高吞吐量LDPC码编码构造及其FPGA实现

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1、摘要高吞吐量LDPC码编码构造及其FPGA实现摘要低密度校验码（LDPC，LowDensityParityCheckCode）是一种性能接近香农极限的信道编码，已被广泛地采用到各种无线通信领域标准中，包括我国的数字电视地面传输标准、欧洲第二代卫星数字视频广播标准（DVB-S2,DigitalVideoBroadcasting-Satellite2）、IEEE802.11n、IEEE802.16e等。它是3G乃至将来4G通信系统中的核心技术之一。当今LDPC码构造的主流方向有两个，分别是结合准循环（QC,QuasiCyclic）移位结构的单次扩展构造和类似重复累积（RA,Re

2、peatAccumulate）码构造。相应地，主要的LDPC码编码算法有基于生成矩阵的算法和基于迭代译码的算法。基于生成矩阵的编码算法吞吐量高，但是需要较多的寄存器和ROM资源；基于迭代译码的编码算法实现简单，但是吞吐量不高，且不容易构造高性能的好码。本文在研究了上述几种码构造和编码算法之后，结合编译码器综合实现的复杂度考虑，提出了一种切实可行的基于二次扩展（DEx,DuplexExpansion）的QC-LDPC码构造方法，以实现高吞吐量的LDPC码收发端；并且充分利用该类码校验矩阵准循环移位结构的特点，结合RU算法，提出了一种新编码器的设计方案。基于二次扩展的QC-LD

3、PC码构造方法，是通过对母矩阵先后进行乱序扩展（PEx，PermutationExpansion）和循环移位扩展（CSEx，CyclicShiftExpansion）实现的。在此基础上，为了实现可变码长、可变码率，一般编译码器需同时支持多个乱序扩展和循环移位扩展的扩展因子。本文所述二次扩展构造方法的特点在于，固定循环移位扩展的扩展因子大小不变，支持多个乱序扩展的扩展因子，使得译码器结构得以精简；构造得到的码字具有近似规则码的结构，便于硬件实现；（伪）随机生成的循环移位系数能够提高码字的误码性能，是对硬件实现和误码性能的一种折中。第I页摘要新编码器在很大程度上考虑了资源的复用

4、，使得实现复杂度近似与码长成正比。考虑到吞吐量的要求，新编码器结构完全抛弃了RU算法中串行的前向替换（FS,ForwardSubstitution）模块，同时简化了流水线结构，由原先RU算法的6级降低为4级；为了缩短编码延时，设计时安排每一级流水线计算所需的时钟数大致相同。这种码字构造和编码联合设计方案具有以下优势：相比RU算法，新方案对可变码长、可变码率的支持更灵活，吞吐量也更大；相比基于生成矩阵的编码算法，新方案节省了50%以上的寄存器和ROM资源，单位资源下的吞吐量更大；相比类似重复累积码结构的基于迭代译码的编码算法，新方案使高性能LDPC码的构造更为方便。以上结果都

5、在XilinxVirtexIIpro70FPGA上得到验证。通过在实验板上实测表明，上述基于二次扩展的QC-LDPC码构造和相应的编码方案能够实现高吞吐量LDPC码收发端，在实际应用中具有很高的价值。目前，LDPC码正向着非规则、自适应、信源信道及调制联合编码方向发展。跨层联合编码的构造方法，及其对应的编码算法，也必将成为信道编码理论未来的研究重点。关键词：低密度校验码，重复累积码，编码器，现场可编程门阵列第II页ABSTRACTCODECONSTRUCTIONANDENCODERIMPLEMENTATIONOFHIGHPAYLOADLOWDENSITYPARITYCHEC

6、KCODEABSTRACTLDPCcodesperformclosetotheShannonlimit.Ithasbeenwidelyadoptedbystandardsinthefieldofwirelesscommunication,includingDVB-TH,DVB-S2,IEEE802.11nandIEEE802.16e.LDPCcodeshavebecomeoneofthekeytechnologiesin3Gandeventhenextgenerationcommunicationnetwork.Today,therearetwopopularwaysofc

7、onstructingLDPCcodes,namelySingleExpansioncodeconstructionandRepeatAccumulatelikecodeconstruction,bothofwhichtakeadvantageoftheQuasiCyclicstructure.CorrespondingtothetwokindsofLDPCcodes,twopopularencodingalgorithmsapply,namelyalgorithmbasedongenerationmatrixan