LDPC码的编译码算法研究本科毕业论文.docx

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毕业论文

题 目：

LDPC码的编译码算法研究

III

摘 要

低密度奇偶校验码（LowDensityParityCheckCodes，简称LDPC码），本质上是一种线性分组码，更接近香农限。

目前的研究均表明LDPC码是信道编码中纠错能力最强的一种码,其译码器结构简单,在深空探测、卫星通信等领域可得到广泛的应用。

文章介绍了LDPC码,综述了其编码方法和译码方法。

在编码方法中分别描述了校验矩阵的构造和基于校验矩阵的编码算法，对LDPC码的快速编码方法进行分析。

在译码方法中主要论述了消息传递译码算法、置信传播译码方法、最小和译码算法、比特翻转译码算法和加权比特翻转译码方法。

对部分

LDPC码的编译码就行了仿真，同时对LDPC码的编译码方法的发展及应用前景作了分析。

本文的重点是对LDPC码的编译码算法的论述与研究，介绍LDPC码的基本原理和分类，分别从基于生成矩阵和基于校验矩阵详细讨论了LDPC码编码算法，简单介绍了线性分组码编码，LU分解法，RU分解法。

并用简明例子对RU算法做了清晰的解释。

对译码大致做了解释：

分为软判决译码（MP算法）和硬判决译码（比特翻转算法和加权比特翻转算法）。

在本文的最后用AWGN信道下

LDPC码的性能仿真，主要是针对比特翻转算法进行仿真。

做出理论比较。

关键词：

LDPC码 编译码MATLAB

Title：

EncodingandDecodingAlgorithmsofLDPCCodes

Abstract：

LDPCcode,namelyLowDensityParityCheckCode,isakindoflinearblockcodesinnature,andthedecodingperformanceofLDPCismorenearertotheShannonlimit.Withitsbestperformanceandsimpledecoderstructure,LDPCcodeswillbewidelyusedindeepspaceexploration,satellitecommunicationsandotherfields.WhilebrieflyintroducingLDPCcodesareintroducedbriefly,thispapersummarizestheencodinganddecodingalgorithms.Theencodingalgorithmisdescribedintwosteps:

theconstructionofparity-checkmatrixandtheencodingmethodbasedonparity-checkmatrix. AnalyzetherapidlycodingmethodforLDPCcode.Astodecodingalgorithm,MPdecodingmethod,BPdecodingmethod,Min-Sumdecodingmethod,Bit-FlippingmethodandWeightedBit-Flippingmethodarediscussed.EmulatefortheLDPCcodes.Thedevelopmentandapplicationofencodinganddecodingmethodsisanalyzedaswell.

ThisarticlefocusesonencodinganddecodingalgorithmsofLDPCcodes，Accordingtothedifferentmethodsofdecodingalgorithm,andmakesthetheoreticalMATLABsimulation.

Keywords：

LDPCcodes encodinganddecoding MATLAB

IV

目 录

1引言 1

2LDPC码概述 3

2.1线性分组码 3

2.2低密度奇偶校验码（LDPC码） 4

2.2.1LDPC码定义 4

3LDPC码的编码算法 6

3.1基于生成矩阵的编码算法（线性分组码编码） 6

3.2基于校验矩阵的编码算法（LU分解法） 7

3.3基于校验矩阵的编码算法（RU算法） 7

4LDPC码的译码概述 11

4.1MP算法集 11

4.2硬判决译码算法 13

4.2.1比特翻转算法 13

4.2.2加权比特翻转译码算法 14

5AWGN信道下LDPC码的性能仿真 15

5.1仿真软件简介（MATLAB&SIMULINK） 15

5.2仿真与结果分析 15

5.3译码仿真系统框图及系统总流程图 16

5.4BF算法及其改进算法仿真 17

结 论 19

致 谢 20

参考文献 21

代码 22

1引言

通信系统的基本目的在于将信息由信源高效、可靠、有时还需安全地传送到信宿。

有扰通信信道中的噪声会不可避免地对传输信息产生不同程度的干扰，从而可能降低通信可靠性。

所以通信系统设计的核心问题就是在存在随机噪声的信道中如何克服干扰，减小信息传输的差错，同时又不降低信息传输的效率，即如何解决系统的有效性与可靠性之间的矛盾。

一般地，通信系统的可靠性用误比特率（BER）来衡量，其有效性则用信息传输速率R比特/信道符号来衡量。

早期的人们普遍认为：

通信系统的可靠性与有效性之间是一对不可调和的矛盾，一方的改善总是以牺牲另一方为代价，并指出当功率受限时，在有扰通信信道上实现任意小错误概率的信息传输的唯一途径就是把信息传输速率降低至零。

Shannon信息和编码理论的奠基性论文“通信的数学理论”发表之后，改变了这一观点。

他首次阐明了在有扰信道上实现可靠通信的方法，指出实现有效而可靠地传输信息的途径就是通过编码。

根据Shannon的信息理论，数字通信系统的基本组成如图。

图1.1数字通信系统基本模型

Shannon的信息理论从通信系统的整体最佳化来研究信息的传输和处理。

比特是一种通用的信息表示形式，它本身并不依赖于信源或信道特征。

这就允许我们分别设计图1．1所示的两个阶段的信息处理，即信源编码和信道编码。

Shannon不失最佳性地证明了这种分离性。

图1．1中的信道部分只是信息传输所通过媒介的一种抽象，实际的信道是多种多样的，如电缆、光缆、存储设备、甚至我们所处的实际空间及外太空等等。

对于通信系统设计者来讲，了解系统中信道的特性是必需的。

根据信道的输入输出的取值连续与否可以将其分为离散信道、连续信道和离散输入／连续输出信道；根据信道统计特性是否随时间改变可以将其分

37

为平稳信道和非平稳信道：

根据信道的输出之间是否具有相关性可将其分为记忆信道和无记忆信道；根据信道的特性对输入端是否具有对称性可以将其分为对称信道和非对称信道。

实际应用中所涉及到的信道大多都是离散输入的平稳无记忆对称信道，下面给出几种常用的编码信道模型。

二进制对称信道（BSC）：

输入为二值变量0、1，输出也为二值变量0、l，且传输过程中发生错误（输入为0输出为1或输入为1输出为0）的概率与输入无关：

二进制删除信道（BEC）：

输入为二值变量0、1，输出或为输入的二值变量0、1，或为删除E，且通常传输过程中不同输入被删除的概率相同；

二进制输入高斯信道（BIAWGN）：

输入为二值变量，输出为连续变量，且信道中的加性噪声为服从N（O，万2）的高斯随机变量。

在过去的几十年里，移动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，至今已发展了三代。

第一代移动通信（1G）是以模拟传输的方式进行语音通话，主要是采用以蜂窝结构网为核心的模拟技术和频分多址（FDMA）动态寻址技术。

第二代移动通信（2G）以数字传输的方式进行语音通话和数据业务，2G系统采用的是数字的时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA）实现动态寻址功能，以

GSM、CDMA系统为代表，实现了从模拟到数字系统的跨越。

第三代移动通信

（3G）是着重实现传统的移动通信与开放式的因特网融合，各个国家的网络将融合为一个整体。

而在移动通信更新换代中，信道编码技术是其中非常重要的一项。

本文所论述的LDPC码即是信道编码的其中之一。

MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置

函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用 MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对

MATLAB的功能进行扩充。

MATLAB的数据分析和处理功能十分强大，运用它对所涉及到的LDPC编译码进行仿真。

2LDPC码概述

2.1线性分组码

因为低密度奇偶校验码是一种特殊的线性分组码，所以本章将首先对线性分组码做一个概述，为讨论LDPC码作铺垫。

定义l：

整数0，l，2，⋯，q．1，q是自然数，在模P加和乘运算下构成一个伽逻华域GF（q）。

定义2：

如果一个分组码C，包含N个由GF（q）中的元素构成的码字（C0，C1，

⋯，CN-1），则当且仅当C构成一个GF（q）上的矢量子空间时，称C为q进制线性码。

在本篇论文里，只考虑二进制码，所以q=2。

定义3：

线性码的维数等于对应的矢量空间的维数，一个长度为N，维数为

K的线性码总共包括2k个长度为N的码字。

线性码还有如下一些有用的性质：

性质1：

任意码字的线性组合仍然是一个码字。

此性质的一个结论是线性码必然包含一个全零码字。

性质2：

线性码的最小距离等于其中一个最轻非零码字的汉明重量。

这一性质表明确定线性码的最小距离（决定检错和纠错能力）要比一般的分组码要容易的多。

性质3：

线性码中不可检测的错误图案与传输的码字无关，且由所有的非零码字组成。

假设（g0，

g1，L，gK-1是组成（N，K）--进制码空闭的一组基底，对任意一

个码字c∈C，存在唯一的表达形式

C=a0g0+a1g1+L+aK-1gK-1



（2-1）

因为所有基元的线性组合仍然是一个码字，所以存在长度为K的码组

a0，a1，...aK-1

列而成。

和C中码字之间的一一映射。

以下矩阵G就是由基矢按行排

2.2低密度奇偶校验码（LDPC码）

2.2.1 LDPC码定义

LDPC码是线性分组码中较为特殊的一种，但是目前LDPC码并没有严格的数学定义。

考虑到其结构上的特点和叙述上的方便，本文对LDPC码做如下的定义。

LDPC码是一个m行n列的稀疏矩阵H的零空间，H称为LDPC码的校验矩阵，并且满足：

l、矩阵的行重、列重与码长的比值远小于1；

2、任意两行（列）最多只有1个相同位置上的1；

3、任意线性无关的列数尽量的大。

这样的LDPC码码长为n，校验位长度大约为m，信息位长度为k n-m。

一个规则LDPC码是指校验矩阵H满足列重和行重分别等于常数dv，和dc，

因为我们并没有要求校验H是满秩矩阵，所以其码率为：

r1-m=1-dv



（2-2）

n dc

（2.3）式是一个