淺談CMMB中的LDPC碼技術

姚瑞央　程俊峰

摘 要：本文主要介紹了LDPC碼的原理、CMMB技術，以及在CMMB系統中LDPC碼的結構特點，并對LDPC碼的應用領域進行了探討。

關鍵詞：CMMB；LDPC；應用

1 引言

LDPC碼（Low Density Parity Check Code，LDPC），最早在20世紀60年代由Gallager在他的博士論文中提出，但限于當時的技術條件，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等人發現了Turbo碼，在此基礎上，1995年前后MacKay和Neal等人對LDPC碼重新進行了研究，提出了可行的譯碼算法，從而進一步發現了LDPC碼所具有的良好性能，迅速引起強烈反響和極大關注。

2 應用熱點

目前已廣泛應用于深空通信、光纖通信、衛星數字視頻和音頻廣播等領域。LDPC碼已成為第四代通信系統（4G）強有力的競爭者，而基于LDPC碼的編碼方案已經被下一代衛星數字視頻廣播標準DVB-S2采納。

3 CMMB技術

CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting）中國移動多媒體廣播，是由國家廣播電影電視總局提出，在2006年10月頒布為中國移動多媒體廣播行業標準。采用S波段大功率衛星與地面同頻增補網絡相結合的技術體制，單向廣播和雙向互動相結合，實現全國天地一體覆蓋，全國漫游，面向多種類型終端設備，隨時隨地接收廣播電視節目和信息服務等業務。CMMB的核心技術是信道傳輸技術――sTiMi，采用LDPC編碼，基于時隙的幀結構和OFDM調制技術，邏輯信道技術，用于快速同步的信標技術等，由廣播科學研究院及其下院北京泰美世紀科技有限公司歷時4年多研發而成，在CMMB系統中，LDPC編碼是非常重要的一個環節，其性能好壞將直接影響整個系統的性能。

4 LDPC碼技術

LDPC（Low Density Parity Check）低密度奇偶校驗，是一種先進的糾錯編碼技術。LDPC碼是一種校驗矩陣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，數字多媒體廣播系統均采用信道編碼以增強糾錯能力。同時各系統采用頻帶利用率高的調制方案來提高系統的傳輸速率：

DVB-H采用RS碼結合卷積碼作為級聯編碼，調制可選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6MHz或8MHz帶寬可傳輸6-20路不同的移動電視節目。

T-DMB采用RS（204，188，t=8）結合多碼率刪除卷積碼作為級聯編碼，DQPSK調制，信道帶寬1.54MHz，一般移動接收情況下，其主業務信道（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調制，廣播信道物理層帶寬為8MHz和2MHz兩種，在30～3000MHz內進行數字多媒體廣播。

LDPC碼的性能超過了RS與卷積碼的級聯，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化非正則Tanner圖參數，所設計的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等推出的數字多媒體廣播標準中均采用LDPC。

LDPC碼之所以能有如此優異的性能，最重要的原因是譯碼采用先迭代算法，并且由于校驗矩陣的稀疏性，使得譯碼復雜度與碼長成線性關系，克服了長分組碼所面臨的計算復雜度問題。另外，在碼長很長時，相距很遠的信息位參與同一校驗，這使得連續的突發差錯對譯碼的影響不大，也就是編碼本身就具有抗突發差錯的特性，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位翻轉判據加權，后又出現了改進的P-WBF算法和WS-WBF算法；軟判決算法雖然性能更好，但復雜度較高。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譯碼能在較低復雜度下獲得與BP算法相當接近的性能，大大提高了工程可用性。結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中的應用

從上圖CMMB物理層功能框架可見，來自上層的輸入數據流經過前向糾錯編碼，交織和星座映射后，與離散導頻和連續導頻復接在一起進行OFDM調制，調制后的信號入幀頭后形成物理層信號幀，再經過基帶至射頻變換后發射。在CMMB系統中，LDPC碼作為內碼與外碼RS碼級聯作為信道碼。經過RS編碼和字節交織的傳輸輸氧按照低位比特優先發送的原則將每字節映射為8位比特流，送入LDPC編碼器，字節交織器的B字節的最低映射在LDPC輸入比特塊的第一個比特。

6 總結

CMMB布局是一項具有開創性的工作，是我國廣電產業發展難得機遇，將對今后廣電無線事業、產業的發展起到巨大的推動作用。LDPC碼是一種可接近香農極限的編碼技術，CMMB系統中的LD-PC編碼技術，其優勢是壓縮了編譯碼所需的矩陣存儲空間，而且還有效的降低了編碼的復雜度，更使系統具有良好的抵御移動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域具有異常廣闊的應用前景，在其他通信領域同樣擁有巨大的應用潛力。在深空通信，衛星數字視頻和音頻廣播，磁/光存儲系統，固定無線通信（PHS），電纜調制，解調器和數字用戶線（ADSL）這些方向上低密度校驗碼都有其用武之地。

新技術帶來新的商業價值、新的服務機會，瞄準移動視音頻市場，扎穩移動多媒體廣播電視的服務，開發、拓寬和運作高端業務，CMMB網絡將激發出無限潛能。

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