一種基于隨機計算的ldpc譯碼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線數(shù)字通信和廣播【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于隨機計算的LDPC譯碼器。該譯碼器基于概率域中置信傳播算法的隨機計算算法進行譯碼，其結(jié)構(gòu)包括：適合IEEE802.3an（10GBASE-T）標準中的（2048,1723）校驗矩陣的NDS系數(shù)的查找表LUT陣列，以及三種用于加速收斂的硬件結(jié)構(gòu)：基于查找表LUT陣列的初始化陣列VN中硬判別計數(shù)器的初始化模塊；在校驗節(jié)點CN校驗結(jié)果達到一定階段后進行算法切換的判別模塊；在校驗節(jié)點CN校驗結(jié)果達到一定階段后翻轉(zhuǎn)初始化陣列變量節(jié)點VN輸出的判別模塊；同時采用新的VN節(jié)點結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以進一步提高譯碼器的收斂速度，提高譯碼器吞吐率，可為未來吞吐率要求高達100Gbps的光通信提供技術(shù)方案支持。
【專利說明】-種基于隨機計算的LDPC譯碼器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線數(shù)字通信和廣播【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于隨機計算的LDPC 譯碼器。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)在的社會是一個高度信息化的社會，各種信息通過不同的信道往復傳遞，信息 的重要性不斷上升，這樣信息的正確性必須得到保證。而信道中通常充斥著各種噪聲，信息 在信道中傳播是不可避免會出現(xiàn)一些錯誤。對在傳輸之前對信道中傳輸?shù)男畔⑦M行編碼， 傳輸完成后在進行解碼是保證信息正確傳遞的最重要方式之一。
[0003] 低密度奇偶校驗碼(記為LDPC)譯碼器是一種性能優(yōu)良的糾錯編碼，其性能可以逼 近香農(nóng)極限。LDPC碼首先由Gallager博士于1962年提出。但是囿于當時落后的集成電路 技術(shù)，無法實現(xiàn)LDPC解碼器的硬件。直到1997年，Mackay和Neal才重新挖掘出LDPC碼， 之后，LDPC碼漸漸成為主流的糾錯編碼之一。LDPC碼的譯碼器電路具有譯碼電路簡單，并 行度高等優(yōu)點，適用于高吞吐率，尤其是lOOGbps等光通信系統(tǒng)中。
[0004] 相對于其他糾錯碼，LDPC碼具有編碼增益高，性能好，譯碼吞吐率高等優(yōu)點，許多 通信標準都采用LDPC碼進行信道糾錯，如無線接入的WiMAX、WLAN以及數(shù)字電視DVB-S2， DTMB等通信標準都采用的是LDPC編解碼。
[0005] -般而言，碼長越大，LDPC碼校驗矩陣的規(guī)模越大，LDPC碼的譯碼性能就會越 好。而相應的，LDPC譯碼器的電路規(guī)模也是越來越大。以IEEE 802. 3an(10GBASE-T) 為例，其校驗矩陣規(guī)模為（384, 2048)，也就是說，代表列數(shù)的VN節(jié)點的個數(shù)為2048個， 而每個VN的維數(shù)為6,假設(shè)輸入信道信息的量化為6bit，這樣VN和CN之間的連線總共 2048x6x6 = 73728條。這樣的話，譯碼器中的連線復雜度非常高，占用大量的芯片面積同 時芯片的邏輯部分占比很低，帶來額外的功耗和降低了芯片的工作頻率。在智能手機、平板 電腦流行的今天，過大的芯片面積和過高的功耗顯然是無法忍受的。
[0006] 隨機計算是一種LDPC譯碼器的新的實現(xiàn)方法。和傳統(tǒng)的最小和（Min-Sum)算法 等工作于對數(shù)域的LDPC譯碼器不同的是，隨機計算在概率域?qū)DPC碼進行解碼，通過一系 列隨機的伯努利序列，將信道信息的概率值轉(zhuǎn)化為一串"01"序列，該序列中" 1"個數(shù)在整 個序列中的占比就代表著信道信息的概率。這樣，與傳統(tǒng)的在對數(shù)域進行解碼的Min-Sum 等算法對比，隨機計算可以將加法，比較等復雜的數(shù)學運算轉(zhuǎn)換為與、或、異或等簡單的邏 輯運算，VN與CN的復雜度大幅下降。并且，由于每次只需要處理一個bit，所以連線數(shù) 量就會下降對應的量化倍數(shù)，比如上述的10GBASE-T譯碼器的連線復雜度就可以下降到 2048x6 = 12288 條，減少了 6 倍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種譯碼收斂速度快、吞吐率高的基于隨機計算的LDPC 譯碼器。
[0008] 本發(fā)明提供的基于隨機計算的LDPC譯碼器，基于IEEE 802. 3an(10GBase-T)標 準，采用隨機計算方式，其結(jié)構(gòu)可以加入多級流水線結(jié)構(gòu)，在提高時鐘周期的同時，進一步 提高吞吐率。該譯碼器結(jié)構(gòu)就隨機計算LDPC中可能存在的譯碼器延時較長問題，提出三種 技術(shù)用以提高譯碼的收斂速度，提高譯碼器吞吐率。本發(fā)明中所使用的三種技術(shù)可以應用 在不同的隨機計算結(jié)構(gòu)中，為未來吞吐率要求高達lOOGbps的光通信提供一種技術(shù)方案支 持。
[0009] 本發(fā)明提供的LDPC譯碼器，基于概率域中置信傳播算法的隨機計算算法進行譯 碼。其結(jié)構(gòu)包括：適合IEEE 802·3an(10GBASE-T)標準中的（2048，1723)校驗矩陣的依賴 于噪聲的縮減（noise dependent scaling,記為NDS)系數(shù)的查找表（LUT)陣列，采用計數(shù) 器做概率跟蹤的新結(jié)構(gòu)變量節(jié)點（Variable Node，記為VN)，以及針對隨機計算收斂時間 長的特點而提出的三種可以加速收斂的硬件結(jié)構(gòu)，分別為：基于LUT陣列的初始化陣列變 量節(jié)點（Variable Node,記為VN)中的組成部分硬判別計數(shù)器的初始化模塊；在校驗節(jié)點 (Check Node，記為CN)模塊校驗結(jié)果達到一定階段后進行算法切換的判別模塊，簡稱切換 判別模塊；在校驗節(jié)點（Check Node,記為CN)模塊校驗結(jié)果達到一定階段后翻轉(zhuǎn)初始化陣 列VN輸出的判別模塊，簡稱翻轉(zhuǎn)判別模塊； 具體來說，本發(fā)明提供的LDPC譯碼器，包括： 隨機數(shù)產(chǎn)生（Random Number Generator)模塊，用于產(chǎn)生隨機數(shù)，對概率值進行隨機 化； 將信道信息轉(zhuǎn)化為概率值的查找表（LUT_PR0B)模塊，用來將信道信息轉(zhuǎn)化為對應的概 率值，并根據(jù)相應的NDS參數(shù)，對概率值進行相應的縮減； VN模塊，接收來自CN的先驗信息，計算外信息和后驗信息，外信息傳遞給對應的CN模 塊，后驗信息傳遞給對應的硬判別計數(shù)器； CN模塊，接收來自VN的外信息，計算先驗信息，并傳遞給對應的VN模塊； 計數(shù)器（Counter)模塊，對應于VN模塊，接收來自VN的后驗信息，進行計數(shù)，再根據(jù)計 數(shù)值的符號位輸出硬判別結(jié)果； 校驗（Check)模塊，其基本結(jié)構(gòu)與CN -致，接收來自硬判別計數(shù)器的硬判決輸出，然后 判斷是否譯碼成功； VN初始化（VN initial)模塊，包含LUT，接收來自LUT_PR0B模塊輸出的概率值，然后 通過VN初始化計數(shù)器（counter)模塊； 后處理（Post Progressing)模塊，進行后處理計算； 還有相應的中央控制單元，以及輸入緩沖器（Buff er )、輸出緩沖器（Buff er )。
[0010] 本發(fā)明中，所述的LUT陣列，將帶有噪聲的信道信息量化成為對應的概率值，NDS 系數(shù)將概率值縮減到合理的范圍；所述一種新的VN節(jié)點結(jié)構(gòu)，即將傳統(tǒng)隨機計算的VN節(jié) 點中的邊沿存儲器（Edge Memory，記為EM)換成了計數(shù)器和比較器的組合；其中，計數(shù)器接 用于收來自子VN節(jié)點的匹配（unhold)信息，計數(shù)器的值進行相應的加減操作，這樣計數(shù) 器就能跟蹤概率值，然后計數(shù)器的值和一個隨機數(shù)通過比較器進行比較，其結(jié)果在非匹配 (hold)狀態(tài)下作為輸出；所述的初始化模塊，基于LUT陣列的初始化陣列VN接收來自信道 的信道信息，然后對對應初始化陣列VN中的硬判別計數(shù)器進行初始化，初始化的數(shù)值等于 信道信息的概率值；所述的切換判別模塊，用以解決解碼長時間停滯的問題，對所有校驗模 塊的輸出結(jié)果進行統(tǒng)計，在一定值的時候切換為比特翻轉(zhuǎn)算法；所述的翻轉(zhuǎn)判別模塊，用以 統(tǒng)計某一初始化陣列VN所連接的所有CN模塊的校驗結(jié)果，達到一定值時翻轉(zhuǎn)初始化陣列 VN的輸出結(jié)果。
[0011] 本發(fā)明中，所述LUT陣列，共有2048個LUT，對應碼長2048。每個LUT根據(jù)公式

【權(quán)利要求】
1. 一種基于隨機計算的LDPC譯碼器，其特征在于，基于概率域中置信傳播算法 的隨機計算算法進行譯碼，其結(jié)構(gòu)包括：適合IEEE 802. 3an (10GBASE-T )標準中的 (2048, 1723)校驗矩陣的NDS系數(shù)的查找表LUT陣列，采用計數(shù)器做概率跟蹤的新結(jié)構(gòu)VN， 以及針對隨機計算收斂時間長的特點而提出的三種用于加速收斂的硬件結(jié)構(gòu)，分別為： 基于LUT陣列的初始化陣列VN中硬判別計數(shù)器的初始化模塊；在CN校驗結(jié)果達到一定階 段后進行算法切換的判別模塊，簡稱切換判別模塊；在CN校驗結(jié)果達到一定階段后翻轉(zhuǎn)初 始化陣列VN輸出的判別模塊，簡稱翻轉(zhuǎn)判別模塊；其中： 所述的LUT陣列，將帶有噪聲的信道信息量化成為對應的概率值，NDS系數(shù)將概率值縮 減到合理的范圍；所述新結(jié)構(gòu)VN節(jié)點，即將傳統(tǒng)隨機計算的VN節(jié)點中的EM換成了計數(shù)器 和比較器的組合；其中，計數(shù)器接用于收來自子VN節(jié)點的匹配信息，計數(shù)器的值進行相應 的加減操作，這樣計數(shù)器就能跟蹤概率值，然后計數(shù)器的值和一個隨機數(shù)通過比較器進行 比較，其結(jié)果在非匹配狀態(tài)下作為輸出；所述的初始化模塊，基于LUT陣列的初始化陣列VN 接收來自信道的信道信息，然后對對應初始化陣列VN中的硬判別計數(shù)器進行初始化，初始 化的數(shù)值等于信道信息的概率值；所述的切換判別模塊，用以解決解碼長時間停滯的問題， 對所有校驗模塊的輸出結(jié)果進行統(tǒng)計，在一定值的時候切換為比特翻轉(zhuǎn)算法；所述的翻轉(zhuǎn) 判別模塊，用以統(tǒng)計某一初始化陣列VN所連接的所有CN模塊的校驗結(jié)果，達到一定值時翻 轉(zhuǎn)初始化陣列VN的輸出結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機計算的LDPC譯碼器，其特征在 于：所述LUT陣列，共有2048個LUT，對應碼長2048 ;每個LUT根據(jù)公式 +1計算信道信息對應的概率值，其中￡代表帶有噪聲的信道信息；計算出對應的概 率值后，根據(jù)NDS系數(shù)對概率值進行一定的縮小，使得所有輸入值的概率值在一定大小范 圍中；NDS系數(shù)通過計算機仿真確定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于隨機計算的LDPC譯碼器，其特征在于：所述的新結(jié) 構(gòu)的VN節(jié)點，采用了 7bit的計數(shù)器，作為存儲匹配狀態(tài)時的輸入使用；該計數(shù)器由初始化 LUT進行信道概率值的初始化，然后當輸入為匹配狀態(tài)時，計數(shù)器根據(jù)輸入的" 1"或"0"進 行加或者減計數(shù)；該計數(shù)器后有一個比較器將計數(shù)器的數(shù)值和一個隨機數(shù)進行比較，前者 大于后者時輸出" 1"，前者小于后者時輸出"〇" ；當輸入為不匹配狀態(tài)時，子VN輸出計數(shù)器 的輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機計算的LDPC譯碼器，其特征在于：基于LUT陣列的 初始化陣列VN中硬判別計數(shù)器的初始化模塊，其中共包含2048個LUT，對應于碼長2048 ; 每一個LUT對應于一個VN節(jié)點；在一個新的碼字輸入后，接收從轉(zhuǎn)化概率值的LUT陣列中 傳出的概率值，然后根據(jù)這個值對對應VN中的子VN中的計數(shù)器進行初始化，使得計數(shù)器的 初始值與飽和值的比值等于信道概率值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于隨機計算的LDPC譯碼器，其特征在于：所述的切換判別 模塊，用于進行譯碼算法的切換；該模塊由一個加法器和一個比較器組成，加法器接收來自 于校驗模塊的輸入，統(tǒng)計校驗的2048個輸入中有多少個"1";當個數(shù)大于"25"時輸出"0"， 小于"25"時輸出" 1"，使能有效，切換為比特翻轉(zhuǎn)算法。
6. 據(jù)權(quán)利要求5所述的基于隨機計算的LDPC譯碼器，其特征在于：所述的翻轉(zhuǎn)判別模 塊，用于翻轉(zhuǎn)VN節(jié)點中計數(shù)器的正負號，達到翻轉(zhuǎn)VN輸出的功能；該模塊由一個加法器和 一個比較器組成，加法器接收來自于校驗模塊的輸入，統(tǒng)計校驗的2048個輸入中有多少個 "1"，當個數(shù)大于"3"時輸出"0"，小于"25"時輸出"1"，使能有效。
【文檔編號】H03M13/11GK104283571SQ201410451143
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月6日
【發(fā)明者】陳赟, 張啟晨, 吳迪, 曾曉洋 申請人:復旦大學