低密度奇偶校验码的混叠译码方法及多核协同混叠译码器技术

本发明专利技术涉及一种低密度奇偶校验码的混叠译码方法及多核协同混叠译码器，属于无线通信领域。本发明专利技术的混叠译码方法中，变量节点译码和校验节点译码同时进行，完成低密度奇偶校验码的译码。本发明专利技术的多核协同混叠译码器，采用混叠译码方法，引入循环总线，使循环总线上的变量节点运算单元组、变量节点输出信息储存单元、校验节点运算单元组及校验节点输出信息储存单元四个模块同时工作，实现多核协同混叠译码。本发明专利技术的译码方法和译码器，提高了译码器的吞吐率和硬件逻辑使用效率；而译码器中循环总线的引入，实现多核协同译码，降低硬件逻辑单元和内存块数的消耗，十分有利于高速低资源消耗的低密度奇偶校验码的译码器开发。

【技术实现步骤摘要】
低密度奇偶校验码的混叠译码方法及多核协同混叠译码器
本专利技术涉及一种低密度奇偶校验码的混叠译码方法及多核协同混叠译码器，属于无线通信领域。
技术介绍
低密度奇偶校验码（以下简称LDPC码）具有接近香农理论极限的纠错性能，非常适合宽带通信、无线通信等领域应用。根据不同的技术需求，人们制定了相关的技术标准，其中包括DVB-S2、CCSDS深空/近地卫星通信、IEEE802.16e、CMMB等。这些技术标准采用基于分块和移位单位阵构造的LDPC码，对应的LDPC译码器可以用传统的部分并行结构高效实现。然而，对于基于分块和伪随机交织单位阵构造且传输速率要求高的LDPC码，如我国中继卫星系统规范的LDPC码，传统的部分并行结构实现效率低，在资源有限的FPGA芯片中进行高速编译码器设计仍然是一个难题。基于分块构造的LDPC码可表述成以下结构：具有这种校验矩阵结构的LDPC码可分为两种，一种是基于移位单位阵的LDPC码，如CCSDS深空/近地卫星通信等，这种LDPC码中子矩阵Π1,2为移位单位矩阵。另一类是基于伪随机交织阵的LDPC码，如我国中继卫星系统规范的LDPC码，这种LDPC码的校验矩阵结构简化如下：其中为L×L维的双对角阵；Πi,j为L×L维的伪随机交织单位阵，该子矩阵中每一行仅有1个1，每一列也仅有1个1。与上述基于伪随机交织阵的LDPC码的校验矩阵相对应的传统的部分并行译码器的结构如图1所示。为便于硬件实现，矩阵J拆成两个矩阵：单位阵及I'＝J-I。这样，每一个子矩阵的每一行最多一个1，每一列最多一个1。在图1的结构中，每一个子矩阵正好对应一个内存单元（以下简称RAM），子矩阵所处的列号或者行号即RAM的地址。所有子矩阵的对应RAM构成了图1中的A区域，该区域为消息传递的储存模块。对数似然比信息（简称LLR）储存单元用于储存接收的码字信道信息。判决比特处理单元用于储存译码更正后的码字，并将其信息比特输出。该译码器采用置信传播译码，故译码过程分两个阶段：变量节点译码和校验节点译码。图1中B区和C区分别是校验节点译码单元（以下简称CNU）和变量节点译码单元（以下简称VNU）。当该译码器工作时，其时序如图2所示。每一个迭代周期中，前半个周期仅有变量节点译码，后半个周期仅校验节点译码。由于图1所示的译码器采用的是置信传播（BP）算法，因此其译码时序分成两个阶段：变量节点译码和校验节点译码。从图2的时序中可以看到，这两个阶段分开进行，每次当变量节点译码完成以后，得到校验节点译码所需要的信息，然后校验节点译码才开始。换而言之，在变量节点译码过程中，校验节点译码所占的硬件资源是处于空闲状态，这种低硬件使用效率限制了译码器吞吐率的提升。因此，传统的部分并行译码器的及译码方法，还存在以下缺陷：1、传统的置信传播算法使译码器导致逻辑资源使用效率低，吞吐率很难进一步提升；2、译码器中RAM的总个数偏多，在FPGA实现时，RAM个数占用限制并行核数的增加。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种低密度奇偶校验码的混叠译码方法及多核协同混叠译码器，对已有的部分并行译码器进行改进，使译码方法及译码器具有更低的硬件实现复杂度和更高的硬件使用效率及吞吐率，以适用于基于伪随机交织阵构造的LDPC码的高速译码器。本专利技术提出的低密度奇偶校验码的混叠译码方法，包括以下步骤：（1）低密度奇偶校验码的译码过程使用的校验矩阵的表达式为：其中，Πi,j为一个子方阵，子方阵的列数为L，L=2n,n为整数，该子方阵为0方阵，或者为一个每行只有一个1、每列只有一个1的方阵，设矩阵中的子方阵Πi,j用0或1代替，得到一个基矩阵该基矩阵的列数为Nb，行数为Mb，C1,C2,...,分别为MbL×L的子矩阵，记为宏列，分别为L×NbL的子矩阵，记为宏行；（2）上述校验矩阵中的每一列为译码过程中使用的泰纳图的变量节点v，校验矩阵中的每一行为译码过程中使用的泰纳图的校验节点c，与上述校验矩阵中非零元素所在的行与列相对应的变量节点和校验节点之间有一条边相连，初始化时，设校验节点ci传递给变量节点vj的信息变量节点vj传递给校验节点ci的信息为其中为变量节点vj从无线通信传输信道接收的与调制方式相关的对数似然比信息；（3）将低密度奇偶校验码的译码过程划分为(L+dv+dc)×Titer个译码阶段，其中L为所述校验矩阵中的子方阵的列数，dv为译码器中设定的变量节点的计算延时所占的等效阶段数，dc为译码器中设定的校验节点的计算延时所占的等效阶段数，Titer为译码器用户根据编码增益设定的计算迭代次数；（4）对上述变量节点v进行译码，记为列译码，在第(L+dv+dc)×i译码阶段至第(L+dv+dc)×i+L译码阶段的每个译码阶段中，从步骤（1）的每一列宏列中按从左到右顺序取出一列，对与该列相对应的变量节点进行计算，得到变量节点vj传给校验节点ci的更新信息以及用于对上述步骤（2）中的发送比特进行判决的后验信息计算公式如下：其中，i＝0,1,2,...,Titer-1，为步骤（2）中的对数似然比信息，表示与校验节点ci相连的所有变量节点组成的集合，表示与变量节点vj相连的所有校验节点组成的集合，表示除ci以外与变量节点vj相连的所有校验节点组成的集合，表示未更新的校验节点ci传给变量节点vj的信息；（5）对校验节点进行译码，记为行译码，在第(L+dv+dc)×k+L/2+dv译码阶段到第(L+dv+dc)×(k+1)+L/2-dc译码阶段的每个译码阶段中，从步骤（1）所述的每一宏行中按从上到下的顺序取出一行，对与该行相对应的校验节点进行计算，得到校验节点ci传给变量节点vj的更新信息计算公式如下：其中k＝0,1,2,...,Titer-2，表示变量节点vj传给校验节点ci的未更新信息，β为一参数，取值范围为0到1，sign(x)为一函数，当x为正数时，sign(x)为1，x为负数时，sign(x)为-1，x为0时，以相等的概率取1或-1；（6）根据步骤（4）得到的对变量节点传给校验节点的未更新的信息进行更新，记为列更新，即在第(L+dv+dc)×i+dv译码阶段到第(L+dv+dc)×i+L+dv译码阶段的每个译码阶段，完成以下赋值：（7）根据步骤（5）得到的对校验节点传给变量节点的未更新信息进行更新，记为行更新，即在第(L+dv+dc)×k+L/2+dv+dc译码阶段到第(L+dv+dc)×(k+1)+L/2译码阶段的每个译码阶段，完成以下赋值：（8）信息比特的判决：在第(L+dv+dc)×(Titer-1)译码阶段到第(L+dv+dc)×(Titer-1)+L译码阶段的每个译码阶段中，根据步骤（4）计算得到的后验信息对无线传输信道的接收信息比特进行判决，判决规则为：若大于或等于0，则判定与变量节点vj相对应的接收信息比特为0，若小于0，则判定与变量节点vj相对应的接收信息比特为1，完成低密度奇偶校验码的译码。本专利技术提出的低密度奇偶校验码的多核协同混叠译码器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低密度奇偶校验码的混叠译码方法，其特征在于该混叠译码方法包括以下步骤：（1）低密度奇偶校验码的译码过程使用的校验矩阵的表达式为：其中，Πi,j为一个子方阵，子方阵的列数为L，L=2n,n为整数，该子方阵为0方阵，或者为一个每行只有一个1、每列只有一个1的方阵，设矩阵中的子方阵Πi,j用0或1代替，得到一个基矩阵该基矩阵的列数为Nb，行数为Mb，C1,C2,...,分别为MbL×L的子矩阵，记为宏列，分别为L×NbL的子矩阵，记为宏行；（2）上述校验矩阵中的每一列为译码过程中使用的泰纳图的变量节点v，校验矩阵中的每一行为译码过程中使用的泰纳图的校验节点c，与上述校验矩阵中非零元素所在的行与列相对应的变量节点和校验节点之间有一条边相连，初始化时，设校验节点ci传递给变量节点vj的信息变量节点vj传递给校验节点ci的信息为其中为变量节点vj从无线通信传输信道接收的与调制方式相关的对数似然比信息；（3）将低密度奇偶校验码的译码过程划分为(L+dv+dc)×Titer个译码阶段，其中L为所述校验矩阵中的子方阵的列数，dv为译码器中设定的变量节点的计算延时所占的等效阶段数，dc为译码器中设定的校验节点的计算延时所占的等效阶段数，Titer为译码器用户根据编码增益设定的计算迭代次数；（4）对上述变量节点v进行译码，记为列译码，在第(L+dv+dc)×i译码阶段至第(L+dv+dc)×i+L译码阶段的每个译码阶段中，从步骤（1）的每一列宏列中按从左到右顺序取出一列，对与该列相对应的变量节点进行计算，得到变量节点vj传给校验节点ci的更新信息以及用于对上述步骤（2）中的发送比特进行判决的后验信息计算公式如下：其中，i＝0,1,2,...,Titer‑1，为步骤（2）所述的对数似然比信息；表示与校验节点ci相连的所有变量节点组成的集合，表示与变量节点vj相连的所有校验节点组成的集合，表示除ci以外与变量节点vj相连的所有校验节点组成的集合，表示未更新的校验节点ci传给变量节点vj的信息；（5）对校验节点进行译码，记为行译码，在第(L+dv+dc)×k+L/2+dv译码阶段到第(L+dv+dc)×(k+1)+L/2‑dc译码阶段的每个译码阶段中，从步骤（1）所述的每一宏行中按从上到下的顺序取出一行，对与该行相对应的校验节点进行计算，得到校验节点ci传给变量节点vj的更新信息计算公式如下：其中k＝0,1,2,...,Titer‑2，表示变量节点vj传给校验节点ci的未更新信息，β为一参数，取值范围为0到1，sign(x)为一函数，当x为正数时，sign(x)为1，x为负数时，sign(x)为‑1，x为0时，以相等的概率取1或‑1；（6）根据步骤（4）得到的对变量节点传给校验节点的未更新的信息进行更新，记为列更新，即在第(L+dv+dc)×i+dv译码阶段到第(L+dv+dc)×i+L+dv译码阶段的每个译码阶段，完成以下赋值：Qvj→ciold=Qvj→cinew]]>（7）根据步骤（5）得到的对校验节点传给变量节点的未更新信息进行更新，记为行更新，即在第(L+dv+dc)×k+L/2+dv+dc译码阶段到第(L+dv+dc)×(k+1)+L/2译码阶段的每个译码阶段，完成以下赋值：Rci→vjold=Rci→vjnew]]>（8）信息比特的判决：在第(L+dv+dc)×(Titer‑1)译码阶段到第(L+dv+dc)×(Titer‑1)+L译码阶段的每个译码阶段中，根据步骤（4）计算得到的后验信息对无线传输信道的接收信息比特进行判决，判决规则为：若大于或等于0，则判定与变量节点vj相对应的接收信息比特为0，若小于0，则判定与变量节点vj相对应的接收信息比特为1，完成低密度奇偶校验码的译码。...

【技术特征摘要】
1.一种低密度奇偶校验码的混叠译码方法，其特征在于该混叠译码方法包括以下步骤：(1)低密度奇偶校验码的译码过程使用的校验矩阵的表达式为：其中，Πi,j为一个子方阵，子方阵的列数为L，L＝2n,n为整数，该子方阵为0方阵，或者为一个每行只有一个1、每列只有一个1的方阵，设矩阵中的子方阵Πi,j用0或1代替，得到一个基矩阵该基矩阵的列数为Nb，行数为Mb，分别为MbL×L的子矩阵，记为宏列，分别为L×NbL的子矩阵，记为宏行；(2)上述校验矩阵中的每一列为译码过程中使用的泰纳图的变量节点v，校验矩阵中的每一行为译码过程中使用的泰纳图的校验节点c，与上述校验矩阵中非零元素所在的行与列相对应的变量节点和校验节点之间有一条边相连，初始化时，设校验节点ci传递给变量节点vj的信息变量节点vj传递给校验节点ci的信息为其中为变量节点vj从无线通信传输信道接收的与调制方式相关的对数似然比信息；(3)将低密度奇偶校验码的译码过程划分为(L+dv+dc)×Titer个译码阶段，其中L为所述校验矩阵中的子方阵的列数，dv为译码器中设定的变量节点的计算延时所占的等效阶段数，dc为译码器中设定的校验节点的计算延时所占的等效阶段数，Titer为译码器用户根据编码增益设定的计算迭代次数；(4)对上述变量节点v进行译码，记为列译码，在第(L+dv+dc)×t译码阶段至第(L+dv+dc)×t+L译码阶段的每个译码阶段中，从步骤(1)的每一列宏列中按从左到右顺序取出一列，对与该列相对应的变量节点进行计算，得到变量节点vj传给校验节点ci的更新信息以及用于对上述步骤(2)中的发送比特进行判决的后验信息计算公式如下：其中，t＝0,1,2,...,Titer-1，为步骤(2)所述的对数似然比信息；N(ci)表示与校验节点ci相连的所有变量节点组成的集合，N(vj)表示与变量节点vj相连的所有校验节点组成的集合，N(vj)\ci表示除ci以外与变量节...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷柳国，林柏洪，李琪，陆建华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11