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一种改进的RS码代数软判决译码算法

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第8卷第4期 解放军理工大学学报(自然科学版) Vo1.8 No.4 2007年8月 Journal of PI A University of Science and Technology Aug.2007 文章编号:1009—3443(2007)04—0320—04 一种改进的RS码代数软判决译码算法 郑学强 ,程云鹏 ,沈 良 ,赵 波。,周晓兰。 (1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2.海军航空工程学院青岛分院,山东青岛266041; 3,总参军训和兵种部自动化工作站,北京1000851) 摘 要:为了提高Reed—Solomon码的纠错性能,分析并给出了能提高Reed—Solomon码纠错能力的代数软 判决译码算法的译码流程,讨论了译码中需要的软信息的计算方法,推导了代数软判决译码算法的译码成功 条件。在此基础上,提出了一种改进的代数软判决译码算法,并对改进算法的运算量和译码时延进行了分析。 算法针对推导的译码成功条件,通过改变代数软判决译码算法中插值算法的选择输出准则,更有效地利用了 接收端的软信息。仿真结果表明,在译码时延基本不变的条件下,提出的算法比代数软判决译码算法提供更 多的译码增益。 关键词:RS码;代数软判决译码;软信息;多项式插值;分解因式 中图分类号:TN911.22 文献标识码:A mproved algebraic soft—decision decoding algorithm for Reed—Solomon codes ZHENG Xue—qiang ,CHENG Yun—peng ,SHEN Liang ,ZHAO Bo ,ZHOU Xiao—lan。 (1.Institute of Communications Engineering,PLA Univ.of Sci.&Tech.,Nanjing 210007,China; 2.Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute,Qingdao 266041,China; 3.Command Automatic Workstation,Military Training&Arms Department, General Staff Headquarters,Beijing 100851,China) Abstract:To improve the error—correcting performance,the algebraic soft—decision decoding algorithm for Reed—Solomon code was discussed,the process of the algebraic soft—decision decoding algorithm and the method for calculating the soft information which is indispensable to the algorithm were given,and the successful decoding condition for algebraic soft—decision decoding algorithm was deduced.An improved al— gebraic soft—decision decoding algorithm for Reed—Solomon codes was proposed.Focusing on the deduced successful decoding condition,this algorithm changed the output rule of the interpolation algorithm in the algebraic soft—decision decoding algorithm.This algorithm can make use of the received soft bits informa— tion more adequately than the existing algorithm using symbol reliability information.The simulation re— sults show that the proposed algorithm can provide higher decoding gain over the algebraic soft—decision decoding algorithm with the approximately same decoding time. Key words:Reed—Solomon codes;algebraic soft—decision decoding;soft information;polynomial interpola— tion;factorization 收稿日期:2006一l2一l2. 作者简介:郑学强(1 981一),男,博士生. 联系人:沈 良,教授;研究方向:短波通信、数字信号处理、 软件无线电和移动通信等;E—mail:shenliang@ljls. net 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 郑学强,等:一种改进的RS码代数软判决译码算法 321 1948年Shannon在他的论文“通信的数学理 论”中提出了著名的信道编码定理,开创了纠错码这 一研究领域。RS码是由里德(Reed)和索洛蒙 (Solomon)应用MS多项式于l960年构造出来的。 RS码有严谨的代数结构,既能够纠正突发错误又能 够纠正随机错误。目前,RS码在空间通信、磁记录 设备及数字音视频传输等领域获得了广泛的应用。 RS码的硬判决译码算法易于实现但性能较差。 利用软信息译码可以获得额外的性能增益,因此研 究有效的RS码软判决译码算法具有越来越重要的 意义。在所有的软判决译码算法中,最大似然译码算 法性能最好,但它却是一个NP问题[1]。其他的软判 决译码算法都是性能和复杂度的折中,比如GMD 算法和Chase算法。GMD算法易于实现但译码性 能较差 ];Chase一Ⅱ算法性能较好但复杂度太高。。]。 将Chase和GMD算法结合的CGA算法较好地综合 了二者的优缺点,但实现复杂度仍然很大L4]。RS码 的代数软判决译码算法l-5 把译码问题转化为曲线拟 合问题,将RS码的纠错能力由( —k)/2提高到 n一 是。其中,n—q一1为码长,k—K为信息位长 度,有效扩展了RS码的纠错能力 ]。代数软判决译 码算法的研究L7叫 已成为RS码软判决译码的研究 热点之一。 本文针对代数软判决译码算法的译码成功条 件,通过改变代数软判决译码算法中插值算法的选 择输出准则,提出了一种改进的代数软判决译码算 法。在译码时延基本不变的条件下,该算法的译码性 能明显优于文献[6]中的代数软判决译码算法。 1 RS码的代数软判决译码算法 RS码的代数软判决译码算法基于插值算法和 分解因式算法,充分利用了RS码的代数结构,突破 了一般的硬判决译码的纠错极限。主要的译码流程 如图1所示。 H莲辇霹H 孽H菡篓H蠢蓄 图1 RS码代数软判决译码流程 Fig.1 Process of algebraic soft—decision decoding of Reed—Solomon codes 代数软判决译码算法主要步骤如下: (1)软信息计算。假设发送符号为 接收符号 为 ,则软信息为可信度 . 一Pr(嘶I ),对硬判决 译码来说就是选择可信度矩阵中每一列中对应最大 , 的嘶作为判决结果。 (2)计算重度矩阵E 。根据可信度矩阵计算重度 矩阵M,使得码字c的分数SM(c)尽可能的大。 (3)插值运算。插值运算就是根据重度矩阵和初 始点产生一个(1,k一1)权重 最小的二元插值多项 式Q(X,y),使得产生的插值多项式要通过每个插 值点,且在该插值点的阶数与重度矩阵中对应的重 度一致。 (4)分解因式。分解因式是在插值运算得到的插 值多项式中提取所需的候选信息多项式厂(x),即找 出插值多项式Q(x,y)中最高次数小于k的因子 厂(X)。 (5)选择输出。将各个候选信息多项式重新编 码,得到待检验的候选码字;将各个候选码字根据第 一步计算得到的后验概率矩阵选择输出,输出码字 对应的信息多项式即代数软判决译码结果,完成代 数软判决译码。 2软信息的计算及改进的代数软判决 译码算法 2.1软信息的计算 在代数软判决译码算法中需要利用软信息译 码,即计算可信度矩阵。而研究讨论代数软判决译码 算法的文献中对此部分的讨论很少,本节以AWGN 信道为例给出了一种计算代数软判决译码所需的软 信息的方法。 以AWGN信道和二进制调制为例,详细讨论软 信息的计算,即如何计算代数软判决译码所需的可 信度矩阵。 由于AWGN信道中的各个码元是互相独立的, 噪声分量是零均值、具有相同方差不相关的高斯随 机变量,故接收符号r是统计独立的高斯变量。假设 接收符号为h则由概率论知识可得 P(r/1)一 , (1) -/0)一 , (2) 将两式相除,应用P(1/r)+P(O/r)一1,得到比特软 值为 P(1/,)一 竺)_。 (3) 1+exp( ̄/2 r/a ) 对于多进制调制,可以在接收端首先计算比特 软值,然后将比特软值转化为需要的多进制符号软 维普资讯 http://www.cqvip.com 解放军理工大学学报(自然科学版) 第8卷 值;或者直接利用式(4)进行计算 P(, I )一 exp /一( 一s )。\ 解再利用可信度矩阵选择输出。改进后的具体步骤 √丌 l——] ~J (4) 为(第1、2步同§1的代数软判决译码算法步骤(1) (2)): k一1,2,…,N。 第3步:对经过插值运算的每一个插值多项式 Q(x,y),检查是否满足deg Q(X,Y)< 其中 为接收符号;S,nk为发送符号; 。为噪声功率 谱密度。 2(志一1)C。若满足再检查是否每一个插值点 2.2改进的代数软判决算法 首先定义几个变量:向量C为码字,C为重度矩 阵 的成本 ,向量 一( 。 … IJ, )的分数 SM( )为SM( )一( ,Iv]>。定义二元多项式Q(x, y)的((cJx, )权重为max{iwx+ Iq ≠0},定义函 数 △ . 一 c 一min{ ∈z: + (『 ]_(『 ]_ j )> }。 由文献[6]中的定理3可知,当 SM(c)>△ 一1(C) (5) 时,码字必然在内插后的多项式中,本文不再证明。 因为 A (C)< 2(志一1)C, (6) 且由函数A ( )的定义可知 deg1. 一lQ(X,y)<A1. 一1(C), (7) 所以译码成功的条件为 S^f(c)>deg1. 一1Q(X,y)。 (8) 为了满足式(8),一般有2种方法,即使得S-Ⅵ(c) 最大或degⅢ一 Q(x,y)最小。几种计算重度矩阵 的方法都是围绕使SM(c)最大而进行的;而插值运 算后会选择输出的准则就是使degⅢ一 Q(x,Y) 最小。 插值运算会产生b个二元多项式,其中: + ——— —一 为了满足式(8),一般将b个二元多项式中 degl 】Q(x,y)最小的一个输出。degⅢ一1Q(x,Y) 最小的多项式可能不止一个,而且degⅢ一 Q(x,Y) 最小的一个Q(X,y)的因子中并不一定包含正确的 码字,而此时其他二元多项式Q(x,Y)的因子中可 能含有正确的码字。 为了解决这个问题,通过改变插值算法的选择 输出准则,将原来输出一个二元多项式变为输出多 个;然后对每一个输出的二元多项式均进行因式分 ( ,yi)都通过该插值多项式,即对所有满足J + < ”的 、 是否满足 l JlY 2 qj' ̄,j'2x z … ,, (9) 其中:,”是该插值点在重度矩阵中对应的重度。若 通过上述2项检验就保存该插值多项式,否则就删 掉该多项式。 第4步:将所有通过检验的插值多项式进行分 解因式,并将分解因式后的因子作为候选信息多项 式,然后再根据可信度矩阵对候选信息多项式选择 输出。 2.3算法运算量分析 代数软判决译码算法的译码复杂度和译码时延 主要取决于插值算法和分解因式算法。文献[7]中指 出,总的译码时延中插值算法占用83 ,分解因式占 用17 。插值算法的运算复杂度为0(C。),Roth— Ruckenstein分解因式算法l_1 的复杂度为O(bkn), 相对于插值算法的运算而言比较小。 算法的改进是在插值运算之后进行的,插值运 算的复杂度仍为0(C ),插值运算后最多增加6—1 个插值多项式,即最多增加b一1次分解因式运算, 分解因式的运算复杂度最大为0(6 kn)。若对通过 检验的插值二元多项式的分解因式进行并行运算, 分解因式运算占用的译码时间不会增加,即改进前 后算法的译码时延基本不变。表1给出了2种算法 的译码运算复杂度和译码时延比较。 表1算法改进前后复杂度和占用时延比较 Tab.1 Comparison of the complexity and the decoding time between the two algorithms 3算法仿真和分析 对代数软判决译码算法和改进代数软判决译码 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 郑学强,等:一种改进的RS码代数软判决译码算法 323 算法的译码性能进行了计算机仿真。具体仿真条件 为:信道为AWGN信道;调制方式为QDPSK调制 方式;使用(7,3,2)和(15,7,4)RS码。计算重度矩 阵使用文献[6]中提出的算法A,插值运算使用文献 [7]中介绍的二项式插值算法,分解因式运算使用文 献[10]中提出的Roth—Ruckenstein分解因式算法。 图2给出了硬判决译码算法与代数软判决算法 的译码性能比较曲线,以及和改进代数软判决译码 算法的译码性能比较结果。从仿真结果中可以看出, 软判决译码的性能明显优于硬判决译码;对(7,3,2) 和(15,7,4)RS码,在误符号率 =10 时,改进的 代数软判决译码算法比原来的代数软判决译码算法 在译码性能上分别提高0.8、0.4 dB。 褂 /dB (a)(7,3,2)RS码 料 Ⅱu、 /dB (b)(1 5,7,4)RS码 图2 3种RS码译码方法的译码性能比较 Fig.2 Comparison of the decoding performance for three different decoding methods of Reed— Solomon code 4 结 语 本文研究了RS码的一种软判决译码算法—— 代数软判决译码算法。文中给出了代数软判决译码 的具体译码步骤,详细讨论了译码必需的软信息的 计算部分,推导了译码成功的条件,通过改变插值算 法的选择输出准则,提出了一种改进的代数软判决 译码算法。经过MATI AB仿真验证,在译码时延基 本不变的情况下,改进的代数软判决译码算法与原 来的算法相比译码性能得到了提高,代价是运算量 略有增加。在可实现代数软判决译码运算量的实际 应用环境中,经过改进的RS码代数软判决译码算法 具有一定的实用价值。 参考文献: [1] GURUSWAMI V,VARDY A.Maximum—likelihood decoding of reed—solomon codes is NP—hard[EB/OL]. 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