LDPC(Low Density Parity Check Code)碼是一種性能優(yōu)異的線性分組碼，其性能非常接近于Shannon極限且具有很強的糾錯能力。但自LDPC碼被發(fā)明以來就存在一個阻礙其發(fā)展的巨大障礙。眾所周知，一般的線性分組碼是通過其生成矩陣實現(xiàn)編碼。而LDPC碼的校驗矩陣雖然是稀疏的，但生成矩陣卻不是稀疏矩陣。由于LDPC碼的編碼長度都很長，因此復(fù)雜的生成矩陣為編碼帶來了巨大困難。后來，人們利用其校驗矩陣的特點實現(xiàn)了快速編碼。即便如此，當碼長很長時編碼所需的存儲空間仍然非常龐大，學(xué)者們也在不斷探索高性能的編碼方法。

    目前，LDPC碼已開始逐漸應(yīng)用于空間通信、光纖通信、數(shù)字視頻和音頻廣播等領(lǐng)域。LDPC碼的編碼標準主要有：DVB-S(DigitalVideoBroadcasting-Sa-tellite)標準、DVB-S2^[1]標準、CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)標準^[2]、GB20600標準^[3]、IEEE802.16e標準^[4]等。LDPC編碼已經(jīng)在IEEE802.16e標準中作為專用傳輸碼使用。DVB-S2是新一代數(shù)字衛(wèi)星廣播的標準，與DVB-S標準相比，其傳輸容量增益可達30%。CCSDS標準中的LDPC碼包括近地和深空應(yīng)用。GB20600標準中的LDPC碼主要用于數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)。本文主要研究IEEE 802.16e標準中LDPC碼快速編碼的實現(xiàn)方法，并將其與DVB-S2標準的LDPC縮短碼的性能進行比較。

1 IEEE802.16e標準中的LDPC碼校驗矩陣的構(gòu)造方式

    IEEE802.16e標準中定義的LDPC碼是一種準循環(huán)的非規(guī)則LDPC碼，共有4種速率^[4]。每一種速率都有相應(yīng)的校驗矩陣H。H_b是H的基校驗矩陣，H_b經(jīng)過擴展后可得到H，H_b的尺寸為m_b×n_b，具體構(gòu)成見式(1)。n_b的長度固定為24，m_b的長度根據(jù)碼速率不同而異。H_b1是一個m_b×(n_b-m_b)矩陣。H_b2是一個m_b×m_b矩陣。q稱為擴展系數(shù)，H_b可通過m_b·q×n_b·q的擴展方式獲得校驗矩陣H。

    H_b1中的元素由-1或非負整數(shù)組成，若為-1，則校驗矩陣H相應(yīng)的位置是全0矩陣；若為非負整數(shù)，則校驗矩陣H相應(yīng)的位置是單位矩陣E進行非負整數(shù)次右移所得的矩陣。H_b2的第一列中h(1)、h(r)、h(m_b)為非負整數(shù)，且h(1)=h(m_b)。r的取值范圍為2≤r≤m_b-1，其具體值由IEEE802.16e標準指定。H_b2除第一列外，其余部分構(gòu)成準雙對角線結(jié)構(gòu)，兩條準對角線上的元素為0，其他位置為-1。H_b2的元素構(gòu)成見式(2)。

    根據(jù)IEEE802.16e標準，基矩陣H_b的擴展系數(shù)q共有19種取值，分別對應(yīng)19種碼長，最小為24，最大為96，具體的擴展規(guī)則見參考文獻[4]。設(shè)基校驗矩陣中處于位置(i，j)的元素為q(i，j)。以1/2速率的LDPC碼為例，當q=96時，1/2速率的LDPC碼的基校驗矩陣為式(3)，q(i，j)的更新方法見式(4)，表示向下取整。

2 IEEE802.16e標準中LDPC碼的FPGA實現(xiàn)

2.1 LDPC碼的快速編碼算法

    將線性方程組式(5)中的各行都加在第一行，可推出：

2.2 快速編碼算法的FPGA實現(xiàn)

    以q=24、速率為1/2的LDPC碼為例，其基校驗矩陣根據(jù)式（3）、（4）計算可得到式（10），其中m_b=n_b-m_b=k_b=12。

    根據(jù)式（6）可推得：

    設(shè)輸入序列s的長度為m_b·q，每個時鐘上升沿輸入的位寬為q，即每次輸入為s_i。可以定義k_b個寄存器ZH，每個寄存器的位數(shù)為q位。利用上述寄存器來存儲輸入序列與基矩陣每一列的乘積，這個乘積在每個時鐘周期進行更新。在更新時需計算當前值與乘積值的異或。在校驗位計算中經(jīng)常需要計算的乘積，表示基校驗矩陣H_b1中位于(i，j)位置的元素。由于該元素表示單位矩陣的移位，所以其與輸入數(shù)據(jù)序列s_j的乘積等效為輸入數(shù)據(jù)序列的循環(huán)移位。當單位矩陣是右移時，乘積等效為輸入序列的循環(huán)右移；當單位矩陣是左移時，乘積等效為輸入序列的循環(huán)左移。利用這個特性可以大大簡化序列與矩陣之間的乘法運算。圖1表示編碼的詳細計算流程。在序列s₁₂輸入后，每個ZHi(i=1，2…12)寄存器中就會得到 

    將上述編碼方法用HDL在Quartus II中實現(xiàn)，并分別在EP2C70F896C6、EP2S15484C3上實現(xiàn)綜合和布線。邏輯資源占用情況如表1所示。對于不同的器件，消耗的邏輯資源各異，同時布線后邏輯單元的延遲也不盡相同。使用Stratix II系列的器件相比Cyclone II系列的器件的時鐘頻率提高了約50%。可以預(yù)見，如果提升輸入和輸出的位寬，邏輯單元間附加延遲會導(dǎo)致時鐘頻率略有降低，但由于并行度的增加，將顯著提升數(shù)據(jù)吞吐速率。

    在EP2C70F896C6上的時序仿真如圖2所示。在仿真開始前首先復(fù)位使系統(tǒng)進入初始狀態(tài)。工作時鐘為50 MHz，輸入序列s₁=FF0000，s₂=s₃=…=s₁₁=000000，s₁₂=FFFFFF。輸出的校驗碼序列為p₁=F87C7B，p₂=F0F8F7，…。在原碼輸出與校驗位輸出之間有一個等待周期。與參考文獻[5]相比，考慮到預(yù)處理的時間以及輸入和輸出均需要大長度高速串/并、并/串轉(zhuǎn)換，實際的系統(tǒng)性能會有一定程度下降。與參考文獻[5]、[6]相比，本設(shè)計利用高速狀態(tài)機實現(xiàn)，具有實時性強，不需要進行大長度串/并、并/串轉(zhuǎn)換的優(yōu)點，而且也不需要對基矩陣進行預(yù)處理和分割，對輸入/輸出的制約小，具有較高的性能。

3 IEEE802.16e和DVB-S2標準ldpc碼的性能比較

    本設(shè)計實現(xiàn)了q=24下，1/2速率的IEEE802.16e標準的LDPC碼的快速編碼。根據(jù)圖3左圖所示，在q=24時其HT·H結(jié)果中只有主對角線上的元素大于1，其他元素均小于等于1。根據(jù)參考文獻[7]，本校驗矩陣中無4環(huán)，具有良好的譯碼性能。DVB-S2標準的LDPC碼分為長碼和短碼兩種，長度分別為64 800 bit和16 200 bit。由于碼長較長，LDPC碼編解碼器實現(xiàn)具有相當難度，因此將本設(shè)計與DVB-S2標準的LDPC縮短碼比較，縮短方法見參考文獻[8]。由于長度24·q=576的IEEE802.16e標準LDPC碼沒有適當?shù)膓₁值可使DVB-S2縮短碼的碼長與之相等，取q₁=15，速率為1/2，則DVB-S2縮短碼的碼長為n=600。在高斯白噪聲信道中進行性能仿真。仿真信道的調(diào)制方式為BPSK，采用BP譯碼算法，最大迭代次數(shù)為500次。對于200幀隨機數(shù)據(jù),每幀長度分別為288 bit和300 bit，分別進行編碼調(diào)制和接收譯碼。最后的仿真曲線如圖4所示。可見在碼長基本相同的條件下，IEEE802.16e標準的LDPC碼較DVB-S2縮短碼具有優(yōu)異的BER性能。圖3右圖是n=600的情況下DVB-S2縮短碼的H^T·H數(shù)值分布。由圖中可見有大量4環(huán)位于校驗矩陣H中，這也是其BER曲線中存在誤碼平臺的原因。

    本文對IEEE802.16e標準的LDPC碼的快速編碼算法進行了研究，并在FPGA上實現(xiàn)了q=24、n=576、速率為1/2的LDPC碼快速編碼器。時序仿真的結(jié)果顯示該編碼器具有良好的實時編碼性能，資源占用少，性能優(yōu)良。同時，該編碼器具有良好的可擴展性。當q不同時，只要增加并行輸入輸出的位寬和內(nèi)部寄存器位數(shù)即可靈活改變碼長。其誤碼率在相同的信噪比下優(yōu)于長度相近的DVB-S2標準的LDPC縮短碼。因此，該編碼器具有良好的實用價值。

參考文獻

[1] DVB-S2 standard draft ETSI EN 302 307 V1.1.1[S].2004.

[2] CCSDS131.1-0-2.Low density parity check codes for use in near-earth and deep space applications[S].CCSDS，2007.

[3] 中華人民共和國國家標準.數(shù)字電視地面廣播標準(GB20600)[S].2006.

[4] IEEE P802.16e/D8[S].IEEE Standard for Local and Metropo-litan Area Networks Part 16：Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems，May 2005.

[5] 李超，石磊.基于IEEE802.16e標準的LDPC編碼器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技，2011，24(6)：40-42.

[6] 俞華梁，毛志剛，張函雋.IEEE802.16e標準的LDPC編碼器設(shè)計及硬件實現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2008(4)：63-66.

[7] XIAO Y，LEE M H.Low complexity MIMO-LDPC CDMA systems over multipath channels[J].IEICE Trans.，2006，89(5)：1713-1717.

[8] 肖揚.Turbo與LDPC編解碼及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2010.