一种多载波ofdm调制译码器的设计与实现

一种多载波ofdm调制译码器的设计与实现

1基于fpga技术的ldpc智能校验码正交频带恢复（ifcd）是一种适用于在宽带无线通信中传输高速数据的多段传输技术。基本想法是将传输的高速数据流划分为多个平行的低速数据流，然后传输到几个正交的子波后。它的最大特点是将宽带的频率选择性衰落信道转换为一组并行正交的频率非选择性衰落信道，在传输高速数据时具有内在的抗符号间干扰（ISI）能力。OFDM传输体制因其频带利用率高、抗多径和抗干扰能力强，可实现高速移动数据传输,而且易于实现，可传输移动宽带多媒体增值业务，如数字电视、数据广播、因特网业务、信息点播等。正是由于OFDM技术的这些突出优点，它有可能成为未来移动通信普遍采用的传输平台。低密度奇偶校验码(LDPC)是迄今为止发现的最好的一种纠错码，性能接近香农极限，将在3G无线通信系统、无限局域网和新一代大容量计算机存储设备中获得广泛应用。LDPC码属于线性分组码的一种，其校验矩阵是稀疏矩阵（绝大多数矩阵元素均为0，非0元素数与n是同阶的，而一般矩阵则是与n2同阶的）而得名。LDPC译码通常用基于迭代的置信传播(BeliefPropagation,BP)算法，译码算法具有高度的并行性。由于高性能DSP的广泛应用，用DSP实现LDPC译码器是可行的选择。由于浮点实现的成本高，笔者用定点方法在TMS320C6416DSP上实现了一种LDPC译码器，将其应用于OFDM系统中，结合硬件特性对译码算法进行了简化，结果表明，在性能损上定点方法比浮点方法少得多，可以较低的成本和复杂度实现高速和高数据吞吐率译码。2基带模数转换器信号转换系统结构如图1所示。其中：最主要的部分是一个通用的硬件实验平台，主要由模数转换器(ADC)、现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)3个模块组成；E4438C是多用途信号源，可以直接将编程输入的OFDM各种调制方式下基带采样数据流转化为基带模拟信号输出，并且可以进行多种加噪和衰落处理，因此能够较好地仿真实际的OFDM无线信道传输。ADC是通用的模数转换器，对信号源输出模拟信号进行采样量化得到数字比特流；经过FPGA(实现OFDM基带同步和解调交织算法后送入DSP中进行译码；DSP通过PCI总线与PC相连，向PC输出译码结果；通过比较E4438C发送的数据和PC接收到的译码结果，就能对译码器的性能进行评估。3翻译算法：ldpc3.1ldpc校验矩阵的计算LDPC是线性分组码的一种，因其校验矩阵H是稀疏矩阵而得名。LDPC可以分为正则（regular）和非正则（irregular）两大类。假设校验矩阵H为M×N阶矩阵，正则LDPC可以记做（N,j,k），其中N为码长，j为校验矩阵每列的权重，k为校验矩阵每行的权重；非正则LDPC校验矩阵每行每列中“1”的个数则不完全相同。LDPC的校验矩阵可以用二部图(bipartite)来等效表示，如图2所示。图的上半部分有N个节点，每个节点表示码字的一个比特位，称比特节点;下半部分有M个节点，每个节点表示一个校验方程，称为校验节点。如果校验矩阵中元素Hmn=1(即校验矩阵中第m行第n列的元素为1)，则对应的二部图中的比特节点n和校验节点m有一条边相连。每个节点相连的边数称为节点的度数，对于规则LDPC来说，比特节点度数为j，校验节点度数为k。3.2试验算法及过程LDPC通常采用BP算法译码，由于直接实现BP算法需要大量的乘法运算，复杂度太高，故一般用对数似然比来表示译码过程中传递的消息。为了表达清楚起见，定义如下符号信道先验概率参加校验集zm的比特节点集合为N(m)={n∶Hmn=1}，N(m)

为除xn外的N(m)；M(n)={m∶Hmn=1}为比特节点xn参加的所有校验方程的集合，M(n)\m为除zm外的M(n)；qmn为给定M(n)\m集合中对数似然比信息情况下由比特节点n传递给校验节点m的对数似然比；rmn为给定N(n)\m集合情况下由校验节点m传递给比特节点n的对数似然比。定义函数对数似然比BP译码算法如下:输入:信道先验概率输出:硬判决码字矢量译码步骤:1）初始化:对每一个n，计算先验对数似然比，并且对所有对{λ1，…，λN}作硬判决来得到x，当λn>0时xn=0，否则xn=1;如果Hx=0，则译码结束输出译码结果x，否则转步骤2）继续迭代，若迭代次数超过预设值，则输出译码失败信息。4指定ps翻译算法的简化4.1译码延迟太长Φ函数的直接实现需要进行指数和对数运算，而在定点DSP中进行指数和对数运算复杂度很高，尤其是在LDPC译码需要多次迭代的情况下，运算量会非常大，造成译码延时太长而无法用于实际系统中。图3是Φ函数的实际曲线和近似曲线，通过仿真发现，用近似折线来表示Φ函数，并不会显著降低译码器性能，却可以避免指数和对数运算，极大地减少运算量，从而提高译码迭代收敛速度，降低译码延时，保证译码器工作的实时性。4.2对数似然比动态范围对译码器性能的影响在用定点DSP实现LDPC译码器时，以16位Q格式数来表示运算的中间和最后结果，因此译码的误码率性能必然比浮点运算情况下有所损失。由于译码是一个迭代过程，这其中受影响最大的是对数似然比，必须考虑对数似然比的动态范围对译码器性能的影响。通过对选择不同动态范围参数进行译码仿真发现，当对数似然比的动态范围从（-32，+32）降低到（-8，+8）时，误码率性能仅仅下降了约0.1dB，而当动态范围减小为（-4，+4）时，误码率性能损失约0.3dB以上。因此在定点DSP实现中选择对数似然比动态范围为（-8，+8）。5仿真结果分析基于以上考虑，在TMS320C6416定点DSP上实现了一个(1024,3,6)正则LDPC译码器，并应用于OFDM系统中，在600MHz时钟下可以达到4Mbps的数据吞吐率，实测表明，该定点译码