基于FPGA的LDPC码译码器的实现.pdf-资料库

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中山大学硕士学位论文基于FPGA的LDPC码译码器的实现姓名：江恒申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：刘星成20100606

基于FPGA的LDPC码译码器的实现专业：通信与信息系统硕士生：江恒指导教师：刘星成副教授摘要低密度奇偶校验码即LDPC码是Gallager于1962年提出的一种性能接近香农限的好码。随着LDPC码被重新提出，LDPC码的优异性能在信息可靠传输中的良好应用前景，又广泛被IT业界、学术界重视起来。LDPC码被应用在光通信、卫星通信、深空通信、第4代移动通信系统、高速与甚高速率数字用户线、光和磁记录系统等。LDPC码已经成为当今信道编码领域最受瞩目的研究热点之一，在更多应用前景下取代Turbo码的趋势已经十分明显。基于LDPC码的良好性能表现，LDPC编码将更多地运用在高速高质量环境下，目前已经成为WiMax、DVB．S2、UWB等通信系统中信道编码标准。本文采用LDPC码的一般编码方法——高斯消元法。由于LDPC码的BP译码算法计算复杂，本文基于J．Chert和M．Fossorier等人提出的将归一化引入BP算法的思想，利用基于对数似然比的BP算法(LLR．BP)，实现了LDPC码硬件译码器。尽管纠错性能上有所损失，但LDPC码译码器设计及其硬件实现本身具有一定的实用意义。本文研究工作的创新点主要包括：1．提出一种基于FPGA的LDPC码译码器的硬件实现方法；2．在FPGA中实现接口通信，通过USB2．0协议与PC端互联，利用编写的软件对硬件译码器与PC端的数据交互进行控制；3．分析了LDPC码译码器切实可行的实现方法，力争解决译码延时长、硬件资源耗费多等缺点。针对LDPC码的特点，编写与其相适应的接口控制模块。关键词：LDPC码对数似然LLBP算法FPGALDPC译码器接口控制模块

ImplementationofDecoderforLDPCCodesBasedonFPGAMajor：Name：CommunicationandInformationSystemJiangHengSupervisor：AssociateProfessorLiuXingchengAbstractLowDensityParityCheck(LDPC)codesproposedbyGallagerin1962areacategoryofcodes谢tllgoodperformanceofbeingclosedtoShannonlimit．AstheLDPCcodesreproposed，thefactthatthegoodperformancehasaniceappliedprospectinreliableinformationtransmissionhascausedwideconcernsfromITindustryandacademiccircles．LDPCcodesareextensivelyusedinthefieldsofPhotoCommunication，SatelliteCommunication，DeepSpaceCommunication,4GHDSLandVDSL，OpticalMagneticRecording，etc．LDPCcodeshavealreadybeenoneofthemostpopularresearchhighlightinthefieldofchannelcoding．ItisobviousthatLDPCcodeswillreplaceTurbocodesinmoreapplicationscenarios．GiventhegoodperformanceofLDPCcodes，LDPCcodeswillhaveagreaterapplicationprospectinthehi曲speededandqualitiedsituation．Currently,LDPCcodeshavebecomethechannelcodingstandardofcommunicationsystemsuch嬲WiMax，DVB—S2，UWB，ere．ThisthesisadoptsacommonLDPCencodingmethod—Gaussianmethod．Consideringthehi曲complexityofLDPCcodes’BPdecodealgorithm，thisthesisdependentonNormalizedBPdecodealgorithmproposedbyJ．ChenandM．FossorieretalappliesLLR-BPdecodealgorithmtoreducethedecodingcomplexity,thenLDPCdecoderhaSbeenimplementedbyusingFPGAtechnology．NotwithstandingIII

theperformanceloss，thedesignofLDPCdecoderandhardwareimplementationitselfhasspecificsignificance．rnlecoreandinnovationofthisarticlemainlyincludes：1．ProposeaLDPCdecoderimplementmethodbyusingFPGAtechnology．2．RealizetheFPGA’Sinterfacecommunication,andinterconnectswithPCunderUSB2．0protocol，andalsoappliescodedsoftwaretocontrolthedatatrasitionbetweenFPGAandPC．3．AnalizeapracticalimplementmethodofLDPCdecoder,andstrivetosolvethedrawbacksuchaslongdelayandhighhardwareresourceconsumption．PrograminterfacecontrolmodulesuitedtoI．DPCcodes．KeyWords：LowDensityParityCheck(LDPC)codes，LLR-BPdecodealgorithm，FPGA，LDPCDecoder，InterfaceControlModuleIV

原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：；工-I．亘日期：2。b年6月牛日

学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名：江-】．亘日期：2,1D年‘月4日导师签名：日期：zD易年纸／日磊4励■阳

第1章绪论本章主要介绍信道编码发展的历史以及LDPC码的理论知识与应用现状和前景，然后对本研究课题的背景进行了简单概述，最后给出了本论文的研究内容和主要创新点。1．1信道编码的发展简史通信的主要任务是将信息快速并且准确无误地从信源发送到接收方，即时可靠的通信对于人类生产以及生活发挥着十分重要的意义，所以人类一直在不断追求信息的无差错传输，但由于传播途径中各种噪声的不断干扰往往事与愿违。1948年，美国BELL实验室的Shannon发表了一篇著名的论文“Amathematicaltheoryofcommunication”【1】，这篇论文所提出的理论被认为是现代通信的基础。Shannon在论文中提出了著名的Shannon信道编码定理，定理指出如果一个有扰信道容量为C，而在此信道中传输的信息速率为R，只要满足R雯，若用最大似然译码，当码长越长时其译码错误概率可以任意小。反之，若R>C，则一定无法实现信息无差错传输。其中C=Wl092(1+S／1X1)，W为信道带宽，S为信号功率，N为噪声功率。由此可见，虽然不能做到最完美的无差错通信，但是通过信道编码可以有效地提高信道可靠性以降低信息的误码率。Shannon在有扰信道编码定理中提出了实现最佳编码的三个条件：1．采用随机编码方式。2．码长趋向于无穷。3．采用最大似然译码算法对于前两个条件，可以保证码本身的优异性，第三个条件基于最优纠错译码为出发点。但在实际通信中，第二个条件是物理上不可实现的，而第三个条件的最大似然译码在硬件实现上是非常复杂的，很难直接应用到实际工程中，因此第

中山大学硕士学位论文二、三个条件都有比较大的应用限制，这两个条件制约了信道编码研究的重大理论突破；而随机编码是信道通信编码的精髓，其核心的思想是将错误信息比特位置随机化分布，从而使错误比特前后的关联降低，这样才能从本质上提高译码性能。Shannon的信道编码定理证明了信道容量的存在，奠定了无差错通信的研究方向和理论基础，为后续的一些研究者们指引了一条研究方向。1950年汉明发表了可以纠正单个随机错误的编码方案——Hamming码【2】，Hamming码是第一个具有实用性的线性分组码，它为之后进行的分组码研究奠定了基础。1954年，Golay对Hamming码编码效率低并且只能纠正单个错误的缺点进行了改善，提出了Golay码【3】。汉明码被提出将近十年时间后，霍昆格姆(Hocquenghem)于1959年，博斯(Bose)和雷一查德胡里(RayChaudhuri)于1960年提出了能够纠正多个随机错误的循环码一BCH码，以及BCH码的构造方法。BCH码是迄今为止所发现的一类很好的线性纠错码，其纠错能力强，在短中码长下性能非常接近理论值，并且构造方便，编码简单。1966年伯利坎普(Berlekamp)利用迭代算法对BCH码进行译码，大大加快了译码速度，解决了BCH码实际中的译码问题[4】。与BCH码被提出的同年，作为BCH码的特例，Reed和Solomon发现RS码【5】。作为信道编码的标准之一，RS码被广泛应用在磁盘存储、深空通信、无线通信等多个领域。1962年，Gallager提出了一类特殊的线性分组码，低密度奇偶校验码(Low-DensityParity—Checkcodes，LDPC码)【6】。卷积码是1955年由爱里斯(Elias)提出的，它在编码中充分利用了前后码字之间的相关性。在同等条件下，卷积码在信息位和码长小于分组码时，其性能要优于分组码。1961年，Wozencraft和Reiffen提出了卷积码序列译码算法【7】，1963年R．Fano改进了该算法[8】。Viterbi于1967年提出了著名的卷积码译码算法：Viterbi译码算法【9】，该算法是一种最大似然译码算法，可以获得最佳的译码性能，实现复杂度不高，在理论和实际应用中得到了广泛的发展和运用。卷积码不仅在实时通信中得到广泛应用，而且也广泛应用在卫星通信，深空通信等许多领域。1965年，Forney提出了级联码，思想是将较短的码串行级联在一起，构造出纠错能力强的级联码(Concatenatedcodes)[10]。1982年由Ungerboeck提出的TCM(TrelIisCodedModulation)技术促进了卷积码进一步的发展和应用，被编码2

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