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QR码构造的广义LDPC码

在低密度奇偶校验(low density parity check, LDPC)码的图形表示中,存在着一种陷阱集结构,其对性能的影响表现在,陷阱集中变量节点所对应的比特在迭代过程中如果发生错误,就不容易被纠正回来。因此,结合平方剩余(quadratic residue, QR)码来设计一种新颖的广义LDPC码的编译码方案。该方案利用QR码这一性能优良的码型,为LDPC码的某些变量节点提供额外的保护,在损失少许码率的情况下,以期消除某些陷阱集的影响,并获得比原始LDPC码更好的性能。在仿真模拟中,通过统计原始LDPC码的错误比特位置,发现某些比特位置的出错频率较高,为此,从陷阱集的角度分析了其中的原因,并根据这些变量节点,构造广义LDPC码。仿真结果表明,该方案能够有效地降低某些LDPC码的错误平层。     

基于QR码和SPC码的双广义LDPC码构造及性能研究

为了降低低密度奇偶校验(low-density parity check, LDPC)码的错误平层,使其满足移动高清视频传输的极低误比特率(bit error rate, BER)要求,构造了一种基于平方剩余(quadratic residue, QR)码和单奇偶校验(single parity check, SPC)码的双广义LDPC(doubly-generalized LDPC, D-GLDPC)码。所构造的D-GLDPC码克服了有限码长的LDPC码性能不佳的问题以及广义LDPC(generalized LDPC, GLDPC)码的码率损失问题。基于QR码构造了准循环低密度奇偶校验(quasi cyclic LDPC, QC-LDPC)码,以QR码和SPC码作为分量码来构造D-GLDPC码,采用后验概率(a posteriori probability, APP)译码算法简化D-GLDPC码的译码。仿真结果表明,D-GLDPC码相比同码长同码率的LDPC码,在错误比特率和译码收敛速度上有明显的性能提升。     

基于FPGA的WIMAX LDPC码译码器设计与实现

提出了基于TDMP-NMS算法的部分并行LDPC码译码器结构,其具有TDMP算法译码收敛快和NMS算法保持较好误码率性能下实现简单的优点.该译码器支持WIMAX标准中所有码长和码率LDPC码的译码.设计了一种基于桶形移位寄存器的重组网络单元,实现了对该标准中19种码长LDPC码译码的支持.采用一种适合于TDMP算法及其各种简化算法的动态迭代停止准则,使译码器能根据译码情况自适应地调整迭代次数.结果显示所提方案在提高译码器吞吐率的同时有效减少了译码器的硬件资源消耗.     

基于QC-LDPC码的联合信源信道编码研究

基于欧式几何构造的准循环LDPC码(quasi-cyclic LDPC,QC-LDPC)应用于联合信源信道编码(joint source and channel coding,JSCC)系统中,由于JSCC系统中信源码和信道码存在特殊的边连接关系,致使满足信源码字和信道码字之间特殊连接关系的QC-LDPC码字比较少,但至少QC-LDPC码可以用来作为JSCC系统中的信道码.仿真结果表明,双QC-LDPC码的JSCC系统纠错性能相比双随机LDPC码的JSCC系统有明显的改善,同时前者的译码迭代次数明显少于后者,从而提升了译码效率.仅使用QC-LDPC码作为信道码的JSCC系统也比双随机LDPC码的JSCC系统有更好的性能,且其迭代次数也更少.     

基于杨辉三角结构的 QC-LDPC 码构造

针对准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码中准循环基矩阵的移位系数确定问题,提出基于杨辉三角结构的确定方法。该方法构造的校验矩阵不含四环,移位系数由简单的数学表达式确定,编码复杂度与码长呈线性关系,节省存储空间,对码长和码率参数的设计具有较好的灵活性。仿真结果表明:在加性高斯白噪声信道和BP译码算法下,该方法构造的码字在误比特率为10-4时,信噪比优于随机LDPC码接近0.3 dB,在误比特率为10-6时优于DVB-S2标准的LDPC码0.2 dB,并可以获得与IEEE 802.16e码相一致的性能。同时表明合理的选择循环移位矩阵的尺寸,可以改善码字的误比特率性能。     

非规则低密度奇偶校验码译码器的结构设计和优化

提出了一种通用的非规则低密度奇偶校验码译码器,可适用于通过单位阵准循环移位扩展构造的任意行重非规则LDPC码.该译码器通过调整译码存储单元的存储内容而节省了一个交织网络.同时,针对处理非规则LDPC码译码过程中由行列重差异所引起的流水冲突,提出了优化的插入空闲等待时钟周期方法以及预处理方法,有效地避免了流水冲突,从而保证了该译码器的高吞吐量以及译码性能.     

LDPC码高速译码器的设计与实现

通过对LDPC码(低密度奇偶校验码)的迭代译码算法的分析,提出了一种同时能够对两个码字进行译码,使得译码器中的变量节点和校验节点交替被两个码字使用的译码器结构。该结构不仅适用于全并行结构的LDPC码译码器,也适用于目前广泛采用的半并行结构译码器。以此结构为基础,实现了一个长度为1008bit,改进半并行结构的LDPC码译码器。此结构能够充分利用现有半并行结构译码器的逻辑资源,将译码器数据吞吐率提高近一倍。测试结果表明,本文实现的译码器的有效信息速率达到45Mbps。     

基于归并算法的高速LDPC流水线译码器设计与实现

LDPC码是一种纠错能力极强的编码,已广泛用于新一代数字电视,深空探测,卫星通讯等多种领域,基于不同要求出现了许多不同的编码标准,所以定制化的LDPC码译码算法的硬件实现已成为当今的研究热点之一。为满足卫星通信中高速数据传输的需求,使用LDPC码Normalized最小和译码硬件实现算法以及归并算法原理,并结合FPGA适合并行计算的特点,提出一种基于流水线的部分并行LDPC译码的FPGA设计,通过仿真和实验,最终完成满足卫星高速通信需求的LDPC译码器设计。最终使用Altera公司FPGA上完成译码器设计,整个系统在时钟频率为150 MHz的条件下,数据处理速率达到1.5Gb/s以上,数据吞吐率达到750 Mb/s纠错性能优异,完全满足卫星高速数据处理要求。     

基于二维优化的QC-LDPC码构造方法

研究了基于置换阵的QC-LDPC码圈长分布、ACE分布与对应的基矩阵结构之间的关系.在此基础上,提出在PEG构造框架下,联合优化校验矩阵圈长分布和ACE分布的QC-LDPC码构造方案.该构造方法不是单纯的以消除短圈或增加圈的ACE为目的,而是通过对圈长和ACE设定一个合理的约束关系,将ACE小的短圈尽量排除.由于基矩阵维数较少,新构造方法能够以较低的复杂度优化得到自适应多个扩张系数的基矩阵,从而得到一族不同码长的QC-LDPC码.仿真结果表明,在相同码率和节点度分布的条件下,新构造方法得到的一系列不同长度的码字,在BP算法下的性能都要优于IEEE802.16e中对应的QC-LDPC码字.     

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9 216、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。     

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。     

高效低复杂度的QC-LDPC码全并行分层结构译码器

针对传统的部分并行结构低密度奇偶校验码(low-density parity-check codes,LDPC)译码器在保证较高吞吐量的同时,存在消耗硬件资源较大、迭代译码收敛速度较慢等问题,提出一种高效低复杂度的准循环低密度奇偶校验(quasi-cyclic low-density parity-check,QC-LDPC)码全并行分层结构译码器.这种改进的译码器结构可有效降低存储资源消耗,并克服并行处理所导致的访问冲突等问题.设计中,后验概率信息和信道初始化信息共用一个存储模块,降低了一半存储空间的占用.各个分层之间采用相对偏移的方式,实现了分层的全并行更新,提高了译码吞吐量.分层最小和译码算法(layered min-sum decoding algorithm,LMSDA)加速了译码迭代的收敛,进一步提高了吞吐量.经ISE 14.2软件仿真及Virtex7系列开发板验证的结果表明,当译码器工作频率为302.7 MHz、迭代次数为10的情况下,吞吐量可达473.2 Mbit/s,存储资源消耗仅为传统部分并行结构译码器的1/4.     

基于QR码的广义LDPC码的设计与译码算法的研究

广义低密度奇偶校验(generalized low-density parity-check,GLDPC)码可以降低原始低密度奇偶校验(low-density parity-check,LDPC)码的错误平层,但传统GLDPC码的构造方法会造成码率损失较大.鉴于此,采用平方剩余(quadratic residue,QR)码作为分量码,提出一种新颖的GLDPC码构造方法,并设计相应的译码算法.统计给定码字的陷阱集,并利用陷阱集挑选变量节点作为QR码的信息位;把QR码变量节点的校验位补全在原始LDPC码后,从而构造一种GLDPC码,设计出一种适合GLDPC码的两阶段译码算法.仿真结果表明,这种GLDPC码构造方法码率损失比较小,在BER为1×10-9时,GLDPC码与原始LDPC码相比,得到了约0.3 dB的增益.     

基于BP算法的QC_LDPC译码器的DSP实现

为了克服LDPC码BP译码算法硬件实现复杂度大的缺点,针对QC_LDPC码校验矩阵的结构特性,研究了BP算法的特点,并利用TMS320C6747系列DSP作为实现平台,在硬件资源存储、数据精度处理方面提出了改进,成功实现了基于BP算法的QC_LDPC码译码器.系统性能测试表明,经优化的BP算法译码器与理论分析相比,性能基本一致.