从所有可能的发送序列波形中选出一个,使其与接
收序列波形的欧几里德距离 (几何距离) 最小。事实上,Viterbi 软判决译码算法正是完成了
解调和译码的结合,从而获得了增益。但问题是,纠错编码是以汉明距离为量度设计的,对
汉明距离为最佳的编码在映射成调制波形时,并不能保证有好的欧氏距离结构。由此可见,
如果能将信道编码和调制也当作一个整体来综合设计,相信会有好的效果。
在这个思路下,1982 年Ungerboeck 发明了格型编码调制 (Trellis Coded Modulation,
TCM) 技术,它将编码和调制巧妙结合,以编码序列的最大欧氏距离为准则对调制信号空间
进行了最佳分割。在保持信息速率且不增加带宽的情况下,TCM 在加性白高斯噪声 (AWGN)
信道中可获得3~6 dB 增益,如下图所示。

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44. TCM 信号空间如何进行最佳分割 ?
TCM 技术的基础是信号空间的“集分割映射”(Mapping by set partition) 方法。
以视频通信中常用的16QAM 信号为例。如下图所示,归一化 (平均功率为1) 的

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45. TCM 如何实现 ?

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并行支路去除,这一步就是所谓的子集译码。然后将各子集选出的信号点及相应的欧氏距离
度量对于Viterbi 算法的分支,按照普通卷积码的译码过程进行译码。
46. TCM 适用于哪些信道 ?
从本质上讲,TCM 引入的冗余是星座点上的冗余,即它“拓广”了许用码字空间,这
种“拓广”并没有增加信号空间的体积,而是更精细地使用码字,有更多的选择余地。这也
就是为什么调制数增加时误符号率增加,而译码性能却可以得到改善的原因。
需要注意的是,对于加性高斯白噪声(AWGN)信道,自然是欧氏自由距最大,因此
其优化准则是欧氏自由距。而对于衰落信道,则需要进一步分析采取何种优化准则。
瑞利衰落信道是一种有深衰落的信道,它的平均性能受限于发生深衰落的概率及发生深
衰落后对性能的影响。在瑞利衰落信道下,TCM 渐近性能的斜率受汉明距控制,而其截距
则受非零符号的欧氏距之积控制。换言之,对瑞利衰落信道,欧氏距离大并不一定说明性能
好,作用更大的是汉明距。
值得一提的是,瑞利衰落只是衰落信道的一种模型,而且是一种较为恶劣的情形,即没
有直达传播路径。而对很多实际环境来说,可能既有直达路径,也有发射路径,此时要采用

莱斯模型,瑞利模型和 AWGN 模型是莱斯模型的两个极端。因此,对莱斯衰落信道,TCM
设计的准则就要同时考虑欧氏距离、欧氏距离积及汉明距离。
这也说明对于地面数字电视广播的移动接收来讲,TCM 不一定是“好码”。因此,需要
强调的是没有一种编码是万能的,在实际应用中要根据业务上的需要和传播信道的特点来选
择和设计适当的好码。
TCM 技术无论在理论研究还是实际应用中都还在不断发展。1984 年Wei 提出了克服相
位模糊的旋转不变码,广泛应用于话带调制解调器。
在理论研究上,分组码与调制的结合 (BCM)、二维TCM 扩展到多维TCM,非高斯信
道下TCM 的设计和Turbo-TCM 码,都在近年来得到了广泛关注。
47. 为什么需要数字调制 ?
数字调制就是将数字符号转换成适合信道传输特性的波形的过程。基带调制中这些波形
通常具有整形脉冲的形式,而在带通调制中,则利用整形脉冲去调制正弦信号,此正弦信号
称为载波。将调制后的载波转换成电磁场,传播到一定的区域就实现了无线传输。
为什么需要载波实现基带信号的无线传输呢?有以下一些个原因:
(1) 天线尺寸。电磁场必须利用天线才能发射到空中进行空间传播,接收端也必须有天
线才能有效接收空间传播的信号。从电磁场和天线理论知道,天线的尺寸主要取决于波长 λ
和应用场合。例如,对于蜂窝电话来讲,天线长度一般为 λ/4。假设发送一个基带信号的
频率为 f=3000Hz,如果不经过载波调制而直接合到天线发送,其天线尺寸约为 24km。
但如果把此基带信号先调制到较高的载波频率上,例如900MHz,则等效的天线尺寸为 8cm。
因此,利用载波进行调制是很有必要的。
(2) 频分复用。如果一条信道要传输多路信号,则需要利用调制来区别不同的信号。
(3) 扩频调制。利用调制将干扰的影响减至最小,提高抗干扰的能力,即扩频。
(4) 频谱搬移。利用调制将信号放置于需要的频道上,在接收机中,射频RF 信号到中
频 IF 信号的转换就是一例。
48. 有哪些数字调制方式?什么是星座图 ?
载波信号的表达式一般为:

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从上述表达式可以看到载波信号有三个特征分量:幅度、频率和相位。因此,数字调制
可以对载波的幅度、频率和相位,或三者之间的联合进行调制, 相应的得到幅移键控 ASK、
频移键控FSK 和相移键控PSK,以及幅度相位联合键控或称为正交幅度调制(Quadrature
Amplitude Modulation,QAM)。目前在数字电视传输系统,常用的数字调制方式是 PSK 和
QAM 方式,或它们的变种。
数字调制方式又分为二进制和多进制数字调制,统一表示为 MPSK 和 MQAM,这里
M=2n,n为正整数。更高的多进制调制(M 越大),意味着更高的频率效率,但更低的功率
效率。
根据三角函数关系式,把上述的载波信号表达式展开为两部分:coswct 部分和 sinwct
部分,其中 A(t)cosφ(t) 称为同相分量(In-phase,I 分量),A sinφ(t) 称为正交分量

(Quadarture,Q 分量)。如果以 I 分量为横轴,Q 分量为纵轴,在直角坐标系中把符号映
射后所代表的坐标点表示出来,得到图像称为调制矢量图,或星座图。
若把上述数字调制方式以星座图表示,则得到下图。从中,可以看到当 M=4 时,4PSK
就等同于 4QAM。随着 M 的增加,MQAM 比 MPSK 有更高的频率效率,但对系统非线
性更敏感。

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49. 什么是 QPSK 调制 ?
QPSK 调制称为四项绝对移相调制,它不使用载波信号的频率或幅度来携带信息,而
用载波的相位携带信息,即对载波信号的相位进行调制。根据调制的数据,载波相位表示为
四种相位状态之一,即一个符号,每个符号包含2bit 数据。
下图是 QPSK 信号的矢量图(星座图)和波形图。

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50. 什么是 OQPSK 调制 ?
OQPSK 是QPSK 调制的一种变形。
普通QPSK 调制信号的I 路和Q 路信号是同步的,当它们同时发生跳变时,相临QPSK
符号间会发生180°相移,这时信号包络瞬时过0 点。如随后的发射机放大器线性不理想,
会造成较大的频谱扩展,其旁瓣会干扰邻近频道。
偏移四相相移键控 (OQPSK) 技术可以解决这个问题。其实现方法非常简单,就是在常
规QPSK 正交调制器上将I 路或Q 路信号后移半个符号周期 (即2 s T )。这样,调制信号的
相角每2 s T 时间发生一次跳变,但每次只有一路信号变化,所以相角的跳变只能是 ±90o。
需要强调的是,OQPSK 信号的相位跳变频率虽然比变形前的QPSK 信号快一倍,但它

本质上仍是两路符号周期为s T 的BPSK 信号的正交叠加,所以其频谱和QPSK 信号完全一
样,在高斯白噪声信道下采用相关解调的误码性能也相同。

[此贴子已经被作者于2008-5-28 16:15:04编辑过]

回帖(6)

zlf123

2008-11-6 08:42:09
谢谢!!!!!!!!!!!!!!!!!

yjks99

2009-7-7 12:41:43
QQQQ

haibtkey

2009-7-16 13:49:04
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  • linqing58703

    2009-9-11 17:10:23
    我自信的说:我看不懂

    scs1966

    2009-10-7 22:02:39
    看不懂

    chenzy1985

    2010-12-21 17:13:52
    谢谢啦!!

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