一種輸出格式可控的多碼率LDPC編碼器實(shí)現(xiàn)
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目前，LDPC碼已廣泛應(yīng)用于深空通信、光纖通信、數(shù)字音視頻廣播等領(lǐng)域。由于有著較Turbo碼更優(yōu)秀的性能，LDPC碼已成為第四代移動(dòng)通信(4G)系統(tǒng)信道編碼方案強(qiáng)有力的競爭者。在數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)中，為了滿足不同信道條件和不同接收設(shè)備的用戶需要，信道編碼往往需要和多種調(diào)制方式配合。以便在不同的場合下可以靈活應(yīng)用。這就要求通信系統(tǒng)的信道編碼模塊的輸出碼流寬度具備一定的靈活性，給編碼后的符號映射模塊提供最佳的碼流格式，提高編碼器的通用性，降低符號映射設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。我國數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)(DTMB標(biāo)準(zhǔn))采用三種碼率的LDPC碼、五種不同的符號映射方式。為得到較好的通用性，LDPC編碼器不僅需要同時(shí)支持三種碼率的LDPC碼．而且輸出的碼流格式需要靈活可控，以便符合五種符號映射方式的最佳碼流格式。這里主要針對這種情況，使用Verilog硬件描述語言在FPGA芯片上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LDPC編碼器，并測試驗(yàn)證該編碼器的正確性。
1 DTMB標(biāo)準(zhǔn)中的LDPC編碼與符號映射
DTMB標(biāo)準(zhǔn)中的LDPC碼屬于準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼，其生成矩陣具有如式(1)所示的格式。
式中：Gi,j為b×b的循環(huán)方陣，1≤i≤k-c，1≤j≤c；I為b×b的單位陣；o為b×b的零方陣。
DTMB標(biāo)準(zhǔn)支持0．4，0．6，0．8三種碼率的LDPC碼。碼率為0．4的LDPC(7493，3048)碼的生成矩陣Gqc具有參數(shù)k=24，c=35和b=127；碼率為0．6的LDPC(7493．4572)碼的生成矩陣Gqc具有參數(shù)k=36，c=23和b=127；碼率為0．8的LDPC(7493，6096)碼的生成矩陣Gqc具有參數(shù)k=48，c=11和b=127。假設(shè)信息序列為S，碼字序列為C，LDPC編碼可利用等式C=S×Gqc。由系統(tǒng)碼的特點(diǎn)可知，信息序列與Gqc前半部分相乘得到校驗(yàn)位，然后在校驗(yàn)位后面加上信息序列就是碼字序列。求校驗(yàn)位時(shí)具體的做法是，信息序列S與Gqc的第1列乘得到第1個(gè)校驗(yàn)位，信息序列S與Gqc的第2列乘得到第2個(gè)校驗(yàn)位，以此類推直到c-1列，可以求得所有c個(gè)校驗(yàn)位。
DTMB系統(tǒng)中的碼流經(jīng)過LDPC編碼后，刪除前五個(gè)校驗(yàn)比特，接著映射成均勻的符號流。DTMB標(biāo)準(zhǔn)包含64QAM，32QAM，16QAM，4QAM，4QAM=NR五種符號映射關(guān)系，各種符號映射加入相應(yīng)的功率歸一化因子，使各種符號映射的平均功率趨同。對于64QAM，由于每6 b對應(yīng)于1個(gè)星座符號，因此最佳的輸入碼流寬度為6。類似地，對于32QAM，每5 b對應(yīng)于1個(gè)星座符號，最佳輸入碼流寬度為5；對于16QAM，每4 b對應(yīng)于1個(gè)星座符號，最佳碼流寬度為4；對于4QAM，每2 b對應(yīng)于1個(gè)星座符號，最佳輸入碼流寬度為2。而4QAM-NR映射方式需在4QAM符號映射之前增加NR準(zhǔn)正交編碼映射，由于編碼后的數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行基于比特的卷積交織，因此最佳的輸入碼流格式為串行數(shù)據(jù)。
2 編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
由前文的分析可知，LDPC編碼器不僅需要同時(shí)支持三種碼率的編碼，而且為了實(shí)現(xiàn)與符號映射方式的最佳配合，編碼后的輸出碼流必須支持1，2，4，5，6位可控。在此采用圖1的硬件實(shí)現(xiàn)方案，整個(gè)編碼器可分為7個(gè)模塊。
(1)運(yùn)算模塊。負(fù)責(zé)校驗(yàn)位的計(jì)算。式(1)中的每個(gè)Gi,j矩陣都是127×127的方陣，所以可將輸入的信息序列分為長度為127的k個(gè)小段，編碼就可以分解為k個(gè)子過程。編碼核心部分采用文獻(xiàn)[7]提出的串行輸入／并行輸出的SRAA電路，如圖2所示。其中B存儲Gi,j的生成多項(xiàng)式(矩陣第一行)，A用來存儲運(yùn)算的中間結(jié)果。由于式(1)中的Gi,j是循環(huán)方陣，它的每一行都是上一行的向右移移位，而第一行是最后一行向右移一位；每一列都是左一列向下移一位，而第一列是最后一列向下移一位，所以在每126個(gè)時(shí)鐘內(nèi)B中數(shù)據(jù)每隔一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行一次循環(huán)右移，126個(gè)時(shí)鐘后，讀入下一個(gè)Gi,j的生成多項(xiàng)式。如此循環(huán)計(jì)算，即可得到所有的校驗(yàn)位。單獨(dú)考慮DTMB標(biāo)準(zhǔn)中0．4，0．6，0．8三種碼率的的編碼，分別需要35，23，11個(gè)SRAA電路并行才能完成所有的校驗(yàn)位獲取。因而為了實(shí)現(xiàn)三種碼率編碼器資源的復(fù)用，并且綜合考慮運(yùn)算速度，在此采用35個(gè)SRAA電路并行的方案。
(2)生成矩陣存儲模塊。DTMB標(biāo)準(zhǔn)中三種碼率的生成矩陣G1，G2，G3，所需存儲的總比特?cái)?shù)是固定的。如果按一般的方案存儲，那么35個(gè)并行SRAA電路須對應(yīng)寬度為35×127=4 445，深度為24+36+48=108的存儲空間。針對FPGA中BlockRAM深度大，寬度小的狹長形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存儲的數(shù)據(jù)如果寬度大，深度小就會造成FPGA中存儲資源的大量浪費(fèi)，所以在此采取如圖3所示的存儲方案，把每個(gè)SRAA電路所用到的數(shù)據(jù)存儲在一個(gè)ROM中，這樣一共只需要35個(gè)存儲結(jié)構(gòu)，第1～11個(gè)的寬度為127，深度為24+36+48=108；第2～23個(gè)的寬度為127，深度為24+36=60；第24～35個(gè)的寬度為127，深度為48。
(3)地址生成控制模塊。按照一定的時(shí)序，輸出生成矩陣存儲ROM的讀地址，每隔126個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)load使能信號，從ROM中讀出SRAA運(yùn)算模塊所需要的生成多項(xiàng)式。同時(shí)也根據(jù)采用碼率的不同，產(chǎn)生ROM的使能信號，選擇不同碼率LDPC碼所對應(yīng)的生成矩陣存儲塊。
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