一种基于滑动窗函数的数字音频广播系统信道译码方法与流程

本发明属于数字音频广播基带传输信道编译码分析领域，同时结合了当下流行的卷积ldpc编码及窗函数译码技术，具体涉及一种基于滑动窗函数的数字音频广播系统信道译码方法。

背景技术：

目前，小车已经成为人们最普遍的代步工具，车载广播成为其标准配置。数字音频广播与传统模拟广播相比，具有音质更出众、抗干扰能力更强、频谱利用率更高、覆盖范围更广，更适合高速移动接收如小车等应用。

当前，国际上主要有三种数字音频广播(dab)标准方案：eureka-147dab、drm/drm+、hdradio，三种方案各有其优缺点和适用性。2006年国家广电总局虽然出台了我国dab标准，但由于存在政策、专利、兼容性等问题，一直未能得到推广应用。2013年国家广电总局正式颁布了《调频频段数字音频广播第1部分：数字广播信道、信道编码和调制》简称cdr(chinadigitalradio)标准。该标准可实现数模同播、具有灵活的频谱模式和高效的编码算法等优势，未来将在全国进行推广实施。但因为译码时延等问题，该标准还未大面积推广。其中，信道编码影响整个系统传输的可靠性，同时信道译码是系统的时延的重要影响因素之一。

在数字音频广播系统中常见采用卷积码和ldpc编码作为其信道编码方案。由于卷积码的输出不仅和当前的信息码组有关，还和之前若干时刻的信息码组有关，因此卷积码充分利用前后信息码组的相关性，在一定程度上相对于一般分组码提升了译码性能。在实现层面，数据连续输入卷积编码器，每个时刻编码器处理一位或者几位信息位，较分组码一次处理一个信息块的方法更适用于实时系统。虽然卷积码有较强的纠正随机差错的能力，但对抗突发差错的性能却不佳，特别是当信道环境急剧恶化的情况下，系统的性能将受到严重的影响，而当下数字音频音频广播系统对传送内容和形式提出越来越高的要求，为了保证高效性即准确性和实时性，因此，在业务数据中的高性能纠错码更通常采用ldpc编码方式。

传统的ldpc编码方法首先将校验矩阵h转换成生成矩阵g，再将信息比特和生成矩阵g相乘获得相应的编码码字。典型的代表是基于高斯消元的编码方法。虽然ldpc码的校验矩阵具有稀疏的特性，但校验矩阵一旦转化为生成矩阵，其稀疏特性通常已被破坏，导致生成矩阵不具备稀疏的特性，在编码时需要将整个生成矩阵进行存储，且编码复杂度与码长的二次方成正比，在长码时其存储消耗、编码运算量往往让人难以接受。由此，出现了一些新的编码方法以期获得低的编码复杂度。

ldpc译码方法的好坏也在很大程度上影响ldpc码纠错能力的发挥。目前主要有硬判决译码和软判决译码两类译码方法。硬判决译码算法是基于校验和统计迭代的比特翻转译码算法。硬判决译码操作简单，速度快，虽然性能相对于软判决译码有所下降，但易于硬件实现，因此较适用于对性能要求不高、硬件条件受限的场合。软判决译码算法主要是通过迭代计算基于图分布的变量节点的值，最终得到估计值，根据各个算法具体的一些细节不同，常用的算法包括：和积译码算法(thesum-productalgorithm,spa)、基于概率的置信传播算法(beliefpropagationalgorithm，bp)、消息传递算法(themessagepassingalgorithm,mpa)等。其中，bp译码算法可得到较好的译码性能，是满足高性能要求的最佳译码方案。但仍存在一定的译码时延。

在综合考虑数字音频广播需要的特性及应用场合的特征，根据系统需要的高效性、设备复杂度及译码时延的要求，本发明通过产生随机数据作为传输的数据源，并进行能量扩散处理，实现传输数据随机化；在数字音频广播系统信道编码中采用卷积ldpc码，该编码方法综合了卷积码可充分利用前后信息码组的相关性，在一定程度上相对于一般分组码提升了译码性能以及ldpc码拥有稀疏矩阵两者优势；在信道译码中采用基于窗函数的bp译码算法，进行有效的降低译码时延，提高音频广播传输的实时性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于滑动窗函数的数字音频广播系统信道译码方法，该方法保证数字音频广播原有的优点，即低设备复杂度、高准确性、易于实现，同时提高了广播传输的实时性，满足广播实时传输的特点，有利于数字音频广播的使用与推广。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于滑动窗函数的数字音频广播系统信道译码方法，在数字音频广播系统的信道编码中采用卷积ldpc编码，在数字音频广播系统的信道译码中采用基于滑动窗函数的bp迭代译码；所述卷积ldpc编码利用渐进边缘增长构造法，获得卷积ldpc校验矩阵，使其兼具卷积与稀疏矩阵特性；所述基于滑动窗函数的bp迭代译码，以预定长宽的滑动窗为单位，进行bp迭代译码，实现边译码边输出，同时利用其具有卷积码特性，将所得结果传与下一个滑动窗口，保证译码的精确性，且可有效降低译码时延，利于提高广播的实时性。

在本发明一实施例中，所述利用渐进边缘增长构造法，获得卷积ldpc校验矩阵的方式为：先构建原模图，通过原模图获得派生图，而后通过转置获得相应的卷积ldpc校验矩阵，其中转置采用渐进边缘增长构造法。

在本发明一实施例中，所述通过转置获得相应的卷积ldpc校验矩阵的具体实现过程如下：

首先，获得有限长矩阵：设在时间t＝0时用式(1)中定义的奇偶校验矩阵开始编码，并在l时刻之后进行终止，可获得有限长原型基矩阵如式(2)：

接着，通过边缘扩展过程来实现无限长校验矩阵的构造；边缘扩展过程如下：在时间t+i,i＝1,2,…,ms处等价于在时间t时刻校验节点，即进行周期性扩展；边缘扩展必须满足方程(3)

其中，hi为基础矩阵，具有与原始块相同的行与列；由于基础矩阵hi列和行上的总和等于h的总和，再由有限长h周期扩展为h[0,∞]；

通过上述过程，使得卷积码可充分利用前后信息码组的相关性，兼具卷积与稀疏矩阵特性。

在本发明一实施例中，所述以预定长宽的滑动窗为单位，进行bp迭代译码，即：设置预定的窗函数参数，包括长l、宽w、译码记忆因子ms、周期t以及滑动原则，窗内译码采用bp译码算法。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法保证数字音频广播原有的优点，即低设备复杂度、高准确性、易于实现，同时提高了广播传输的实时性，满足广播实时传输的特点，有利于数字音频广播的使用与推广。

附图说明

图1是本发明技术结构总框图；

图2数字音频广播系统框图；

图3prbs发生器；

图4信道编译码数据流程图；

图53×4原模图及对应的tanner图；

图63×4原模图对应的派生图；

图7滑动窗译码框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种基于滑动窗函数的数字音频广播系统信道译码方法，在数字音频广播系统的信道编码中采用卷积ldpc编码，在数字音频广播系统的信道译码中采用基于滑动窗函数的bp迭代译码；所述卷积ldpc编码利用渐进边缘增长构造法，获得卷积ldpc校验矩阵，使其兼具卷积与稀疏矩阵特性；所述基于滑动窗函数的bp迭代译码，以预定长宽的滑动窗为单位，进行bp迭代译码，实现边译码边输出，同时利用其具有卷积码特性，将所得结果传与下一个滑动窗口，保证译码的精确性，且可有效降低译码时延，利于提高广播的实时性。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明的总体结构的设计方案流程如图1所示。

传输数据包括三种通道：业务数据通道、业务描述信道以及系统信息通道，最新数字音频广播标准为cdr标准，其具体的系统结构如图2所示。其中，系统信息主要携带内容含有编码调制的方式、系统的频谱模式、分层调制指示等系统控制信息；业务描述信息主要承载的是复用配置中的网络信息表、业务标识等信息；业务数据则是通过ip接口进行接收。本发明主要针对的是业务数据通道的信道编码部分进行改进。在实际通信系统中，可认为信号中“0”和“1”是等概率出现的，各占50％。且由于数字音频广播传输系统具有“透明”性(不管传送的数据是什么，都能在链路上传送，传输过程对外界是透明的)，不考虑传输数据的具体格式，因此本发明可采用随机数据作为传输的数据源，不影响对系统性能的分析。主业务数据可利用“randint”函数独立产生，“randint”函数可产生均匀分布的随机二进制整数，“0”和“1”等概率出现。

对于产生的数据源为增加其随机性，而后需对其采用能量扩散预处理。通过将上层输入数据与伪随机二进制序列prbs进行模2相加的方法来实现能量扩散。由于伪随机序列具有良好的伪随机特性，当输入序列与prbs进行模2相加后，也相应变成了伪随机序列，从而数据中连“0”和连“1”的序列被打散。prbs发生器的实现如图3所示。

第二步实现基于卷积ldpc的信道编码处理。首先，进行卷积ldpc码的校验矩阵设计，可采用渐进边缘增长(peg)算法生成，而后根据高斯算法，利用已构造的校验矩阵获得生成多项式，并根据卷积ldpc码具有的卷积和稀疏性完成编码，具体的数据流向如图4所示。基于卷积ldpc的信道编码具体实现过程如下：

一、卷积ldpc校验矩阵的构造

卷积ldpc码校验矩阵理论上为无限长。可通过原模型矩阵进行扩展，获得所需的校验矩阵。本发明以校验矩阵的一个周期为例。

1：构建原模图。原模图是一个相对较小的二元矩阵由一组nv个变量节点连接到一组nc个校验节点进行构成一个nc×nv的基础矩阵，即原模图，其中，e是tanner图中所有边集合。如原模图如式(4)及原模图对应的tanner图如图5。

2：产生派生图，获得ldpc块组码。通过基本矩阵b进行交织，可获得派生图，如图6，为图5的派生图6×8。其中交织是指根据所需派生矩阵为原模矩阵的倍数，完成相应倍数的复制，而后每个校验节点可与多个变量节点一对一进行交织连接，只要同一校验节点的总度一致即可。

3：通过置换，获得分组校验矩阵。通过用m×m置换矩阵来替换每个基础矩阵b，将获得基于原模图的ldpc块代码集合获得所需奇偶校验矩阵h。如果b中的入口是r，即相应的变量节点和校验节点通过r个重复的边连接，则h中对应的块包含rm×m个置换矩阵的和，因此奇偶校验矩阵h由mnc个校验节点和mnv个变量节点组成。为避免周期短，置换矩阵可以使用渐进边缘增长(peg)算法生成。

其中，渐进边缘增长(peg)算法如下：

(1)初始化。设j＝0,k＝0；

(2)选择距离变量节点vj最远的边。判断k是否等于0，等于0进入(3)，否则进入(4)；

(3)回到(2)。其中表示与变量节点vj相连的第一条边，ci表示在现有的图集当中具有最低度数的校验节点；

(4)以现有图集为基础，把变量节点的子图进行扩展，设扩展深度为l，直到变量节点vj的相邻节点数在小于校验节点数m的前提下停止增长，或者但而后k值复位为0，回至(2)中，直至获得符合要求的图。其中，表示与变量节点vj相连的第k条边，ci为集合中度数最小的校验节点。

二、卷积ldpc码校验矩阵的构造。类似于分组码，卷积ldpc码的集合也可以通过具有基本矩阵的卷积原型描述来获得。当满足其中h[0,+∞]为卷积ldpc码的校验矩阵，如式(5)所示，

其中，ms表示矩阵的记忆因子，子矩阵hi(t)，i＝1,2,…,ms，为bc×bv的矩阵，即在时间t至t+i有bc个校验节点和bv个变量节点，利用复制和置换操作，可以获得具有解码约束长度vs＝(m+1)mbv的卷积ldpc码。具体实现步骤如下：

1、首先，获得有限长矩阵。若设在时间t＝0时用(5)中定义的奇偶校验矩阵开始编码，并在l时刻之后进行终止。可获得有限长原型基矩阵如式(6)：

矩阵h[0,l-1]可以看成是一个基于终止原型的卷积ldpc码的基本矩阵。其码率为

这里的r＝1-bc/bv，是无限长校验矩阵的码率。随着终止时间l增大，码率越来越接近于无限长时的码率。

2、接着，通过边缘扩展过程来实现无限长校验矩阵的构造。边缘扩展过程如下：在时间t+i,i＝1,2,…,ms处等价于在时间t时刻校验节点，即进行周期性扩展。边缘扩展必须满足方程(8)：

其中，hi为基础矩阵，具有与原始块相同的行与列。由于基础矩阵hi列和行上的总和等于h的总和，再由有限长h周期扩展为h[0,∞]。

三、卷积ldpc编码

获得相应的校验矩阵后，根据公式完成编码。将公式扩展，得

其中

根据(9)与(10)，进行展开，可获得卷积ldpc编码公式，如式(11)

其中，bv和bc分别表示校验矩阵的列和行。u表示输入的二进制数列，设其长度为l，则卷积ldpc编码结果v的长度为2l。

若取其中一个子矩阵具体形式如式(12)，其满足其中v[0,t-1]＝[v1(0),v2(0),…,v1(t-1),v2(t-1)]，则式(11)进行更新如下：

以此类推便可完成信息的卷积ldpc编码。

第三步，因为采用的是简单二进制数据，所以数据只需采用bpsk调制即可，而后将所得数据进入高斯信道，加入高斯噪声。

其中，bpsk映射原则如下：

设高斯信道的噪声为w,均服从高斯分布，数学期望值为0，可进行调整方差σ获得所需信道。依综合信道性能需求，可取σ＝0.5。则信道输出结果为yi＝xi+w,w～n(0,σ²),其结果仍符合高斯分布：

由此获得高斯信道的输出数据。

第四步，基于窗函数的bp迭代译码算法。该方案主要是利用卷积ldpc码的卷积结构。该译码方案在连接到相同奇偶校验方程的变量节点上设置最大距离：至少在(ms+1)个单位时间的两个变量节点不能涉及相同的方程。为了缩短延迟时间实现连续解码，以此降低译码延时，其设计的关键在于译码终止码的设计方案，另外，为了改善译码性能，又一个关键在于滑动窗口停止规则的设计。

(一)译码终止时刻的设计

有限长的奇偶校验矩阵h是基于原模图b矩阵以及wmbc行、(w+ms)mbv列的滑动窗构建实现的。其中，ms+1≤w≤l+m，即滑动窗口覆盖原模图b的wbc行和(w+ms)bv列。首先，当t＝1时，对于窗口内的wbv信号进行置信传播迭代译码(bp译码)，窗口内需要译码的信号称为目标信号。然后，当第一个滑动窗口中的所有目标信号都被译码完成时，在h矩阵内将窗口向下移动wbc行和向右移动wbv列，并且在第二个时刻即t＝2时，在新的位置处继续解码。如图7，表示在第五解码时刻对于ms＝3和l＝12的有限长卷积码ldpc码集合，具有窗口大小w＝5的滑动窗译码示意图。这个滑动窗包含校验矩阵h中的wmbc行和所有涉及方程的(w+ms)mbv列指在矩阵内显示的白色(垂直阴影线)和黑色边缘。其中，奇偶校验矩阵中显示的灰色部分为已经完全实现译码输出，矩阵中黑色部分表示正在译码信息，白色部分表示还未进行译码处理。

(二)译码终止规则设计

为了减少窗口内校验节点受外部信息的影响，改进了窗口译码停止规则。在bp译码中，解码器将在最大数量的置信传播迭代已经执行或者码字满足校验方程之后停止。而对于窗口化的解码器，位置t处的窗口解码器将停止并且在已经执行最大数量的置信传播迭代或者当前的目标符号在执行固定数量(最小数量)的置信传播迭代之后滑动到下一个位置t+1。采用这种停止规则，可以实现具有窗口解码的良好ber性能。

窗口解码和bp解码的解码延迟之间的关系如下式所示：

从(15)中可以看出，在固定终止因子的情况下，随着w的增加，窗口解码延迟量减小。

最后，将译码输出的结果进行解扰码输出，便可以获得所需的数据流。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。