Non-binary LDPC码译码器的设计与实现

论文摘要

低密度奇偶校验（low-density parity check, LDPC）码由Gallager于19世纪60年代初期首次提出。但直到1981年,Tanner才从图的观点提供了一种对LDPC码的全新阐释。90年代末期一些编码研究人员才开始研究图编码和迭代译码。他们的工作导致了对LDPC码的重新发现和进一步推广。基于置信度传播迭代译码的长LDPC码已经被证明能够获得接近香农极限的误码性能。然而,在实际的通信系统中,当码长较短或者使用高阶调制时,传统的LDPC （binary LDPC）码表现出明显的性能损失。高阶伽罗华域上的LDPC （Non-binary LDPC, NB-LDPC）码在此时表现出较大的优势。设计高性能的NB-LDPC译码器是当前研究热点之一。基于此,本文在深入分析Sum product algorithm （SPA）、MAX-LOG-SPA等算法的基础上提出了一种面向硬件实现的新算法HOM-LOG-SPA。 HOM-LOG-SPA是一种对数域上基于置信度传播的算法,以MAX-LOG-SPA为基础,也只包含加法和比较操作,利用校验方程解的特殊排列组合,通过分层实现加法和比较操作（layered summation comparison, LSC）,以较少的运算次数完成了行操作。与MAX-LOG-SPA相比,HOM-LOG-SPA具有与之相同的译码性能,但行操作运算复杂度降低了p-2倍,其中p为校验矩阵的行重。与SPA相比,只有很小的性能损失。在算法仿真的基础上,提出了基于LSC的NB-LDPC译码器架构。此外,该架构采用特殊的RAM组织方式,保证了译码算法的并行度,解决了并行运算过程可能产生的诸如数据相关性、存储器访问冲突等问题。基于以上关键算法和结构的研究,设计并实现了二阶扩展域上规则LDPC码通用译码器。以上关键技术都通过搭建基于FPGA的NB-LDPC编译码系统得到了验证和测试。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 设计背景
• 1.1.1 数字通信系统简介
• 1.1.2 LDPC码的发展与现状
• 1.2 本文工作与内容安排
• 1.2.1 本文工作
• 1.2.2 论文内容安排
• 1.3 本章小结
• 第二章 NB-LDPC编译码系统设计
• 2.1 NB-LDPC码简介
• 2.1.1 NB-LDPC的定义
• 2.1.2 NB-LDPC的表示方式
• 2.1.3 重要参数
• 2.2 NB-LDPC编译码系统
• 2.2.1 编码
• 2.2.2 调制
• 2.2.3 信道
• 2.2.4 解调
• 2.2.5 译码器
• 2.3 本章小结
• 第三章 NB-LDPC译码算法介绍
• 3.1 SPA
• 3.2 LOG-SPA
• 3.3 MAX-LOG-SPA
• 3.4 HOM-LOG-SPA
• 3.5 译码算法性能分析
• 3.5.1 迭代次数分析
• 3.5.2 不同算法的比较
• 3.5.3 不同阶上性能比较
• 3.5.4 浮点数到定点数的转换分析
• 3.5.5 算法复杂度分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 NB-LDPC译码器的VLSI设计
• 4.1 译码器架构
• 4.2 Initialization Unit
• 4.2.1 Lch的计算
• 4.2.2 Ln2m初始值的计算
• 4.3 Vertical Top Unit（VTU）
• 4.3.1 VTU结构
• 4.3.2 VSU
• 4.4 Horizontal Update Unit（HUU）和Tentative Decoding Unit（TDU）
• 4.5 本章小结
• 第五章 FPGA的实现与验证
• 5.1 Non-binary LDPC编码器实现
• 5.1.1 编码器架构
• 5.1.2 GMRAM和SSRAM
• 5.1.3 Random Symbol Generator
• 5.1.4 Encode Logical Control Unit（ELCU）
• 5.1.5 Encoder
• 5.1.6 编码器仿真与测试
• 5.1.7 综合报告
• 5.2 AWGN信道的实现
• 5.2.1 AWGN信道架构
• 5.2.2 AWGN发生器
• 5.2.3 信道控制单元（CCU）
• 5.2.4 仿真结果
• 5.2.5 综合报告
• 5.3 NB-LDPC译码器的实现
• 5.3.1 Initialization Unit
• 5.3.2 Vertical Update Unit
• 5.3.3 Horizontal Update和Tentative Decoding Unit
• 5.3.4 译码器仿真结果
• 5.3.5 译码器性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢