LDPC编译码技术的研究与实现

电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目LDPC编译码技术的研究与实现学科专业通信与信息系统学号201221010415作者姓名孔宪章指导教师阎波教授分类号密级UDC注1学位论文LDPC编译码技术的研究与实现（题名和副题名）孔宪章（作者姓名）指导教师阎波教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业通信与信息系统提交论文日期2015.03.26论文答辩日期2015.05.19学位授予单位和日期电子科技大学2015年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。RESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFTHELDPCTECHNOLOGYOFENCODINGANDDECODINGAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:CommunicationandInformationSystemAuthor:XianzhangKongAdvisor:Prof.BoYanSchool:SchoolofCommunicationandInformationEngineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要当今时代，移动通信发展迅速，已经进入到人们生活的各个方面，给人们的工作和生活带来极大的便利。纠错编码技术的应用对移动通信技术的实现起到了关键的作用。LDPC（LowDensityParityCheckcode）码是纠错编码技术中一种能够逼近香农极限的“好码”。本文基于802.16e协议实现了一个多码长多码率的高速QC-LDPC编码器和译码器。首先，分别通过对编码和译码算法进行了研究。LDPC编码算法主要有高斯消元法、Efficient算法等，本文选择了适合802.16e协议中准双对角线校验矩阵的简化Efficient编码算法。在编码的硬件实现过程中，采用了流水线和部分并行结构，实现了高速编码器。LDPC译码算法主要研究了基于概率测度的BP译码算法、基于LLR的BP译码算法、归一化最小和译码算法等算法。最终的实现选择了适合FPGA硬件实现的归一化最小和译码算法。在实现结构方面，对TPMP和TDMP两种实现结构进行了仿真对比，最终选择了收敛速度快、迭代次数少的TDMP实现结构，即水平分层迭代结构。最终实现的译码器可以信噪比为2.5dB时，BER可以达到10-6。另外，为了实现高速译码器的目标，译码器的实现过程中采用了乒乓操作、流水线结构、四个码字同时译码等结构来提高译码器的吞吐率。本文利用Xilinx公司的XC705开发板实现了多码长多码率的QC-LDPC高速编码器和译码器，码长最大支持2304，码率支持1/2、2/3、3/4和5/6。编码器的时钟频率为250MHz，吞吐率为13.7Gbps。译码器实现了最大时钟频率为250MHz、最大吞吐率为1.65Gbps的高速译码器。关键词：QC-LDPC，TDMP，Efficient算法，归一化最小和译码算法，FPGAABSTRACTIIABSTRACTNowadays,mobilecommunicationdevelopsrapidlyandithasmadeagreateffectoneveryaspectofpeople’slifeandhasbroughtmuchconveniencetothem.Theapplica-tionofErrorCorrectionofCodingplaysakeyroleinmobilecommunicationtechnolo-gy.LDPC(LowDensityParityCheck)codeisonekindofErrorCorrectionofCodingwhichisagoodcodebecauseofitsnearShannonlimitperformanceinthehighcoderaterange.ThisthesishascompletedaQC-LDPCcoderanddecoderwhichissuitedformulticodelengthandmulticoderatebasedon802.16e.Thealgorithmofcodinganddecodinghasbeenstudied.ThecodingalgorithmismainlyGaussianeliminationmethodandEfficientCodingAlgorithm.WechoosedtheEfficientAlgorithmwhichissuitedforthestructureofquasi-doublediagonalin802.16e.InordertocompletethehighspeedLDPCcoder,wemakefulluseofthepipelineandpartial-parallelstructure.ThisthesismadeadescriptionoftheLDPCdecodingalgorithmsuchasbeliefpropagationdecodingalgorithmandnormalizedmin-sumdecodingalgorithm.Finally,wechoosedthelaterone.Wefocusedontwokindsofimplementationstructures—TDMPandTPMP.TheiterationsofTDMPstructureisless50%thanTPMPstructure.Afterthecomparison,weusedtheTDMPstructureindecoding.TheBERofthesystemcanachieve10-6whenSNRis2.5dB.Besides,theimplementationofLDPCdecodingalsousedthePing-Pongoperatingandpipelinetechnologytoimprovetheperformanceofthedecoders.ThethesishasmadeacomplementationofaQC-LDPCcoderanddecoderonXC705boardofXilinxwhichismulticodelengthandcoderate.Themaximumcodelengthis2304andthecoderateis1/2,2/3,3/4and5/6.Themaximumfrequencyofthesystemis250MHzandthethroughputofcoderanddecoderis13.7Gbpsand1.65Gbps.Keywords:QC-LDPC,TDMP,EfficientAlgorithm,NormalizedMSA,FPGA目录III目录第一章绪论.............................................................................................................11.1数字通信系统与信道编码.......................................................................11.2LDPC码的发展历史与研究现状...........................................................31.3论文内容安排...........................................................................................4第二章LDPC码基础理论......................................................................................62.1LDPC码的基本概念...............................................................................62.1.1校验矩阵表示法.............................................................................62.1.2Tanner图表示法.............................................................................72.2LDPC码关键性能参数...........................................................................82.2.1度分布序列....................................................................................82.2.2环....................................................................................................92.3LDPC码的构造方法...............................................................................92.3.1随机构造法.....................................................................................92.3.2结构化构造方法............................................................................112.4QC-LDPC码的基本概念......................................................................122.4.1QC-LDPC码的基本概念和特点................................................122.4.2IEEE802.16e协议中QC-LDPC码的应用.................................122.5本章小结.................................................................................................13第三章LDPC编码算法研究及硬件实现设计....................................