專利名稱：基于并行濾波的深空通信中l(wèi)dpc編碼器和編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深空數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，特別涉及一種CCSDS深空通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼編碼器的高效實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
由于在傳輸信道中存在的各種失真和噪聲會(huì)對(duì)發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生干擾，接收端不可避免地會(huì)出現(xiàn)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生誤碼的情況。為了降低誤碼率，需要采用信道編碼技術(shù)。低密度奇偶校驗(yàn)(Low-Density Parity-Check, LDPC)碼以其逼近Shannon限的優(yōu)異性能成為信道編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼(Quasic-LDPC，QC-LDPC)碼是一種特殊的LDPC碼,其編碼可采用移位寄存器加累加器(Shift-Register-Adder-Accumulator ，SRAA)加以實(shí)現(xiàn)。SRAA法是利用生成矩陣G進(jìn)行編碼。QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gi,」(I彡i彡a, I彡j彡t)構(gòu)成的陣列，t=a+c。與信息向量對(duì)應(yīng)的一部分生成矩陣是單位矩陣，與校驗(yàn)向量對(duì)應(yīng)的其余部分生成矩陣是高密度矩陣。串行SRAA法完成一次編碼需要ab+t個(gè)時(shí)鐘周期,需要(t+c)b個(gè)寄存器、cb個(gè)二輸入與門和cb個(gè)二輸入異或門。此外，還需要acb比特ROM存儲(chǔ)循環(huán)矩陣的首行。CCSDS深空通信系統(tǒng)推薦了 9種QC-LDPC碼，其中碼率η分為1/2、2/3和4/5三種，b分為32、64、128、256、512、1024和2048七種。如圖I所示，η和b共有9種有效組合(n,b) (4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2，2048)，對(duì)應(yīng) 9 種 QC-LDPC 碼。對(duì)于所有 QC-LDPC 碼，均有 c=12。圖 2給出了不同碼率Π下的參數(shù)a和t。CCSDS深空通信系統(tǒng)中QC-LDPC編碼的現(xiàn)有解決方案是采用串行SRAA法，9種QC-LDPC 碼所需的編碼時(shí)間分別是 1068、1052、1044、4140、4124、4116、16428、16412 和16404個(gè)時(shí)鐘周期。邏輯資源需要65536個(gè)寄存器、24576個(gè)二輸入與門和24576個(gè)二輸入異或門，這是由(n,b) = (l/2, 2048)對(duì)應(yīng)的參數(shù)決定的。此外，9種QC-LDPC碼共需774，144比特ROM存儲(chǔ)循環(huán)矩陣的首行。當(dāng)采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，如此大的存儲(chǔ)需求會(huì)增加設(shè)備成本，且編碼時(shí)間較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)CCSDS深空通信系統(tǒng)多種QC-LDPC碼編碼的現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方案中存在的需要大容量存儲(chǔ)器和編碼速度慢缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于并行濾波的高效編碼方法，能有效提高編碼速度，減少存儲(chǔ)器需求。如圖13所示，CCSDS深空通信系統(tǒng)中多種QC-LDPC碼的編碼器主要由3部分組成共享寄存器、并行濾波器和串行循環(huán)左移累加器(串行CLSA)。共享寄存器由t個(gè)b位寄存器R1, R2,…，Rt構(gòu)成，其它兩個(gè)功能模塊共用這些寄存器。整個(gè)編碼過(guò)程分5步完成第I步，輸入信息向量s ;第2步，使用并行濾波器計(jì)算向量f ;第3步，使用串行CLSA計(jì)算部分校驗(yàn)向量Py ;第4步，使用并行濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量Px ;第5步，輸出一部分碼字
(S，Px,Py) O本發(fā)明提供的QC-LDPC編碼器兼容多碼率，能在明顯提高編碼速度的同時(shí)有效減少資源需求，從而達(dá)到降低硬件成本和功耗的目的。關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可通過(guò)接下來(lái)的發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。


圖I給出了碼率η和b的有效組合(η，b); 圖2給出了不同碼率η下的參數(shù)a和t ;圖3是(η，b) = (4/5，32)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖4是(η，b) = (2/3，64)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖5是(n,b) = (l/2, 128)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖6是(n，b) = (4/5，128)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖7是(η，b) = (2/3，256)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖8是(n，b) = (l/2，512)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖9是(n，b) = (4/5，512)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖10是(η，b) = (2/3，1024)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖11是(n,b) = (l/2, 2048)時(shí)QC-LDPC碼校驗(yàn)矩陣H的詳細(xì)構(gòu)造；圖12是CCSDS深空通信系統(tǒng)中校驗(yàn)矩陣H的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是CCSDS深空通信系統(tǒng)中兼容9種QC-LDPC碼的編碼器整體結(jié)構(gòu)；圖14是并行濾波器計(jì)算向量f時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖15是并行濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量Px時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是串行CLSA的結(jié)構(gòu)示意圖；圖17是編碼器各組成部分以及整個(gè)電路的硬件資源消耗；圖18是各編碼步驟以及整個(gè)編碼過(guò)程所需的處理時(shí)間；圖19比較了傳統(tǒng)的串行SRAA法與本發(fā)明的編碼速度；圖20比較了傳統(tǒng)的串行SRAA法與本發(fā)明的資源消耗。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。QC-LDPC碼是一類特殊的LDPC碼，它的生成矩陣G和校驗(yàn)矩陣H都是由循環(huán)矩陣構(gòu)成的陣列，具有分段循環(huán)特點(diǎn)，故被稱為準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼。從行的角度看，循環(huán)矩陣的每一行都是上一行(首行是末行)循環(huán)右移一位的結(jié)果；從列的角度看，循環(huán)矩陣的每一列都是前一列(首列是末列)循環(huán)下移一位的結(jié)果。循環(huán)矩陣的行向量構(gòu)成的集合與列向量構(gòu)成的集合完全相同，因此，循環(huán)矩陣完全可由它的首行或首列來(lái)表征。循環(huán)矩陣的行重和列重相同，記作W。如果《=0，那么該循環(huán)矩陣是全零矩陣。如果《=1，那么該循環(huán)矩陣是可置換的，稱為置換矩陣，它可通過(guò)對(duì)單位矩陣I循環(huán)右移若干位得到。QC-LDPC碼的校驗(yàn)矩陣H是由cXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Hiij (I彡i彡C，I彡j彡t)構(gòu)成的如下陣列
權(quán)利要求
1.一種適合于CCSDS深空通信系統(tǒng)采用的9種QC-LDPC碼的編碼器，QC-LDPC碼的校驗(yàn)矩陣H是由cXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣構(gòu)成的陣列,其中，C、t和b皆為正整數(shù)，t=a+c,3種不同碼率η分別是1/2、2/3、4/5，7種方陣階數(shù)b分別是32、64、128、256、512、1024、2048，9 種有效組合(n,b)分別是(4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2，2048)，對(duì)于這 9 種 QC-LDPC 碼，均有 c=12，c=3u, u=4,3種不同碼率對(duì)應(yīng)的參數(shù)a分別是8、16、32,3種不同碼率對(duì)應(yīng)的參數(shù)t分別是20、28、44，校驗(yàn)矩陣H對(duì)應(yīng)碼字V= (s，p) = (s, px, py, pz)，H的前a塊列對(duì)應(yīng)的是信息向量S，后c塊列對(duì)應(yīng)的是校驗(yàn)向量P，以b比特為一段，信息向量s被等分為a段，即S=(Sl，S2,…，Sa),校驗(yàn)向量 P 被等分為 C 段，即 P=CP1, P2, ---,Pc)，Px= (P1, P2, P3, P4)，Py= (p5, P6. Pt. P8)，Pz= (p9，p10, pn, P12)，其特征在于，所述編碼器包括以下部件 寄存器R1 Rt，其余兩個(gè)部件共享這t個(gè)b位寄存器； 并行濾波器，主要由寄存器R1 Rt和多輸入異或門An^1 An，b，2u組成，用于計(jì)算向量f和部分校驗(yàn)向量Px ; 串行循環(huán)左移累加器，用于計(jì)算部分校驗(yàn)向量py。
2.如權(quán)利要求I所述的編碼器，其特征在于，所述并行濾波器計(jì)算向量f時(shí)涉及寄存器R1 Ra、Ra+2u+1 Rt和多輸入異或門An^ An，b, u，每個(gè)多輸入異或門對(duì)應(yīng)矩陣F中的一個(gè)塊行，每個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)一個(gè)置換矩陣，該置換矩陣所在塊列號(hào)等于寄存器R1 Ra的下標(biāo)，其循環(huán)右移位數(shù)加I等于寄存器的抽頭位。
3.如權(quán)利要求I所述的編碼器，其特征在于，所述并行濾波器計(jì)算向量f的步驟如下 初始時(shí)，信息向量s位于寄存器R1 Ra中，R1 Ra中的每個(gè)寄存器都有多個(gè)抽頭； 每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，寄存器R1 Ra各自串行循環(huán)左移I次，多輸入異或門AnA1 An’b’u分別將計(jì)算結(jié)果串行左移入寄存器Ra+2U+1 Rt ; 重復(fù)上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)b個(gè)時(shí)鐘周期完成運(yùn)算，寄存器Ra+2U+1 Rt存儲(chǔ)的是向量f，而寄存器R1 Ra存儲(chǔ)的依然是信息向量S。
4.如權(quán)利要求I所述的編碼器，其特征在于，所述并行濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量匕時(shí)涉及寄存器R1 Ra+2u和多輸入異或門An，b, U+1 An，b,2u，每個(gè)多輸入異或門對(duì)應(yīng)矩陣L中的一個(gè)塊行，每個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)一個(gè)置換矩陣，該置換矩陣所在塊列號(hào)等于寄存器R1 Ra和Ra+U+1 Ra+2U的下標(biāo)，其循環(huán)右移位數(shù)加I等于寄存器的抽頭位。
5.如權(quán)利要求I所述的編碼器，其特征在于，所述并行濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量Px的步驟如下 初始時(shí)，信息向量S和部分校驗(yàn)向量Py分別位于寄存器R1 Ra和Ra+U+1 Ra+2u中，這些寄存器都有多個(gè)抽頭； 每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，寄存器R1 Ra和Ra+U+1 Ra+2u各自串行循環(huán)左移I次，多輸入異或門An；b；u+1 AnA2u分別將計(jì)算結(jié)果串行左移入寄存器Ra+1 Ra+U ； 重復(fù)上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)b個(gè)時(shí)鐘周期完成運(yùn)算，寄存器Ra+1 Ra+U存儲(chǔ)的是部分校驗(yàn)向量Px，而寄存器R1 Ra和Ra+U+1 Ra+2u存儲(chǔ)的依然分別是信息向量s和部分校驗(yàn)向量py。
6.如權(quán)利要求I所述的編碼器，其特征在于，所述串行循環(huán)左移累加器由寄存器Ra+1 Rt、u個(gè)b位二輸入與門Mi和u個(gè)b位二輸入異或門Ai組成,其中，I彡i彡u,用于計(jì)算部分校驗(yàn)向量Py 初始時(shí)，寄存器Ra+2u+1 Rt存儲(chǔ)的是向量f，寄存器Ra+1 Ra+U分別加載矩陣Φ = [ΦΜ]第I塊列中循環(huán)矩陣①^廣①…的首列，寄存器Ra+U+1 Ra+2u被清零，其中，I ^ i, j ^ u ；每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，寄存器Ra+2u+1 Rt串行左移I次，b位二輸入與門Mi進(jìn)行標(biāo)量與向量的乘法運(yùn)算，Mi的乘積與寄存器1^+_串行循環(huán)左移I次的結(jié)果相加，和存回寄存器1^+_，需要指出的是，當(dāng)?shù)?j-l)b個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)，寄存器Ra+1 Ra+U分別加載矩陣Φ第j塊列中循環(huán)矩陣的首列，其中，l〈j ( u ； 重復(fù)上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)ub個(gè)時(shí)鐘周期完成運(yùn)算，R1 Ra和Ra+U+1 Ra+2U存儲(chǔ)的分別是信息向量S和部分校驗(yàn)向量Py。 一種適合于CCSDS深空通信系統(tǒng)采用的9種QC-LDPC碼的編碼方法，QC-LDPC碼的校驗(yàn)矩陣H是由cXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣構(gòu)成的陣列,其中，C、t和b皆為正整數(shù)，t=a+c,3種不同碼率η分別是1/2、2/3、4/5，7種方陣階數(shù)b分別是32、64、128、256、512、1024、·2048，9 種有效組合(n,b)分別是(4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2，2048)，對(duì)于這 9 種 QC-LDPC 碼，均有 c=12，c=3u, u=4,3種不同碼率對(duì)應(yīng)的參數(shù)a分別是8、16、32,3種不同碼率對(duì)應(yīng)的參數(shù)t分別是·20、28、44，校驗(yàn)矩陣H對(duì)應(yīng)碼字V= (s，p) = (s, px, py, pz)，H的前a塊列對(duì)應(yīng)的是信息向量S，后c塊列對(duì)應(yīng)的是校驗(yàn)向量P，以b比特為一段，信息向量s被等分為a段，即S=(Sl，S2,…，Sa),校驗(yàn)向量 P 被等分為 C 段，即 P=CP1, P2, ---,Pc)，Px= (P1, P2, P3, P4)，Py= (p5, P6. Pt. P8)，Pz= (ρ9, Ριο, Pu, P12)，其特征在于，所述編碼方法包括以下步驟 第I步，輸入信息向量s ； 第2步，使用并行濾波器計(jì)算向量f ； 第3步，使用串行循環(huán)左移累加器計(jì)算部分校驗(yàn)向量Py ； 第4步，使用并行濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量Px ； 第5步，輸出一部分碼字(s，px，py)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種解決CCSDS深空通信系統(tǒng)中9種QC-LDPC碼編碼的方案，其特征在于，所述系統(tǒng)的QC-LDPC碼的編碼器主要由共享寄存器、并行濾波器和串行循環(huán)左移累加器(串行CLSA)三部分組成，其核心技術(shù)是并行濾波。并行濾波器和串行CLSA共用t個(gè)b位寄存器。本發(fā)明提供的QC-LDPC編碼器兼容多碼率，能在明顯提高編碼速度的同時(shí)有效減少資源需求，具有編碼速度快、資源消耗少、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03M13/11GK102868412SQ20121036956
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者張鵬, 蔡超時(shí), 楊剛 申請(qǐng)人:蘇州威士達(dá)信息科技有限公司