WIMAX LDPC碼譯碼器的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘 要： 設(shè)計(jì)了基于TDMP-NMS算法的碼率碼長(zhǎng)可配置LDPC碼譯碼器，支持WIMAX標(biāo)準(zhǔn)LDPC碼的譯碼。 通過插入最短的額外時(shí)鐘周期，使得更新后的節(jié)點(diǎn)信息得到了及時(shí)利用。采用一種工作于增量模式的基于填充算法的桶形移位寄存器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)中576、768、1152、2304 4種碼長(zhǎng)LDPC 碼譯碼的支持。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的譯碼器完全能滿足WIMAX標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率的要求。

關(guān)鍵詞： WIMAX；低密度奇偶校驗(yàn)碼譯碼器；FPGA；TDMP；歸一化最小和算法

全球微波互聯(lián)接入WIMAX是一種基于IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)的無線城域網(wǎng)WMAN技術(shù)。該技術(shù)采用LDPC碼作為其信道編碼方案。WIMAX標(biāo)準(zhǔn)的LDPC碼由于其優(yōu)異的性能而引起了人們的廣泛關(guān)注。Torben Brack等人根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)碼率LDPC碼校驗(yàn)矩陣的不同特點(diǎn)，對(duì)碼率為1/2和2/3B的LDPC碼采用TDMP譯碼算法，對(duì)其他4種碼率的LDPC碼采用BP算法。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可支持WIMAX標(biāo)準(zhǔn)中所有碼率和碼長(zhǎng)的LDPC碼譯碼器[1]。SHIH Xin Yu等人對(duì)LDPC碼的校驗(yàn)基矩陣進(jìn)行行列置換，使得變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的處理在時(shí)間上可以部分重疊，基于BP算法實(shí)現(xiàn)了支持該標(biāo)準(zhǔn)中碼率為1/2 的19種碼長(zhǎng)的LDPC碼的譯碼器[2]。

重組網(wǎng)絡(luò)是部分并行LDPC碼譯碼器中的一個(gè)重要組成單元。對(duì)數(shù)移位寄存器結(jié)構(gòu)和雙向網(wǎng)絡(luò)僅適用于單個(gè)碼長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多種碼長(zhǎng)的支持[3]，采用了Benes網(wǎng)絡(luò)，基于該網(wǎng)絡(luò)的部分并行譯碼器可支持?jǐn)U展因子小于該網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口數(shù)的各種碼長(zhǎng)LDPC碼的譯碼。由于該網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)開關(guān)控制信號(hào)的產(chǎn)生是基于一種遞推的算法，因此其復(fù)雜度較高。

本文將TDMP算法運(yùn)用于WIMAX標(biāo)準(zhǔn)中所有6種碼率的LDPC碼的譯碼，通過分析得出了各個(gè)碼率LDPC碼的變量節(jié)點(diǎn)后驗(yàn)LLR在前后兩次更新之間的最小時(shí)間間隔，采用插入額外時(shí)鐘周期的方法使得更新后的節(jié)點(diǎn)信息得到了及時(shí)利用。設(shè)計(jì)了一種基于填充算法的桶形移位寄存器結(jié)構(gòu)的重組網(wǎng)絡(luò)單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)中576、768、1152和2304 4種碼長(zhǎng)的支持。采用了基于增量的循環(huán)移位模式，降低了硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和單次迭代處理的周期數(shù)，提高了吞吐率。

1 LDPC碼的譯碼算法
LDPC碼的標(biāo)準(zhǔn)譯碼算法為BP算法。TDMP及時(shí)利用了更新后的節(jié)點(diǎn)信息，加快了譯碼收斂速率。中高信噪比條件下，該算法成功譯碼所需的平均迭代次數(shù)僅是BP算法的一半。TDMP-NMS算法采用歸一化最小和算法更新TDMP算法中的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)信息，簡(jiǎn)化了運(yùn)算復(fù)雜度。該算法的譯碼處理步驟如下[3]：

(2)開始繼續(xù)下一次迭代處理。