專利名稱：聯(lián)合生成矩陣和校驗(yàn)矩陣的ldpc編碼器和編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及近地太空數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，特別涉及一種CCSDS近地通信系統(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。并行SRAA法完成一次編碼需要b+t個(gè)時(shí)鐘周期,需要(ac+t)b個(gè)寄存器、acb個(gè)二輸入與門和acb個(gè)二輸入異或門。CCSDS 近地通信系統(tǒng)推薦了一種 QC-LDPC 碼，其中，a=14，c=2，t=16，b=511。CCSDS近地通信系統(tǒng)中QC-LDPC高速編碼的現(xiàn)有解決方案是采用并行SRAA法，所需的編碼時(shí)間是527個(gè)時(shí)鐘周期，邏輯資源需要22484個(gè)寄存器、14308個(gè)二輸入與門和14308個(gè)二輸入異或門。當(dāng)采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，如此多的資源需求意味著功耗大、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)CCSDS近地通信系統(tǒng)QC-LDPC碼高速編碼的現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方案中存在的資源需求量大缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種聯(lián)合生成矩陣和校驗(yàn)矩陣的高效編碼方法，能在保持編碼速度不變的前提下，減少資源需求。如圖3所示，CCSDS近地通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼的編碼器主要由3部分組成控制器、并行SRAA濾波器和濾波線性反饋移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)，綜合使用生成矩陣和校驗(yàn)矩陣。整個(gè)編碼過程采用兩級(jí)流水線機(jī)制，分2步完成第I步，在第一級(jí)流水線，輸入信息向量s，使用并行SRAA濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量P1和Px以及向量f;第2步，在第二級(jí)流水線，利用第一級(jí)流水線的運(yùn)算結(jié)果，使用濾波LFSR計(jì)算向量q、u和部分校驗(yàn)向量py,并輸出碼字V= (s, P1, px, py)。本發(fā)明提供的QC-LDPC編碼器，能在保持編碼速度不變的前提下有效減少資源需求，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)與精神可通過接下來的發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。


圖1是CCSDS近地通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼近似下三角校驗(yàn)矩陣Hau的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2給出了 CCSDS近地通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼近似下三角校驗(yàn)矩陣Hau的詳細(xì)構(gòu)造;圖3是CCSDS近地通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼的編碼器整體結(jié)構(gòu)；圖4是并行SRAA濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是濾波LFSR的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是編碼器各組成部分以及整個(gè)電路的硬件資源消耗；圖7是各編碼步驟以及整個(gè)編碼過程所需的處理時(shí)間；圖8比較了傳統(tǒng)的并行SRAA法與本發(fā)明的編碼速度和資源消耗。
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近地通信系統(tǒng)采用的QC-LDPC碼的編碼器，QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gm構(gòu)成的陣列，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，a=14,t=16,b=511,c=t-a=2, l^i^a,t,生成矩陣G對(duì)應(yīng)碼字V= (s, P) ,G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=G1, e2,…，e1022),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=2段，即 P= (P1, P2)，其中，P2= (px, Py)，Px= (e512, e513, e514)，py= (e515, e516, ...，e1022)，其特征在于，所述編碼器包括以下部件 控制器，控制信息向量的輸入、碼字的輸出和其它部件的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)流水線； 并行移位寄存器加累加濾波器，用于計(jì)算部分校驗(yàn)向量Pl、Px和向量f ; 濾波線性反饋移位寄存器，用于計(jì)算向量q、u和部分校驗(yàn)向量py。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于，所述編碼器聯(lián)合生成矩陣G和校驗(yàn)矩陣H進(jìn)行編碼先使用G計(jì)算部分校驗(yàn)向量P1和px，再使用近似下三角校驗(yàn)矩陣Hau計(jì)算部分校驗(yàn)向量Py，從而得到碼字V= (S，P1, Px, Py)。
3.如權(quán)利要求2所述的編碼器，其特征在于，所述近似下三角校驗(yàn)矩陣Hau是通過對(duì)校驗(yàn)矩陣H進(jìn)行變換而得到的先將H第1、2塊行中的所有置換矩陣分別循環(huán)右移472、319位，再將兩個(gè)塊行相加。
4.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于，所述并行移位寄存器加累加濾波器由寄存器R1 Ra+3、寄存器Ri,」、多位二輸入與門Mi,」、多位二輸入異或門Ai, j和56輸入異或門A1組成，其中，I < i < a，I < j < c，A1的56個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)Hau前a塊列中的56個(gè)置換矩陣，每個(gè)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，R1 Ra+2、Ru、Mu和Ay構(gòu)成了改進(jìn)的并行移位寄存器加累加器，用于計(jì)算部分校驗(yàn)向量P1和Px，R1 Ra、Ra+3和A1構(gòu)成了一個(gè)56抽頭濾波器,用于計(jì)算向量f。
5.如權(quán)利要求1、4所述的編碼器，其特征在于，所述并行移位寄存器加累加濾波器同時(shí)計(jì)算部分校驗(yàn)向量P1、Px和向量f 初始時(shí)，寄存器R1 Ra存儲(chǔ)的是信息向量S，寄存器Ra+1和Ra+2被清零，寄存器Ru加載生成矩陣中循環(huán)矩陣Gi, a+1的首行，寄存器Rii2加載生成矩陣中循環(huán)矩陣Gi, a+2首行的前3比特，其中，I ^ i ^ a ； 每個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)，寄存器R1 Ra各自串行循環(huán)左移I次，56輸入異或門A1將計(jì)算結(jié)果串行左移入寄存器Ra+3，寄存器Ria各自串行循環(huán)右移I次，寄存器RiJ各自串行右移I次并從Gi, a+2首行的后面移入新的I比特，多位二輸入與門Mq進(jìn)行標(biāo)量與向量的乘法運(yùn)算，M1；j Ma,」的乘積之和與寄存器Ra+j進(jìn)行累加，其中，I ^ j ^ c ； 重復(fù)上述過程，經(jīng)過b個(gè)時(shí)鐘周期完成運(yùn)算，此時(shí)，寄存器R1 Ra存儲(chǔ)的依然是信息向量s，寄存器Ra+1、Ra+2和Ra+3存儲(chǔ)的分別是部分校驗(yàn)向量Pp Px和向量f。
6.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于，所述濾波線性反饋移位寄存器由寄存器Ra+4 Ra+5和異或門A2 A4組成，A2的4個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)Hau第a+Ι塊列中的4個(gè)置換矩陣，每個(gè)置換矩陣的循環(huán)右移位數(shù)加4等于寄存器Ra+4的抽頭位，Ra+4和A2構(gòu)成了一個(gè)4抽頭濾波器，用于計(jì)算向量q，A3、A4和Ra+5構(gòu)成了線性反饋移位寄存器，用于計(jì)算向量u和部分校驗(yàn)向量Py，異或門A3輸出向量U，異或門A4輸出部分校驗(yàn)向量py。
7.如權(quán)利要求1、6所述的編碼器，其特征在于，所述濾波線性反饋移位寄存器同時(shí)計(jì)算向量q、u和部分校驗(yàn)向量Py 初始時(shí)，寄存器Ra+4存儲(chǔ)的是部分校驗(yàn)向量P1,寄存器Ra+5的前b-3比特存儲(chǔ)的是向量f，后3比特存儲(chǔ)的是部分校驗(yàn)向量Px ； 每個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)，寄存器Ra+4串行循環(huán)左移I次，寄存器Ra+5串行左移I次； 重復(fù)上述過程，經(jīng)過b-3個(gè)時(shí)鐘周期完成運(yùn)算，此時(shí)，寄存器Ra+4存儲(chǔ)的依然是部分校驗(yàn)向量P1,寄存器Ra+5存儲(chǔ)的是部分校驗(yàn)向量P2= (px，Py)。
8.一種適合于CCSDS近地通信系統(tǒng)采用的QC-LDPC碼的編碼方法，QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gm構(gòu)成的陣列，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，a=14,t=16,b=511,c=t-a=2, l^i^a,t,生成矩陣G對(duì)應(yīng)碼字v=(s, p), G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=G1, e2,…，e1022)，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=2 段，即 P= (p” P2)，其中，P2= (px, py)，Px= (e512, e513, e514)，py= (e515, e516, ...，e1022)，其特征在于，所述編碼方法包括以下步驟 第I步，在第一級(jí)流水線，輸入信息向量S，使用并行移位寄存器加累加濾波器計(jì)算部分校驗(yàn)向量Pp Px和向量f ; 第2步，在第二級(jí)流水線，利用第一級(jí)流水線的運(yùn)算結(jié)果，使用濾波線性反饋移位寄存器計(jì)算向量q、u和部分校驗(yàn)向量py,并輸出碼字V= (s，P1, px, py)。
全文摘要
聯(lián)合生成矩陣和校驗(yàn)矩陣的LDPC編碼器和編碼方法,本發(fā)明涉及一種解決CCSDS近地通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼編碼的方案，其特征在于，所述系統(tǒng)的QC-LDPC碼的編碼器主要由控制器、并行移位寄存器加累加濾波器和濾波線性反饋移位寄存器三部分組成，綜合使用生成矩陣和校驗(yàn)矩陣，采用兩級(jí)流水線機(jī)制。本發(fā)明提供的QC-LDPC編碼器，能在保持編碼速度不變的條件下有效減少資源需求，具有資源消耗少、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03M13/11GK103023516SQ20131000043
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月1日
發(fā)明者張鵬, 楊霏, 劉昌銀 申請(qǐng)人:蘇州威士達(dá)信息科技有限公司