（微电子学与固体电子学专业论文）基于cmmb系统的ldpc译码器的设计与实现.pdf

、 、 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 刀口g 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛导师签名：狮 摘要 摘要 由于l d p c 码是一种性能极佳的纠错编码，拥有高效译码的算法和适合并行 操作的硬件实现等优点，因此在信息可靠性传输领域有着良好的应用前景，成为 当今信道编译码领域最受瞩口的研究热点之一。 中国移动多媒体广播( c m m b ) 标准颁布于2 0 0 6 年，是广电总局制定及指 定的移动电视和多媒体广播技术标准。c m m b 标准的信道纠错编码技术采用的 是r s 编码和低密度奇偶校验码( l d p c ) 技术。 本文结合北京市嵌入式系统重点实验室的c m m b 科研项目，采用理论分析、 译码算法仿真和硬件实现相结合的方法，对c m m b 系统中的l d p c 译码器设计 和实现中的几个关键问题进行了研究。本文通过各种译码算法下进行浮点性能仿 真，确定硬件实现的最优译码算法和参数：在确定算法之后进行译码算法的定点 仿真，确定l d p c 译码器各个变量的最佳比特数，为l d p c 译码器硬件实现提供 参考；通过分析l d p c 校验矩阵的结构，在满足c m m b 系统要求的前提下，设 计并实现了一种速度和面积折衷的l d p c 译码器硬件结构。 本译码器采用改进的最小和译码算法及符合c m m b 标准要求的部分并行译 码器结构。该设计充分利用了l d p c 校验矩阵的规律，采用了一种适当的硬件结 构和独特的存储器调用控制策略，在保证高性能和较大吞吐率的情况下，以较少 的硬件资源实现了两种码率的复用，达到了速度和面积的平衡，可满足c m m b 系统接收端芯片设计要求。口前越来越多的通信系统采用l d p c 码作为纠错码， 这种硬件结构对其它系统的l d p c 译码器设计及实现有一定的借鉴意义。 关键词c m m b ；l d p c ；改进的最小和；部分并行 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t l d p cc o d e si sa ne r r o r - c o r r e c t i n gc o d ew i t he x t r e m e l ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ， o w n st oi t sh i g h l ye f f e c t i v ed e c o d i n ga l g o r i t h m a l s o ，i t sd e c o d i n gi ss i m p l e ，f e a s i b l e a n dp a r a ll e l i ti sc o n v e n i e n tf o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h er e s e a r c ho nl d p c c o d e sb e c o m e so n eo f t h eh o t s p o t si nc h a n n e lt r a n s m i t t i n gf i el d t h ec h i n am u l t i m e d i am o b i l eb r o a d c a s t i n g ( c m m b ) s t a n d a r d ，r a t i f i e di n2 0 0 6 ， i sm o b i l et e l e v i s i o na n dm u l t i m e d i as t a n d a r dd e v e l o p e da n ds p e c i f i e di nc h i n ab yt h e s t a t ea d m i n i s t r a t i o no fr a d i o ，f i l m ，a n dt e l e v i s i o n ( s a r f t ) l d p ca n dr sc o d i n g i su s e da sp a r to ff o r w a r de r r o rc o r r e c t i n g ( f e c ) i nc m m b s y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e di nt h e o r y , s i m u l a t e di na l g o r i t h m , i m p l e m e n t e di nh a r d w a r e f o rl d p cd e c o d e ri nt h ed e m o d u l a t o ro fc m m bt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ep a p e r s i m u l a t e dv a r i o u sd e c o d i n ga l g o r i t h m si nn o a t 吨一p o m tm o d e lt os e l e c t e dt h eo p t i m a l d e c o d i n ga l g o r i t h ma n dp a r a m e t e r sf o rt h es y s t e m ；s i m u l a t e dt h en o r m a l i z e dm s a a l g o r i t h mi nf i x e d - p o i n tm o d e lt od e t e r m i n et h eb e s tb i t so fe a c hv a r i a b l ef o rt h e l d p cd e c o d e r ；b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fl d p cc h e c km a t r i x , u n d e rt h ep r e m i s e o fm e a i n gr e q u i r e m e n t sf o rc m m bs y s t e m , d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h el d p c d e c o d e rh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，w h i c hc o m p r o m i s e db e t w e e ns p e e da n da r e a t h ed e c o d e re m p l o y st h en o r m a l i z e dm s a a l g o r i t h m , a n dp a r t i a l l yp a r a l l e l s t r u c t u r ef o rl d p cc o d ei nc m m b s t a n d a r d b yf u l l yu t i l i z i n gt h er u l eo fl d p c c h e c km a t r i x ，a na p p r o p r i a t ea r c h i t e c t u r ea n ds p e c i f i cm e t h o dt oc o n t r o lm e m o r i e sa l e p r o p o s e d ，w h i c hg u a r a n t e eh i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g ht h r o u g h p u te f f i c i e n c y , c a n r e u s em e m o r i e sf o rt w od i f f e r e n tc o d er a t e sw i t h o u tm a n yh a r d w a r er e s o u r c e s i th a s g r e a t l ym i n i s h e dt h ea r e a ，a c h i e v e st h eb a l a n c eo fs p e e da n da r e a s oi th a sc e r t a i n p r a c t i c a lv a l u e ，s u i tf o rc m m bs y s t e m a tp r e s e n t ，m o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mu s el d p cc o d ea st h ec h a n n e lc o d i n gs c h e m e ，t h ea r c h i t e c t u r ei nt h i sp a p e r w i l lg i v ear e f e r e n c et od e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo t h e rl d p cd e c o d e r k e yw o r d sc m m b ；l d p c ；n o r m a l i z e dm s a ；p a r t i a l l yp a r a l l e l i i 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 全球手机电视标准发展现状l 1 2l d p c 码的发展及研究现状3 1 3 本课题研究意义5 1 4 本文研究内容安排5 第2 章c m m b 系统与l d p c 码原理7 2 1c m m b 系统简介7 2 2 数字通信系统与信道编码8 2 3 线性分组码及l d p c 码10 2 3 1 线性分组码概述1 0 2 3 2l d p c 码的描述和图形表达一1 4 2 4l d p c 码的编码原理及算法15 2 5c m m b 系统中的l d p c 码及其编码一1 6 2 6 本章小结1 8 第3 章l d p c 译码算法19 3 1 硬判决译码算法1 9 3 1 1 比特翻转算法( b “f l i p p i n ga 培o r e h m ) 1 9 3 1 2 加权位翻转解码算法( w b fa l g o r i t h m ) 2 1 3 2 软判决译码算法2 2 3 2 1 基于概率测度的和积算法2 4 3 2 2 基于似然比度量的和积算法( l r s p a ) 2 5 3 2 3 基于对数似然比度量的和积算法( l l r - s p a ) 2 6 3 2 4 最小和译码算法2 7 3 2 5 改进的最小和译码算法2 8 3 2 6 译码算法的复杂度的比较2 9 3 2 7 译码算法仿真结果及其分析2 9 3 3 本章小结一3 2 第4 章l d p c 译码算法的浮点和定点仿真3 3 r r l 北京工业大学工学硕士学位论文 4 1 不同调制方式的信道信息3 3 4 1 1b p s k 调制3 3 4 1 2q p s k 调制3 4 4 1 316 q a m 调制3 5 4 2n o r m a l i z e dm s a 浮点仿真及分析一3 6 4 3n o r m a l i z e dm s a 定点仿真及分析。3 8 4 4 本章小结：4 2 第5 章l d p c 译码器硬件结构的设计与实现4 3 5 1l d p c 译码器硬件结构设计分析4 3 5 2 常用l d p c 译码器的设计结构4 4 5 3c m m b 中l d p c 码结构分析。4 5 5 4l d p c 译码器结构设计及实现4 8 5 4 1 译码器总体结构设计与实现4 8 5 4 2 译码器状态机模块的设计与实现5 0 5 4 3 初始信息输入模块的设计与实现5 2 5 4 4 行迭代更新模块的设计与实现5 4 5 4 5 列迭代更新模块设计与实现5 7 5 4 6 信息存储模块的设计与实现6 0 5 4 7 校验及输出模块的设计与实现6 2 5 5 译码器电路综合及分析6 5 5 6 本章小结- 6 6 结论6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 3 致谢7 5 i v 第l 章绪论 第1 章绪论 随着信息技术与通信产业的飞速发展，移动多媒体广播( 通称手机电视) 作为 新兴的多媒体业务成为炙手可热的研究热点。移动多媒体广播是指融合地面数字 电视广播和移动通信技术，为手机或者其他便携式设备( 如p m p ，p d a 等) 提供 接收数字电视广播的功能，满足用户在任何时问、任何地点、任何状态下接收电 视节目的需求。 目前，在美国、韩国及西欧的一些国家，手机电视业务的发展势头迅猛。2 0 0 5 年美国的手机电视用户达到1 3 0 万，但在2 0 0 8 年已突破1 0 0 0 万。而在韩国，2 0 0 6 年拥有2 2 0 万用广，2 0 0 9 年则达到8 0 0 万。中国的移动多媒体广播业务发展相 对落后一些，但是中国的手机用户群数量巨大，在未来的几年内，中国有望成为 世界上第一大手机电视用户国。 1 1 全球手机电视标准发展现状 当前，手机电视真正吸引人的，并不是业务模式的花样，而是标准的七国八 制。国际上有多种标准，国内j “电、电信两大领域各有各的标准，即使在国内j “ 电和电信领域，标准也不只一个。手机电视巨大的市场被人看好，因而受到多个 利益群体的激烈争抢，相关标准出现了极大的分歧。从目前来看，全球主要手机 电视标准及其业务发展主要有以下几个。 ( 1 ) d v b h i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g h a n d h e l d ) 全称“手持数字视频广 播”，是欧洲移动电视标准。d v b 是欧洲2 0 世纪8 0 年代研发的一种体系。结合 移动电话的需要，d v b h 改善了功耗和移动接收效果，通过灵活利用频率带宽， 可承载5 0 多套节目，支持g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 、 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 、w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 网络。口前d v b h 已经在法国、英国、芬兰等欧洲国家，以及美国、澳 洲、中国台湾和新加坡等国家和地区进行试播，可以与目前i p t v 以及今后的3 g 应用实现兼容和可能的技术平台共享。 ( 2 ) m e d i a f l o ( m e d i af o r w a r dl i n ko n 啪是高通公司针对地面数字广播 电视系统和手机电视系统而设计的标准。m e d i a f l o 相比d v b h 而言，其频道 切换速度更快、画面更好、待机时问更长。由于该技术使用的超高频段信号，因 此它并不会给原有的3 g 网络带来很大的负担。m e d i a f l o 目前在美国已开始商 用部署，在中国台湾地区也正试播。 1 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 即综合业务数字广 播，是口本于1 9 9 6 年开始启动的自主数字电视标准研发项目。i s d b t 于2 0 0 1 年被i t u 接收为世界上第三个数字电视传输国际标准。2 0 0 6 年6 月，巴西决定 采用i s d b - t 作为本国的数字广播标准。巴西在日本的i s d b - t 的基础上进行了 若干修改，使之具有本地化的特点。i s d b t 的市场主要在日本国内和巴西。 ( 4 ) t - d m b ( t e r r e s t r i a l - d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 全称“地面数字 多媒体广播”，是在数字音频广播d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 基础上发展起 来的。d a b 是继调幅和调频广播之后的第三代广播，是将数字化的音频信号， 在数字状态下进行各种编码、调制等处理。韩国是t - d m b 的主要推动者，t - d m b 目前在韩国已经步入商用阶段，在我国曾经有过一段时间的试播，但最后由于各 种原因没有广泛应用起来。 ( 5 ) t - m m b ( t e r r e s t r i a l m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 是2 0 0 8 年6 月 成为我国“推荐性的国家标准 的一项手机电视技术，源自北京新岸线公司。 t - m m b 采用时域复用和信道复用等技术，并利用d a b 系统的子信道和复用控 制，实现基于d a b 发射端的多标准信号输出，解决了发射端的多标准兼容性等 问题。 ( 6 ) c m m b ( c h i n a m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 是国内自主研发的第 一套面向手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相机、笔记本电脑多种移动终端的系统， 利用s 波段信号实现天地一体覆盖、全国漫游，支持2 5 套电视节目和3 0 套播 节目，2 0 0 6 年l o 月2 4 日，国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播行业 标准，确定采用我国白主研发的移动多媒体广播行业标准。c m m b 标准是国内 产业化进程最快，影响最大的移动多媒体广播标准。目前，广电总局已经在国内 各大城市建c m m b 网络，在不久的将来也将会发射卫星。奥运前，已在3 7 个 主要城市完成了建网，二期建网规划要完成1 3 7 个重要城市建网。二期建网完成 后，广电总局将招标1 0 0 万部c m m b 终端。其产业化进程远远领先于其他国内 标准，并得到了业界的广泛认可，具有广阔的市场前景。因此，研究c m m b 系 统将具有重要的意义。该标准具有完全自主知识产权，采用先进的s t i m i 传输技 术，将更能适应r f l 国市场，具有广阔的市场前景。客观地说，c m m b 是口前国 内市场化最陕、最充分的手机电视技术体制。 在我国，除了t - m m b 和c m m 竞争激烈外，还有清华的d m b t ( d i g k a l m u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 、华为的c m b ( c e l lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t ) 、通 信标准化委员会提出的c d m b ( c h i n ad i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 。t - m m b 虽然成为通信国标，但是并不是强制性的，关于手机电视的标准之争并没有结束， 一个有着巨大潜力的市场，允许多种制式共存恐怕很难避免。 2 第l 章绪论 1 2l d p c 码的发展及研究现状 自s h a n n o n 从1 9 4 8 年开创信息论【l 】以来，经过6 0 多年的发展，信道编译码 技术已经成为通信领域的一个重要分支，各种编码技术层出不穷。目前广泛研究 的l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) t 6 l - q 1 2 】【3 】最早在2 0 世纪6 0 年代由g a l l a g e r l 2 在 他的博士论文r f l 提出，但限于当时的技术条件，缺乏可行的译码算法，此后的 3 5 年问基本上被人们忽略，其问由t a n n e r 在1 9 8 1 年推广了l d p c 码并给出了 l d p c 码的图表示，即后来所称的t a n n e r 图。1 9 9 3 年b e r r o u 等人发现了t u r b o 码，在此基础上，19 9 5 年前后m a c k a y 和n e a l 4 1 等人对l d p c 码重新进行了研 究，提出了可行的译码算法【9 h 1 4 】，能得到比t u r b o 码更好的性能。从而进一步发 现了l d p c 码所具有的良好性能，迅速引起强烈反响和极大关注。经过十几年来 的研究和发展，研究人员在各方面都取得了突破性的进展，l d p c 码的相关技术 也日趋成熟，甚至已经开始有了商业化的应用成果，并进入了无线通信等相关领 域的标准。 目前，l d p c 码被认为是迄今为止性能最好的码。l d p c 码与t u r b o 码比较， 优势在于： ( 1 ) l d p c 码的译码算法，是一种基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法，运 算量要低于t u r b o 码译码算法，并且由于结构并行的特点，在硬件实现上比较容 易。因此在大容量通信应用中，l d p c 码更具有优势。 ( 2 ) l d p c 码的码率可以任意构造，有更大的灵活性。而t u r b o 码只能通 过打孔来达到高码率，这样打孔图案的选择就需要十分慎重的考虑，否则会造成 性能上较大的损失。 ( 3 ) l d p c 码具有更低的错误平层，可以应用于有线通信、深空通信以及 磁盘存储工业等对误码率要求更加苛刻的场合。而t u r b o 码的错误平层在1 0 量 级上，应用于类似场合中，一般需要和外码级联才能达到要求。 ( 4 ) l d p c 码是上个世纪六十年代发明的，现在，在理论和概念上不再有 什么秘密，凶此在知识产权和专利上不再有麻烦。这一点给进入通信领域较晚的 国家和公司，提供了一个很好的发展机会。 而l d p c 码的劣势在于： ( 1 ) 硬件资源需求比较大。全并行的译码结构对计算单元和存储单元的需 求都很大。 ( 2 ) 编码比较复杂，更好的编码算法还有待研究。同时，由于需要在码长 比较长的情况才能充分体现性能上的优势，所以编码时延也比较大。 ( 3 ) 相对而言出现比较晚，工业界支持还不够。 3 北京工业大学工学硕士学位论文 l d p c 码是当今信道编码领域的最令人瞩目的研究热点，近几年国际上对 l d p c 码的理论研究以及工程应用方而的研究都已取得重要进展。国外的学者对 于l d p c 的硬件实现作了很多相关的研究，如表1 1 所示。 表1 - 1 已有的l d p c 译码器比较 t a b l e l 一1c o m p a r i s o nb e t w e e ne x s i t i n gl d p cd e c o d e r s m m a n g o u a k a i 。 yc h e n t l 7 1ek i e n i e t 5 0 1 pu r 盯d s q 0 8 1 1 2 i 】 z h a n g t 5 2 】 1 6 2 0 0 c o d el e n g t h8 0 8 86 4 8 0 02 0 4 89 2 1 6 6 4 8 0 0 f r e q u e n c y 2 1 2 m z2 7 0 m h z1 2 5 m h z3 0 0 m h z6 0 m 旺 z i t e r a t i o n s2 53 04 15 t h r o u g h p u t 1 8 8 m b p s 2 5 5 m b p s1 6 g b p s1 3 5 m b p s4 8 m b p s t e c h n o i o 豺 1 1 0 r i m1 3 0 r i m9 0 n m9 0 r i m a r e a2 6 m m 22 2 7 m m 215 8 r a m 22 6 硼m 2 p o w e r 7 6 0 m w7 0 0 m w3 4 m w l d p c 码理论的深入发展推动了其实用化进程。工业界己经有l d p c 编译 码芯片问世。其中，处于领先地位的f l a r i o n 公司推出的基于a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，专用集成电路) 的v e c t o r l d p c 解决方案使用了约 2 6 0 万门，最高可以支持5 0 0 0 0 的码长，0 9 的码率，最大迭代次数为1 0 ，译 码器可以达到1 0 g b p s 的吞吐量，其性能己经非常接近香农限【l 】，可以满足目前 大多数通信业务的需求。, m - i a 公司、d i g i t a lf o u n t a i n 公司也都推出了自己的编 译码解决方案。 为达到数字高清标准，第二代卫星数字电视广播( d v a s 2 ) q b 采用了b c h 码 和l d p c 码级联的方案。在无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6 e 草案中，l d p c 码与t u r b o 码一起作为编码调制的各选方案。随着l d p c 码理论的成熟和集成电路工艺的发 展，l d p c 码将应用到更多的通信系统巾，l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 也将l d p c 码作为信道编译码的备选方案。c m m b 传输系统所采用的是具有自 主知识产权的s t i m i 技术体系，该体系最大的技术亮点之一就是采用l d p c 码 作为信道编码。 l d p c 码具有巨大的应用潜力，将在深空通信、光纤通信、卫星数字视频、 数字水印、磁光全息存储、移动和固定无线通信、电缆调制解调器和数字用户 线( d s l ) 中得到广泛应用。 4 第1 章绪论 1 3 本课题研究意义 一 相对其它手机电视标准，c m m b 有如下优势： ( 1 ) c m m b 借助卫星通信，能极好地解决移动终端( 手机电视) 信号流畅 的问题： ( 2 ) c m m b 由国家广电总局管理，其负责的电影、电视、广播载体具有丰 富的电视内容资源。 ( 3 ) 收费低廉，c m m b 兼顾国家媒体信息发布功能。 c m m b 系统采用正交频分复用( o f d m ) 技术p 4 】【3 6 】，充分利用其频谱效率高 和抗多径干扰引起的频率选择性衰落的优势以实现较高速率地传输音频和视频 信息。但是，相对单载波系统而言，采用o f d m 技术的c m m b 系统也存在一定 的技术难点，基于l d p c 的信道编译码就是其中之一。c m m b 系统中的l d p c 编 译码技术，其优势是压缩了编译码所需的矩阵存储空间，而且还有效的降低了编 译码复杂度，更使系统具有良好的抵御移动信道中的多径衰落的性能。 根据统计，现代的通信芯片中，有将近1 2 的而积，1 3 的功率消耗在信道 编译码模块1 5 h 3 2 1 上的，由此可见信道编译码模块的性能好坏将决定通信芯片的 成本与复杂度，也将决定数字电视发射器和接收器的优劣，进而决定一个公司在 市场上的竞争力。所以，设计并实现一个性能、面积及功耗均满足系统要求的 l d p c 译码器对于整个系统来说至关重要。 1 4 本文研究内容安排 本文来源于北京市嵌入式系统重点实验室科研项目中国移动多媒体j - 播 ( c m m b ) 解调芯片。本人主要承担了接收解调芯片中l d p c 译码器模块的设计与 实现，包括译码算法的浮点和定点仿真，硬件结构的设计与实现等。首先采用理 论分析结合计算机仿真的方法，对l d p c 译码器设计中几个关键问题进行了分析 和研究：c m m b 系统所采用的l d p c 码校验矩阵结构特征、各种译码算法的性 能、译码算法浮点和定点仿真等；之后结合硬件设计及仿真的方法对c m m b 系 统中l d p c 译码器实现进行具体说明。 本文研究的主要内容及具体安排如下： 第1 章“绪论”首先捕述了全球手机电视标准发展现状，接着阐述了l d p c 码及l d p c 译码器研究的现状和意义，最后给出了本论文的主要研究内容及具体 安排。 第2 章“l d p c 码原理”首先阐述数字通信及信道编码的基本理论，然后简 5 北京工业大学工学硕士学位论文 单介绍c m m b 标准，线性分组码的基本原理，包括线性分组码中生成矩阵和校 验矩阵的基本概念。介绍l d p c 码的基本概念和t a n n e r 图表示方法，并详细描 述l d p c 码的主要编码方法，最后对c m m b 系统中l d p c 编码器进行简单介绍。 第3 章“l d p c 译码算法”首先从硬判决和软判决两个方面对l d p c 码的译 码算法进行系统的研究。概述常用的硬判决译码算法比特翻转( b f ) 算法及其改 进算法和软判决译码算法对数似然比测度的两种l l r s p a ( t a n hl l r - s p a 、 g a l l a g e rl l r - s p a ) 、最小和算法( m s a ) 、n o r m a l i z e dm s a 和o f f s e tm s a ；并对 c m m b 标准中l d p c 码的各种译码算法进行仿真和性能分析，选定一种实现复 杂度低、性能较高的译码算法- n o r m a l i z e dm s a 译码算法。 第4 章“l d p c 算法的浮点和定点仿真”是本文的重点篇章，即对选定的译 码算法n o r m a l i z e dm s a 进行从浮点到定点化的过程。首先介绍译码器的仿真平 台及译码软解调信息，然后通过对算法的浮点仿真确定算法的关键参数归一化 因子a 及最大迭代次数i t e r m 戤，最后是算法的定点化过程，通过比较不同的定点 量化方案，选择一种即保证性能又降低存储空间的量化方案，即确定最优的输入 信息和中间信息的量化比特宽度，为译码器硬件实现提供参考和依据。 第5 章“l d p c 译码器硬件结构的设计与实现”是本文的核心篇章，主要详 述l d p c 译码器硬件设计及实现。首先阐述常用l d p c 译码器的设计方法，然 后针对c m m b 系统中l d p c 的译码器设计及实现进行详细说明，包括译码器总 体结构、各个子模块设计与优化、存储器单元的优化利用等，最后针对完成后的 l d p c 译码器电路进行综合，评估译码器电路的总体成果。 最后，总结并描述本文的研究成果及意义，并指出存在的不足之处，提出下 一步的研究工作。 6 第2 章c m m b 系统与l d p c 码原理 第2 章c m m b 系统与l d p c 码原理 2 1c m m b 系统简介 c m m b 标准定义了在3 0 m h z - - - 3 0 0 0 m h z 频率范围内，移动多媒体广播系统 广播信道物理层各功能模块，给出了移动多媒体广播信道物理层传输信号的帧结 构、信道编码、调制技术以及传输指示信息。该标准定义的广播信道物理层带宽 0 3 0 有两种：8 m h z 和2 m h z 。 物理层对每个物理层逻辑信道进行单独的编码和调制，其中控制逻辑信道采 用固定的信道编码和调制模式：r s 编码采用r s ( 2 4 0 ，2 4 0 ) ，l d p c 编码采用1 2 码率，星座映射采用b p s k 映射，扰码初始值为选项0 。业务逻辑信道的编码和 调制模式根据系统需求可灵活配置，配置模式通过系统控制信息向终端广播。根 据编码和调制参数不同，物理层可提供不同的传输净荷。 c 啪系统发射机功能框图见图2 - 1 ，来自上层的输入数据流经过前向纠错 编码、交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行o f d m 调制。 调制后的信号插入帧头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射。 o f d o f d 基带刭 频域符 扰玛_调翩 _ +成帧射频的 号彤成转挠 t 图2 1c m m b 系统发射机功能框图 f i g u r e2 - 1t h ef u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo fc m m bs y s t e mt r a n s m i t t e r 7 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 数字通信系统与信道编码 通信的目的是通信双方可以把交互信息即时可靠的传送给对方。所有的数字 通信系统如通信、雷达、遥控遥测、数字计算机存储系统的内部运算以及数字计 算机之间的数据传输等，都可以归纳成如图2 2 所示的模型。 ( 1 ) 信源编码器任务是将信源发出的消息如语言、图像、文字等转换成为 能够抵抗信道噪声和失真以及有利于在传输媒质上进行的传输形式。 ( 2 ) 信道编码器作用是在信息序列中嵌入冗余码元，减小传输中发生的信 号和码元错误，提高系统的可靠性。 ( 3 ) 数字调制器作用是将编码的数字序列映射成适合在信道上传输的模拟 连续信号。 ( 4 ) 信道传输介质，典型的传输信道包括有线信道、光纤信道、无线信道、 卫星信道、磁记录信道以及水下声音信道等。 ( 5 ) 数字解调器作用是通过对接收到的调制信号序列或传输码字进行最优 估计，然后输出数字编码序列或信道信息到信道译码器。 ( 6 ) 信道译码器对传输消息进行估计和判决，估计准则是根据编码准则和 信道特性而确定的，目的是使信道噪声所造成的信号判决错误最小化。 ( 7 ) 信源译码器根据信源编码准则将得到的信道译码器输出的编码信息序 列经过相应的信源译码后，得到对原始信源序列的估计并传递给用户。 图2 - 2 数字通信系统 f i g u r e2 - 2d i # t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 本文主要考虑二元有限域上的信道编码，因此不再区分码元和比特的概念。 差错控制码的基本目标是在有限的信号功率、系统带宽和硬件复杂性要求下使通 信的可靠性最大，这个目标是通过在信息序列中引入冗余比特来实现的。与未编 码系统相比，信道编码会导致数据传输率的降低或者使对信道带宽的要求增加。 图2 2 中的信道编、译码器是本文关注的主要方向。为了便于研究，将图1 1 模型再进一步简化成如图2 3 所示的模型。 8 第2 章c m m b 系统与l d p c 码原理 区湘 f i g u r e2 - 3c h a n n e le n c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d e l 在此模型中，信源是指原来的信源和信源编码器，其输出是二进制( 或多进 制) 信息序列。信道是包括发射机、实际信道和接收机在内的广义信道( 又称编码 信道) ，它输a - 进制( 或多进制) 数字序列，输出一般也是二进制( 或多进制) 数字 序列。 根据著名的s h a n n o n 公式1 】： c 圳( + 彘) 协， 其中肜为信道带宽，乞为信号平均功率，n o 为噪声的单边功率谱密度，信 道容量c 的单位为比特秒。在数字通信系统巾，用毛代表每一比特需要传输的 能量，则有： 匕= c e b ( 2 2 ) 于是s h a n n o n 公式变形为： c = l 0 9 2 旧急) 协3 ， 结果是： 墨：2 c w - 1 ( 2 - 4 ) n o c w 由s h a n n o n 公式可知，当带宽形趋于无穷时，信道容量不会趋于无穷，而 是趋于一个渐进值。此时c w 一0 ，则有： 墨：l i m 2 c l w - 1 ：l n 2 ：o 6 9 扭( 2 - 5 ) n o c f w 埘c w 这个值被称为s h a n n o n 限。这是带宽无限的高斯白噪声信道达到信道容量所 需的最低信噪比，是通信系统传输能力的极限。 s h a n n o n 公式研究了信道的传输能力的极限，即传输的有效性问题。南式( 2 1 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 可见，传输带宽和信噪比之间可以互换。s h a n n o n 公式给出了这一关系的极限形 式，但并未解决具体实现方法。 s h a n n o n 指出了纠错码的存在条件及寻找方向，但没有给出设计纠错码的具 体方法，或简易译码器的具体实现方法。人们一直在努力寻找能够更加逼近 s h a n n o n 限的优秀的编码方法。如表2 1 所示，从早期的分组码、代数码，到r s 码、卷积码，直到现在的t u r b o 码、l d p c 码，性能与s h a n n o n 限的差距越来越 卅、。 表2 - 1 各种编码方法在b e r ( b i t se r r o rr a t e ) 1 0 。5 时的最小e d n o t a b l e2 - 1t h em i n i m u me d n oo f v a r i o u sc o d i n gm e t h o d sw h e nb e r 1 0 巧 1 2 码率编码 b e r 1 0 。5 时的最小e 州o s h a n n o n 随机编码理论 0 1 8 ( i b ( 2 5 5 ，1 2 3 ) b c h 编码 5 4 d b ( 2 ，1 ，7 ) 卷积编码 4 5 d b t u r b o 编码 0 7 d b l d p c 编码0 0 0 0 4 5 d b 2 3 线性分组码及l d p c 码 2 3 1 线性分组码概述 分组码是由一组固定长度称为码字的矢量构成。码字的长度是矢量元素的个 数，用n 表示。码字的元素选自q 个元素组成的字符集。当字符集由0 、l 两个 元素组成时，该码就是二进制码，此时码字的任一元素称为比特。长度为n 的二 进制分组码有2 “种可能的码字。从这2 “种码字中可以选择m = 2 0 个码字( k n ) 组成一种码。这样，一个k 比特信息的分组可以映射到长度为n 的一个码字，该 码字是由m 个码字构成的码字集合中选出来的。这样得到的分组码称为( n ，k ) 码，定义r = k n 为码率。 分组码除了用二进制码或非二进制码来区分以外，还可以用线性码和非线性 码来描述。假设c i ，c i 是某个( n ，k ) 分组码的两个码字，仅，1 3 是码元字符集 里的任意两个元素，那么当且仅当a c i + b c i 也是码字时，才称该码是线性的。 假设行向量【c o , c 1 ，c n l 】的所有