浅谈CMMB中的LDPC码技术

姚瑞央　程俊峰

摘 要：本文主要介绍了LDPC码的原理、CMMB技术，以及在CMMB系统中LDPC码的结构特点，并对LDPC码的应用领域进行了探讨。

关键词：CMMB；LDPC；应用

1 引言

LDPC码（Low Density Parity Check Code，LDPC），最早在20世纪60年代由Gallager在他的博士论文中提出，但限于当时的技术条件，缺乏可行的译码算法，此后的35年间基本上被人们忽略，其间由Tanner在1981年推广了LDPC码并给出了LDPC码的图表示，即后来所称的Tanner图。1993年Berrou等人发现了Turbo码，在此基础上，1995年前后MacKay和Neal等人对LDPC码重新进行了研究，提出了可行的译码算法，从而进一步发现了LDPC码所具有的良好性能，迅速引起强烈反响和极大关注。

2 应用热点

目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。LDPC码已成为第四代通信系统（4G）强有力的竞争者，而基于LDPC码的编码方案已经被下一代卫星数字视频广播标准DVB-S2采纳。

3 CMMB技术

CMMB（China Mobile Multimedia Broadcasting）中国移动多媒体广播，是由国家广播电影电视总局提出，在2006年10月颁布为中国移动多媒体广播行业标准。采用S波段大功率卫星与地面同频增补网络相结合的技术体制，单向广播和双向互动相结合，实现全国天地一体覆盖，全国漫游，面向多种类型终端设备，随时随地接收广播电视节目和信息服务等业务。CMMB的核心技术是信道传输技术――sTiMi，采用LDPC编码，基于时隙的帧结构和OFDM调制技术，逻辑信道技术，用于快速同步的信标技术等，由广播科学研究院及其下院北京泰美世纪科技有限公司历时4年多研发而成，在CMMB系统中，LDPC编码是非常重要的一个环节，其性能好坏将直接影响整个系统的性能。

4 LDPC码技术

LDPC（Low Density Parity Check）低密度奇偶校验，是一种先进的纠错编码技术。LDPC码是一种校验矩阵H中只有很少元素为“1”，大部分元素都是“O”的一种线性分组码。

为了提高传输可靠性，数字多媒体广播系统均采用信道编码以增强纠错能力。同时各系统采用频带利用率高的调制方案来提高系统的传输速率：

DVB-H采用RS码结合卷积码作为级联编码，调制可选QPSK，16QAM和64QAM，常用的信道传输净码率为3.72Mbit/s或者7.46Mbit/s，一个6MHz或8MHz带宽可传输6-20路不同的移动电视节目。

T-DMB采用RS（204，188，t=8）结合多码率删除卷积码作为级联编码，DQPSK调制，信道带宽1.54MHz，一般移动接收情况下，其主业务信道（Main Service Channel，MSC）的可用净码率为1.152Mbit/s。

CMMB采用RS和LDPC编码，BPSK，QPSK或16QAM调制，广播信道物理层带宽为8MHz和2MHz两种，在30～3000MHz内进行数字多媒体广播。

LDPC码的性能超过了RS与卷积码的级联，理论上LDPC码具有非常接近Shannon极限性能。2001年T.J.Richardson与S.Y.Chung等提高了著名的密度深化算法来优化非正则Tanner图参数，所设计的1/2码率非正则LDPC码在AWGN信道中性能距Shannon极限不超过0.0045dB。因此DMB-TH，CMMB，DVB-S2等推出的数字多媒体广播标准中均采用LDPC。

LDPC码之所以能有如此优异的性能，最重要的原因是译码采用先迭代算法，并且由于校验矩阵的稀疏性，使得译码复杂度与码长成线性关系，克服了长分组码所面临的计算复杂度问题。另外，在码长很长时，相距很远的信息位参与同一校验，这使得连续的突发差错对译码的影响不大，也就是编码本身就具有抗突发差错的特性，一般情况下不需要引入位交织器。最初的硬判块（Bit Flipping）计算杂度很低，但译码性能不理想，WBF算法采用信道的软信息对位翻转判据加权，后又出现了改进的P-WBF算法和WS-WBF算法；软判决算法虽然性能更好，但复杂度较高。1999年MacMay和Neal提出将BP算法用于LDPC译码，后简化出了Min-Sum算法，J.Chen提出采用归一化因子的近似最佳Min-Sum算法和Offset Min-Sum算法，使得LDPC译码能在较低复杂度下获得与BP算法相当接近的性能，大大提高了工程可用性。结果说明两者在高斯信道下的性能差别不如衰落信道下差别明显，证明LDPC码有着更好的抗衰落性能。

5 LDPC码在CMMB中的应用

从上图CMMB物理层功能框架可见，来自上层的输入数据流经过前向纠错编码，交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行OFDM调制，调制后的信号入帧头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射。在CMMB系统中，LDPC码作为内码与外码RS码级联作为信道码。经过RS编码和字节交织的传输输氧按照低位比特优先发送的原则将每字节映射为8位比特流，送入LDPC编码器，字节交织器的B字节的最低映射在LDPC输入比特块的第一个比特。

6 总结

CMMB布局是一项具有开创性的工作，是我国广电产业发展难得机遇，将对今后广电无线事业、产业的发展起到巨大的推动作用。LDPC码是一种可接近香农极限的编码技术，CMMB系统中的LD-PC编码技术，其优势是压缩了编译码所需的矩阵存储空间，而且还有效的降低了编码的复杂度，更使系统具有良好的抵御移动信道中的多径衰落的性能。LDPC码不仅在光通信和无线通信领域具有异常广阔的应用前景，在其他通信领域同样拥有巨大的应用潜力。在深空通信，卫星数字视频和音频广播，磁/光存储系统，固定无线通信（PHS），电缆调制，解调器和数字用户线（ADSL）这些方向上低密度校验码都有其用武之地。

新技术带来新的商业价值、新的服务机会，瞄准移动视音频市场，扎稳移动多媒体广播电视的服务，开发、拓宽和运作高端业务，CMMB网络将激发出无限潜能。

[参考文献]

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