QC-LDPC码编码器的FPGA实现

准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码具有优异的纠错性能,已被纳入空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的近地轨道通信标准。分析了QC-LDPC码的特点,提出一种基于生成矩阵的编码方法。该方法利用循环矩阵特性简化生成矩阵的存储模式,减少了资源消耗,同时利用循环移位寄存器和累加器实现矩阵乘法,降低了编码算法复杂度。在Xilinx xc4vsx55 FPGA上,采用VHDL语言实现了CCSDS标准中(8176,7154)LDPC编码器的设计。仿真结果表明,设计的编码器资源占用较少,吞吐量约为228 Mbit/s。     

利用斐波那契数列构造QC-LDPC码的方法

利用斐波那契数列的特点,提出了一种准循环低密度奇偶校验码(QC-LDPC)码的编码器设计方法.该编码器设计利用了斐波那契数列的一种顺序排列方法,构造的校验矩阵H不含四线循环,具有准循环结构,节省了校验矩阵存储空间,对码长和码率参数的设计具有较好的灵活性.该编码器算法复杂度与码长成线性关系,易于编码.仿真结果表明,在加性高斯白噪声信道条件下,该编码方案具有优于阵列LDPC码的性能.     

QC-eIRA码的构造及其变码率编码器FPGA实现

针对非规则重复累积码(extended irregular repeat-accumulate, eIRA)校验矩阵中H_1矩阵的随机性,提出采用有限域构造H_1矩阵的方法,并构造出了几种高码率码型。新构造码型既保留了eIRA码特殊的结构,同时又具有准循环LDPC码(quasi-cyclic low density parity check codes, QC-LDPC)的特点。仿真结果表明,当码长达到8175时,新构造码型的性能明显优于QC-LDPC码,在中长码长时表现出较好的性能。基于新码型结构特点,设计通过读写随机存储器(random-access memory,RAM)实现校验位计算的编码器硬件架构,采用Verilog HDL在Virtex 4 xc4vlx60芯片上实现了编码器,结果显示,相比于基于移位累加器组的传统QC-LDPC码,新的编码架构占用的硬件资源大幅降低,且更利于灵活实现变码率编码。     

一种改进的QC-LDPC码及其编码器FPGA实现

为了提高低密度准循环奇偶校验码（quasi-cyclic low density parity check codes,QC-LDPC）的编码码率灵活性和降低该码的实现复杂度,提出了一种改进的 QC-LDPC 码构造方法,并通过构造校验矩阵设计出了几种高码率码型,仿真结果表明该码在中、长帧长时性能优于相近参数的传统 QC-LDPC 码;针对该码型设计了一种基于随机存取存储器（random-access memory,RAM）的编码器硬件架构,通过存储地址指针实现对校验矩阵的存储,使得编码器能灵活地实现变码率和变帧长编码。采用 verilog 硬件描述语言在 Spartan-3 XC3S1500芯片上实现了编码器。综合结果显示：新的硬件编码架构较基于移位寄存器的传统 QC-LDPC 码的编码器硬件架构,在编码延时保持相同而硬件资源大幅降低的情况下,编码器系统的最高频率达到了225．174 MHz,能满足高速编码需求。     

自适应码率QC-LDPC码编码器的FPGA实现

准循环低密度奇偶校验码(QC-LDPC codes)相比其他的LDPc码具有简单的编码结构,拥有较好的应用前景.通过构造校验矩阵设计了不同码率和不同帧长的具有系统结构的QC-LDPC码,并分析了这些码的性能,随后将编码过程分阶段引入主从控制模块及复用基本SRAA组,设计了变码率和变帧长的编码器,并用Verilog HDL语言在Spartan 3 3s1500fg676芯片上实现了编码器的设计.综合报告表明:在使用适中的硬件资源情况下,系统最大频率达到了174.856 MHz,能满足高速编码的要求.     

基于循环差集的(3,L)规则QC-LDPC码构造

针对准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码中准循环基矩阵移位系数构造的确定问题,利用循环差集(CDF)构造一种近似双对角结构的(3,L)规则QC-LDPC码,其围长至少为8,该码的基矩阵由四部分构成,其中一部分数据已知,其余可由简单的运算获得,所需存储空间少,降低了硬件实现的复杂度,根据循环差集个数t不同可灵活构造不同码长和码率的码字.仿真实验结果表明:当误码率为1×10~(-6),码率为0.5时,构造的基于循环差集的码比基于最大公约数(GCD)码、渐进边增长(PEG)码和西顿(SD)序列构造码的净编码增益分别提升了0.10,0.12和0.13dB.当码率为0.6时,比基于完备循环差集构造的type2码和PEG构造码的净编码增益分别有0.20和0.10dB的提升.     

中国调频频段数字音频广播标准的LDPC编码器设计

根据2013年颁布的中国数字音频广播(CDR)中LDPC码的校验矩阵结构特点,提出一种基于生成矩阵的编码方法.该方法将生成矩阵转化为块准循环结构,并行化处理编码算法的行与列操作;采用存储器调用的控制策略,实现CDR标准中四种码率编码,提高了硬件资源的利用率.在Xilinx公司的FPGA平台上进行该编码器的设计,联合Model Sim和Matlab软件进行验证.结果表明,该设计方法具有资源占用较少、功耗低、编码准确率高等特点,其吞吐量约为400 Mbit,达到了CDR标准的LDPC编码要求.     

定码长多码率QC-LDPC码的构造

通信系统通常需要支持多种码率的信道编码以适应不同的信道条件。为了简化系统实现的复杂度,该文提出了一种码长固定、兼容多码率、准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码的构造方法。该方法利用修正的渐进边增长(PEG)Reed-Solomon(RS)码算法生成母码的校验矩阵,结合校验矩阵的行合并得到具有相同结构的多码率QC-LDPC码的校验矩阵。在译码时多码率LDPC码可以共用同一个译码器,从而大大减少了译码的硬件资源。实验结果表明:该方法生成的多码率LDPC码的性能均优于第二代欧洲数字地面电视广播传输标准(DVB-T2)中对应码率的码,且译码器硬件资源与单码率的LDPC译码器相当。     

基于迭代填充法的LDPC码设计

提出一种构造低密度奇偶校验码(LDPC码)的新方法-迭代填充法(IF法),在此基础上构造了IF-LDPC码.研究证明了迭代填充法的相关性质,同时给出了一种规则和准规则IF-LDPC码编码器设计算法.IF-LDPC码的码长和码率取值灵活,可实现线性编码,做到O(M)的编码复杂度(M为信息位长度).同时,该码结构易于部分并行译码器实现.仿真结果表明:IF-LDPC码与QC-LDPC码相比,编码增益有0.5～1.1 dB的改善,可达到与Mackay随机码相比拟甚至更优的性能.     

GPU的QC-LDPC码译码器设计与实现

在连续变量量子密钥分发(continuous variable quantum key distribution,CV-QKD)系统中,通信双方需要在远距离低信噪比的条件下进行密钥协商,必须选用码率较低,码长较长的码字.设计了一种基于图形处理器(graphics processing unit,GPU)的准循环低密度奇偶校验(quasi-cyclic low density parity check,QC-LDPC)码的高速译码器.该译码器采用收敛速度更快的分层置信传播译码算法(layered belief propagation algorithm,LBPA)实现,减少了所需的译码循环次数,并且该译码器译码扩展因子较大的QC-LDPC码,在全矩阵大小恒定的情况下,使得子矩阵的数量相对较少,从而减少了串行译码的数量.该译码器分配GPU线程对应变量节点,增加了线程的利用率,并且将所需的基矩阵信息进行合并存储,减少了GPU内存的占用.仿真结果表明,在译码长为106,码率为0.1的码字,且同时译码16个码字,迭代50次的情况下,该译码器达到了41.50 Mbits/s的吞吐量.     

基于FPGA的准循环LDPC码低时延译码器设计

针对准循环低密度奇偶校验码(LDPC码),提出一种基于FPGA的低延时译码器硬件实现结构. 该译码器基于最小和译码算法,充分利用FPGA的RAM存储结构及流水线运算方式提高译码吞吐量,降低译码时延. 该结构适用于大部分准循环LDPC码,且译码迭代一次只需约2倍缩放因子大小的时钟数量. 与非流水线译码结构相比,在不增加资源占有率的情况下,译码时延降低到原来的1/7.      

在线可编程准循环LDPC码高速编码器结构

为了实现宽带无线通信,提出了一种支持可变参数的准循环低密度奇偶校验码(QC-LDPC)编码器结构,在保证很高的吞吐率的前提下实现了在线可编程。该编码器采用类CPU结构,设计专用指令集,并内嵌校验矩阵存储器。将编码算法归纳为3类基本运算,设计2条专用指令就可实现任意QC-LDPC编码。通过外部总线在线配置指令和校验矩阵存储器支持多种码率码长的编码。结果表明:该结构相对于原有纯逻辑电路的结构可以在较少的资源下实现吞吐率超过1G b/s的参数可配LDPC编码。     

一种基于RAM的QC-LDPC码新颖编码架构研究

为了提高LDPC编码器的数据吞吐率,提出了一种基于RAM的改进型准循环LDPC码(quasi-cyclic low density parity-cheek,QC-LDPC)的编码器实现方法.采用RAM存储校验位,并引入指针来指示RAM的地址方法.从而取代传统编码架构中的移位寄存器,使编码过程通过对RAM的读写操作实现,校验位序列也通过对RAM的读操作串行输出.由于该编码器没有使用移位寄存器以及并串转换电路,从而大幅度节约了硬件资源并提高了数据吞吐率.     

构造准循环LDPC码生成矩阵的块高斯消元法

为构造准循环LDPC码的生成矩阵,提出了块高斯消元的方法.该方法通过用多项式来表示QC-LDPC码中的循环扩展矩阵,大大地降低了需要计算矩阵逆阵的维数.当QC-LDPC码奇偶校验矩阵的循环扩展矩阵长度为质数时,给出了判别需要求逆矩阵是否存在的方法,并为多项式矩阵在进行块高斯消元过程中进一步加快搜索速度提供了途径.理论分析及仿真的结果均表明:提出的块高斯消元方法降低了为构造QC-LDPC码的生成矩阵时计算内存的需求,其计算复杂度也大大地低于通常的高斯消元方法.     

一种基于RAM的QC-LDPC码新颖编码架构研究(英文)

为了提高LDPC编码器的数据吞吐率,提出了一种基于RAM的改进型准循环LDPC码(quasi-cyclic lowdensity parity-cheek,QC-LDPC)的编码器实现方法。采用RAM存储校验位,并引入指针来指示RAM的地址方法,从而取代传统编码架构中的移位寄存器,使编码过程通过对RAM的读写操作实现,校验位序列也通过对RAM的读操作串行输出。由于该编码器没有使用移位寄存器以及并串转换电路,从而大幅度节约了硬件资源并提高了数据吞吐率。     

LDPC Decoder for CCSDS Code by Flipping Bits and Fetching Words

The well-known CCSDS(consultative committee for space data systems) LDPC(low density parity check) code for near-earth applications is discussed and used for a case study of Mc Eliece system. First, a data error is picked out with the CCSDS LDPC code. The problem with its generator matrix is illustrated and overcome by a shortened code with some middle code bits deleted. In correspondence, its parity check matrix is also revised with the new quasi-cyclic(QC)-LDPC code. Second, a fast decoding scheme for general QC-LDPC codes is proposed based on flipping bits and fetching words. Besides, a lightweight CCSDS LDPC code based Mc Eliece system can be set up with such codes. The repaired CCSDS LDPC code is supposed to be still useful for communications and storages, and the normalized decoding algorithm is also efficient for general QC-LDPC codes.     

准循环LDPC码低存储量译码器设计与实现

研究了准循环低密度奇偶校验(quasi-cyclic low density parity check,QC-LDPC)码及最小和译码算法,设计了合理的非均匀量化译码方案。充分利用准循环LDPC码校验矩阵的准循环结构特点,设计了一种低存储量准循环LDPC码的译码结构,详细描述各部分组成及功能。基于最小和译码算法及非均匀量化方案,给出了纠错性能的模拟测试结果。按照该译码结构在Xilinx公司的XC3S2000器件上实现了码长为9216、码率为1/2的准循环LDPC码译码器。FPGA(field programmable gate array)实现结果表明,与传统译码结构相比,该译码结构可节省约30%的存储空间,在性能与实现复杂度间取得了较好的平衡。     

调频频段数字音频广播（CDR）标准的LDPC编码器设计

本文根据2013年颁布的中国数字音频广播（CDR）中LDPC码的校验矩阵结构特点,提出一种基于生成矩阵的编码方法。该方法将生成矩阵转化为块准循环结构,并行化处理编码算法的行与列操作;采用存储器调用的控制策略,实现CDR标准中四种码率编码,提高了硬件资源的利用率。在Xilinx 公司的FPGA平台上进行了该编码器的设计,联合了ModelSim和MATLAB仿真软件进行验证。结果表明,该设计方法具有资源占用较少、功耗低、编码准确率高等特点,其吞吐量约为400Mbps,达到了CDR标准的LDPC编码要求。