[發明專利]通用型高速LDPC碼編碼方法及編碼器

在審

• 申請號: 201611136149.8
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106603082A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 雷菁;李二保;楊奇;陳全坤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H03M13/11
• 分類號: H03M13/11;H03M13/00
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 陳立新

技術領域

本發明涉及無線通信領域，其針對發送端信道編碼器大吞吐量的需求，設計和實現了一種通用型高速低密度奇偶校驗碼(LDPC碼)編碼方法及編碼器。

背景技術

隨著高速數據傳輸業務的快速發展，人們對信息傳輸的質量和速率要求越來越高，高速LDPC碼編譯碼器在通信系統中的應用需求更加強烈。在固有的信道環境下，如何既滿足越來越高的數據傳輸速率要求，又保證信息傳輸的可靠性，是信道編碼技術研究的主要任務和目標。

LDPC碼是一種線性分組碼，由Gallager博士于1963年在其博士論文中首次提出。作為一種性能優良的信道編碼，LDPC碼校驗矩陣具有稀疏特性，不僅描述簡單、編譯碼復雜度比較低，而且錯誤平臺較低，后被證明距香農限僅0.0045dB，編譯碼可以實現硬件并行處理，在現行通信標準中得到了廣泛應用。LDPC碼是Turbo碼的強有力競爭者，并且性能逐漸優于Turbo碼。

人們對LDPC碼的批評主要集中在高編碼復雜度上，如何實現快速編碼一直是LDPC碼的一個研究熱點。具有代表性的主要有以下幾種：(1)基于LU分解的編碼，即對校驗矩陣進行LU分解，利用前后迭代進行編碼，其優點是能夠保持校驗矩陣的稀疏特性，運算復雜度與碼長成線性關系；缺點是預處理復雜度較高，需要尋找優良的分解方法以保持矩陣的稀疏性，前后迭代運算時延較大。(2)基于近似下三角矩陣的編碼，對校驗矩陣不作高斯消元，而是進行行列置換，得到近似下三角的矩陣結構，從而通過對檢驗矩陣進行分解，對編碼過程分步計算，降低編碼復雜度。Richardson給出了將檢驗矩陣通過行列置換變的貪心算法，但此算法對長碼進行置換時復雜度仍然較高。(3)基于準循環LDPC碼的編碼。準循環LDPC碼具有一定簡單編碼結構，不但可以釆用循環移位寄存器的進行存儲，還可以采取并行譯碼的結構進行譯碼，降低了存儲資源和硬件實現的復雜度，不足之處是對校驗矩陣具有更加特殊的要求，對一般LDPC碼、特別是隨機構造的LDPC碼不具備通用性。

上述編碼算法都對編碼復雜度進行了一定優化，但同時也有一定的局限性，后兩種方法的缺陷是對碼的結構具有一定要求，對一般LDPC碼、特別是隨機構造的LDPC碼的適用性不強；在硬件電路的設計上，三種編碼方案都是用迭代的方式處理，邏輯電路的并行度不夠高，一定程度上增大了編碼延時。

發明內容

在節約硬件資源的前提下，為最大限度的降低編碼時延、提高編碼器速率，本發明從編碼算法的通用性出發，提出一種通用型高速LDPC碼編碼方法及編碼器，該方法將LDPC碼的校驗矩陣通過行列置換和高斯消元，使每個校驗位的運算只與預處理后矩陣的對應行相關，具備了可以靈活并行處理的結構；在編碼器的硬件設計上，本發明提出了一種校驗位并行分步運算的編碼器架構，通過同時計算所有校驗位，分步處理單個校驗位，有效地降低了硬件實現復雜度，縮短了關鍵路徑時延，實現了編碼速率的極大提高。此外，本發明所述裝置采用(4480,3920)LDPC碼，基于Xilinx公司的Virtext-7系列芯片，實現了通用型的高速LDPC碼編碼器，可以應用在速率為15.1Gbps的高速數據傳輸系統中。

本發明采用的技術方案為：一種基于高斯消元的通用型高速LDPC碼編碼方法，主要包括以下步驟：

步驟一、對LDPC碼的校驗矩陣進行預處理：

對于一個(n,k)LDPC碼，設碼字空間為C，校驗序列用p表示，信息序列用s表示，則其碼長為n，信息位個數為k，校驗位個數為m，m＝n-k，則LDPC碼可以由校驗矩陣H唯一確定和描述，矩陣大小為m×n。

校驗矩陣H的每一行對應一個校驗方程，每一列對應碼字中的一個比特。例如，對于一個(12,6)LDPC碼的校驗矩陣H，設向量c＝[c₁,c₂,c₃,…,c₁₂]，當且僅當滿足：

H×c^T＝0(1)

時，c是該碼的一個碼字，下式表示該碼的校驗矩陣和對應的校驗方程。

線性分組碼通過校驗矩陣進行編碼，是利用的碼字空間C與校驗矩陣H的正交性來求得碼字：

c×H^T＝0(3)