用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法及其在解码器的应用技术

本发明专利技术涉及一种用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法及其在解码器的应用，该方法根据初始消息L(Pi)的信息分布，确定消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围，并采用编码的方式对L(rji)、L(qij)和L(Qi)进行非均匀量化：将正数与负数部分的量化区间各分为m个段落，编码为由1比特的极性码、k比特的段码和(n-1-k)比特的段内码组成的码字，极性码标示正数或负数，段码标示不同的段落，段内码表示数据在段落内的具体大小；将每个段落分为2g个小段，该小段即为相应段落的量化间隔。该方法减少了硬件存储资源、运算处理单元和布局布线资源的消耗，降低了小值数据的量化误差，提高了解码性能。

【技术实现步骤摘要】
用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法及其在解码器的应用
本专利技术涉及LDPC码解码
，特别是一种用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法及其在解码器的应用。
技术介绍
最经典的LDPC码解码算法是置信传播（Belief-propagation，BP）算法，工程上一般采用基于BP算法的简化算法——最小和算法及其各种修正算法。在实际应用中，LDPC码解码器处理的是数字信号，数据的量化和截位是不可避免的处理方式，而量化和截位所带来的误差会直接影响LDPC码的解码性能。另外，LDPC码置信传播算法需要存储大量的中间数据，由于LDPC码的码长很长，即使采用各种优化算法，解码器处理的数据量仍然十分庞大。因此，量化方法和量化位数不仅关系到所需存储器的大小，还决定着运算处理单元的复杂性，以及数据传输通道和资源的占用等。由于均匀量化的硬件实现最为简单，目前大多数LDPC码解码器都采用均匀量化作为其数据量化的方法，不同的只是在量化位数和小数位数的选择上。均匀量化最主要的缺点在于，不论数据大小，其量化误差是固定不变的，故表示同样数据范围的数值时所需的量化位数比较多。针对这一问题，有些学者提出了动态量化的方法：在前几次迭代过程中采用较小数据范围，使量化精度较高；在后几次迭代过程中，通过一个伸缩因子的处理，在量化位数不变的情况下，降低量化精度来扩大量化范围。这种量化方法在一定程度上减少了量化位数，但其本质仍然是均匀量化，在后几次迭代过程中小值数据的量化误差较大。而且解码过程中数据的扩张速度并不是一成不变的，与信噪比和正确解码的迭代次数有很大的关联，难以准确确定多少次迭代后改变量化范围，更难以确定伸缩因子的取值大小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法及其在解码器的应用，该方法减少了硬件存储资源、运算处理单元和布局布线资源的消耗，降低了小值数据的量化误差，提高了解码性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法，包括以下步骤：(1)根据初始消息L(Pi)的信息分布，确定消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围，其中L(Pi)为信道传递给变量节点i的初始概率似然比消息，L(rji)为校验节点j传递给变量节点i的外信息，L(qij)为变量节点i传递给校验节点j的外信息，L(Qi)为硬判决消息；(2)采用编码的方式对消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)进行非均匀量化，方法如下：将正数部分与负数部分的量化区间各分为m个段落，编码为字长为n比特的码字，包括1比特的极性码、k比特的段码和g=(n-1-k)比特的段内码，极性码用于标示正数部分或负数部分，段码用于标示不同的段落，段内码用于表示数据在段落内的具体大小；将每个段落均匀地分为2g个小段，所述小段即为相应段落的量化间隔Δi，i=1,2,…,m，则第i段第j小段的终值为ai+jΔi，其中ai为第i段的起始值。进一步的，在步骤(2)中，将正数部分与负数部分的量化区间各分为4个段落，编码为由1比特的极性码、2比特的段码和g=(n-3)比特的段内码组成的码字；消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围为（-2p,2p），正数部分各个段落的分段范围分别为(0,2p-3-Δ1)、(2p-3,2p-2-Δ2)、(2p-2,2p-1-Δ3)和(2p-1,2p-Δ4)，负数部分各个段落的分段范围分别为(0,-2p-3+Δ1)、(-2p-3,-2p-2+Δ2)、(-2p-2,-2p-1+Δ3)和(-2p-1,-2p+Δ4)，对应的量化间隔分别为Δ1=Δ2=2p-3-n、Δ3=2p-2-n和Δ4=2p-1-n，其中p为一整数。进一步的，上述用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法在解码器的一种应用，在TPMP消息传递机制下，解码器按如下步骤进行解码：步骤A1：解码器首先根据从信道接收到的消息计算出初始消息L(Pi)，采用所述非均匀量化编码对消息L(qij)进行初始化，并写入存储器；步骤A2：解码器根据式（1）进行水平运算，得到更新后的消息L(rji)，并写入存储器；(1)其中L(l)(rji)表示第l次迭代校验节点j传递给变量节点i的外信息，a、b为修正因子，Rj\i表示除i外与校验节点j相连的变量节点的集合；步骤A3：对相应的消息L(rji)进行解量化操作；步骤A4：解码器根据式（2）、（3）利用解量化之后的消息L(rji)进行纵向运算，得到更新后的消息L(qij)和L(Qi)；(2)(3)其中Ci\j表示除j外与变量节点i相连的校验节点的集合；Ci表示与变量节点i相连的校验节点的集合；步骤A5：对消息L(qij)进行所述非均匀量化编码，并写入存储器，以进行下一次迭代，采用消息L(Qi)进行硬判决得到码字，并判断是否满足迭代停止条件，若满足则迭代结束，解码完成，解码器输出码字，否则返回步骤A2继续迭代；所述迭代停止条件为或迭代次数达到最大迭代次数，其中H表示LDPC码的校验矩阵，表示解得的码字，表示该矩阵的转置。进一步的，上述用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法在解码器的另一种应用，在TDMP消息传递机制下，解码器按如下步骤进行解码：步骤B1：解码器首先根据从信道接收到的消息计算出初始消息L(Pi)，采用所述非均匀量化编码对消息L(Qi)、L(rji)进行初始化，L(Qi)=L(Pi)，L(rji)=0，并写入存储器；步骤B2：解码器对相应的消息L(Qi)、L(rji)进行解量化操作，并根据式（4）得到更新后的消息L(qij)，并对其进行非均匀量化编码；(4)步骤B3：解码器根据式（5）得到更新后的消息L(rji)，并写入存储器；(5)步骤B4：解码器对相应的消息L(qij)、L(rji)进行解量化操作，并根据式（6）得到更新后的消息L(Qi)，对其进行非均匀量化编码，并写入存储器；(6)步骤B5：采用消息L(Qi)进行硬判决得到码字，并判断是否满足迭代停止条件，若满足则迭代结束，解码完成，解码器输出码字，否则返回步骤B2继续迭代；所述迭代停止条件为或迭代次数达到最大迭代次数。本专利技术的有益效果是克服了传统量化方法占用量化位数多，消耗硬件资源大，量化误差大，解码性能低的缺点，针对不同区域数据采用不同的量化精度，有效减小了数据的平均量化位数，在相同解码性能的情况下，每个数据比均匀量化减少了3-4bit的量化位数，且解码运算全部采用整数运算，从而减少了硬件存储资源、运算处理单元和布局布线资源的消耗，降低了小值数据的量化误差，提高了小值数据的量化精度，使其在相同量化位数下的解码性能大幅提高。附图说明图1是本专利技术中非均匀量化编码方法的码字结构图图2是本专利技术中应用非均匀量化编码方法的LDPC解码器在TPMP消息传递机制下的解码流程图。图3是本专利技术实施例中初始消息的概率密度图。图4是本专利技术实施例中各次迭代中最小值和次小值的数据分布图。图5是本专利技术实施例中不同量化方法的误码率曲线图。具体实施方式本专利技术用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法，包括以下步骤：(1)根据初始消息L(Pi)的信息分布，确定消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围，其中L(Pi)为信道传递给变量节点i的初始概率似然比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1) 根据初始消息L(Pi)的信息分布，确定消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围，其中L(Pi)为信道传递给变量节点i的初始概率似然比消息，L(rji)为校验节点j传递给变量节点i的外信息，L(qij)为变量节点i传递给校验节点j的外信息，L(Qi)为硬判决消息；(2) 采用编码的方式对消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)进行非均匀量化，方法如下：将正数部分与负数部分的量化区间各分为m个段落，编码为字长为n比特的码字，包括1比特的极性码、k比特的段码和g=(n‑1‑k)比特的段内码，极性码用于标示正数部分或负数部分，段码用于标示不同的段落，段内码用于表示数据在段落内的具体大小；将每个段落均匀地分为2g个小段，所述小段即为相应段落的量化间隔Δi，i=1,2,…,m，则第i段第j小段的终值为ai+jΔi，其中ai为第i段的起始值。

【技术特征摘要】
1.一种用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据初始消息L(Pi)的信息分布，确定消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围，其中L(Pi)为信道传递给变量节点i的初始概率似然比消息，L(rji)为校验节点j传递给变量节点i的外信息，L(qij)为变量节点i传递给校验节点j的外信息，L(Qi)为硬判决消息；(2)采用编码的方式对消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)进行非均匀量化，方法如下：将正数部分与负数部分的量化区间各分为m个段落，编码为字长为n比特的码字，包括1比特的极性码、k比特的段码和g＝(n-1-k)比特的段内码，极性码用于标示正数部分或负数部分，段码用于标示不同的段落，段内码用于表示数据在段落内的具体大小；将每个段落均匀地分为2g个小段，所述小段即为相应段落的量化间隔Δi，i＝1,2,…,m，则第i段第j小段的终值为ai+jΔi，其中ai为第i段的起始值。2.根据权利要求1所述的用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法，其特征在于，在步骤(2)中，将正数部分与负数部分的量化区间各分为4个段落，编码为由1比特的极性码、2比特的段码和g＝(n-3)比特的段内码组成的码字；消息L(rji)、L(qij)和L(Qi)的量化范围为(-2p,2p)，正数部分各个段落的分段范围分别为(0,2p-3-Δ1)、(2p-3,2p-2-Δ2)、(2p-2,2p-1-Δ3)和(2p-1,2p-Δ4)，负数部分各个段落的分段范围分别为(0,-2p-3+Δ1)、(-2p-3,-2p-2+Δ2)、(-2p-2,-2p-1+Δ3)和(-2p-1,-2p+Δ4)，对应的量化间隔分别为Δ1＝Δ2＝2p-3-n、Δ3＝2p-2-n和Δ4＝2p-1-n，其中p为一整数。3.根据权利要求1或2所述的用于LDPC码解码的非均匀量化编码方法在解码器的应用，其特征在于，在TPMP消息传递机制下，解码器按如下步骤进行解码：步骤A1：解码器首先根据从信道接收到的消息计算出初始消息L(Pi)，采用所述非均匀量化编码对消息L(qij)进行初始化，并写入存储器；步骤A2：解码器根据式(1)进行水平运算，得到更新后的消息L(rji)，并写入存储器；其中L(l)(rji)表示第l次迭代校验节点j传递给变量节点i的外信息，a、b为修正因子，Rj\i表示除i外与校验节点j相连的变量节点的集合；步骤A3：对相应的消息L(rj...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏凯雄，吴子静，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35