超寬帶無線通信中LDPC碼硬件仿真實(shí)現(xiàn)

　　1 引 言

　　碼長較長的低速LDPC編碼在信噪比較低的應(yīng)用場合呈現(xiàn)出其他編碼無法匹敵的優(yōu)勢，已經(jīng)證明非規(guī)則的LDPC碼性能甚至優(yōu)于Turbo碼高速LDPC編碼性能也比較好.尤其是在磁記錄等一些應(yīng)用場合，碼長較短的高速LDPC編碼有著較為廣闊的應(yīng)用前景。在不久的將來，LDPC編碼將用于更多高速高質(zhì)量的通信場合。而UWB通信技術(shù)因其傳輸速率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)在短距離的網(wǎng)絡(luò)中得到越來越多的關(guān)注。特別是UWB無線通信因其具有良好的時(shí)域可分辨性尤其適合于密集多徑環(huán)境中的短距離多用戶接入。本文在SvstemGenerator中對LDPC碼整個(gè)編譯碼系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化的硬件實(shí)現(xiàn)，并構(gòu)建了超寬帶通信系統(tǒng)LDPC碼硬件仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了LDPC碼在UWB通信中的優(yōu)異性能。

　　2 UWB～LDPC的譯碼算法及不同環(huán)境下的初始化方法

　　LDPC碼采用置信傳播算法(BP)可以有效地解碼，由于存在大量的乘法運(yùn)算，直接采用BP算法會(huì)導(dǎo)致很高的硬件復(fù)雜性，因此采用了對數(shù)(Log)運(yùn)算將乘法變換為加法，這種算法叫做Log-BP算法。實(shí)際上，BP和Log-BP算法實(shí)現(xiàn)的是同樣的譯碼準(zhǔn)則。

　　首先定義幾個(gè)可能用到的幾個(gè)變量及符號(hào)的意義：H

　　因子的統(tǒng)計(jì)平均值，當(dāng)瑞利信道平均能量為1時(shí)，Ea(a)=0.8662。在UWB通信中，采取文獻(xiàn)給出的混合軟標(biāo)準(zhǔn)化算法，利用UwB信號(hào)的歸一化的自相關(guān)值對

　　3 LDPC碼硬件解碼結(jié)構(gòu)

　　由于并行解碼性能與串行解碼在性能上并無差別，只是占用更多的硬件資源來換取更快的速度，并且每一種并行結(jié)構(gòu)只能針對具有某一特定校驗(yàn)矩陣的LDPC碼。所以本文就以串行解碼硬件實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)分析。

　　3.1串行解碼結(jié)構(gòu)

　　串行解碼結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，幀檢測單元檢測到幀頭后表示后面的輸入有效，啟動(dòng)譯碼器。初始化單元完成譯碼器的初始化;校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)單元和變量節(jié)點(diǎn)單元分別完成校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)和變量節(jié)點(diǎn)的更新計(jì)算，其中校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)單元還要判斷是否滿足校驗(yàn)條件或達(dá)到最大迭代次數(shù);兩個(gè)RAM完成特定校驗(yàn)矩陣迭代信息的位置置換;中心控制模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的流程控制;緩沖模塊是為了達(dá)到速率匹配和能夠連續(xù)譯碼而設(shè)置的。

　　(1) 初始化單元

　　初始化信息是整個(gè)譯碼器最重要的譯碼依據(jù)，在對一幀初始化信息進(jìn)行譯碼判決的過程中，迭代運(yùn)算不斷調(diào)用的初始化信息必須保持不變，因此采用存儲(chǔ)器將初始化信息進(jìn)行存儲(chǔ)，在一幀的時(shí)間內(nèi)保持不變。一幀時(shí)間后將開始接收新的信息為下一幀譯碼做準(zhǔn)備。初始化單元在SystemGenerator中實(shí)現(xiàn)比較簡單，只要用一個(gè)ROM存儲(chǔ)所需的初始化信息，然后根據(jù)量化后的軟信息查表即可。

　　(2)VNU(變量節(jié)點(diǎn))單元

　　VNU的功能為計(jì)算"變量一校驗(yàn)"信息以及更新后驗(yàn)對數(shù)似然比。其硬件實(shí)現(xiàn)圖如圖2所示，3個(gè)"校驗(yàn)一變量"信息和1個(gè)比特初始化信息相加減去相對應(yīng)的1個(gè)"校驗(yàn)一變量"信息所得到的值舍人處理后作為查找表運(yùn)算的輸入，查找表用于計(jì)算公式

　　(3)CNU(校驗(yàn)節(jié)點(diǎn))單元

　　CNU的功能為計(jì)算"校驗(yàn)一變量"信息。CNU實(shí)現(xiàn)與VNU基本相似，6個(gè)"變量一校驗(yàn)"信息相加減去相對應(yīng)的1個(gè)"變量一校驗(yàn)"信息所得到的值舍入處理后作為查找表運(yùn)算的輸入，最后將查找表運(yùn)算結(jié)果按計(jì)算的符號(hào)位正負(fù)輸出至VNU處理單元。由于是二進(jìn)制系統(tǒng)，本文采用異或運(yùn)算代替乘法運(yùn)算計(jì)算符號(hào)位，其硬件實(shí)現(xiàn)圖如圖3所示。

　　3.2 串行解碼在SystemGenerator中的整體實(shí)現(xiàn)

　　串行解碼在SystemGeneratot中的整體實(shí)現(xiàn)如圖4所示，其中frame detect實(shí)現(xiàn)圖1中的幀檢測模塊用來啟動(dòng)譯碼器，VNU，CNU完成變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新的計(jì)算，2個(gè)單口RAM通過讀寫和地址的控制完成迭代信息的位置置換，其置換地址是預(yù)先在軟件中計(jì)算得出存在ROM中的。這種串行解碼結(jié)構(gòu)比較靈活，只需要改變ROM中的讀寫地址就可以適用于不同的LDPC碼(校驗(yàn)矩陣的維數(shù)，行重、列重必須相同)，而對于每個(gè)LDPC碼其地址置換信息只需計(jì)算一次即可。原始信息經(jīng)過延遲用以與解碼后的數(shù)據(jù)比較。

　　4 UWB-LDPC的SystemGenerator參數(shù)化硬件仿真

　　4.1 系統(tǒng)仿真的總體框圖

　　系統(tǒng)仿真的總體框圖如圖5所示，原始數(shù)據(jù)通過LDPC編碼和調(diào)制，通過信道加上噪聲，然后解調(diào)后的量化軟信息進(jìn)入LDPC譯碼器進(jìn)行解碼，由于編碼和解碼都需要一定的時(shí)間，因此原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過延時(shí)后才能與譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和計(jì)算誤碼率。

　　4.2 仿真環(huán)境

　　我們在SystemGenerator環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了串行和并行兩種解碼方式以及不同初始化方案的LDPC碼，整個(gè)實(shí)現(xiàn)都采用參數(shù)化方式。為了方便驗(yàn)證性能，本文還建立了VC仿真界面來設(shè)置不同的參數(shù)。SystemGenerator是DSP高層系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Xilinx FPGA實(shí)現(xiàn)之間的"橋梁"，他在Matlab/Simulink的環(huán)境下完成算法的建模，然后生成相應(yīng)的工程。ISE可對工程進(jìn)行仿真、綜合、最后完成算法的硬件化。仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)置見表1。

　　其中高斯信道的硬件模擬是采用文獻(xiàn)的BoxMuller算法。仿真采用蒙特卡羅仿真方法，LDPC解碼在不同環(huán)境下的BER性能和迭代次數(shù)如圖6所示。

　　圖6(a)表示的是誤碼率仿真圖，圖6(b)表示的是平均迭代次數(shù)仿真圖。仿真結(jié)果表明，對于傳統(tǒng)的LDPC碼采用硬件仿真的性能由于量化的影響略差于軟件仿真，但采用了文獻(xiàn)改進(jìn)初始化方案的UWB-LDPC的硬件仿真性能要好于軟件仿真的傳統(tǒng)LDPC編碼方式。尤其是信噪比大于1.5dB時(shí)，UWB-LDPC的BER性能有較大的改善，在10-4時(shí)大約比傳統(tǒng)的LDPC大約有1.2 dB的編碼增益，平均迭代次數(shù)也有所減少。因此改進(jìn)的LDPC碼比傳統(tǒng)的LDPC碼更能滿足UwB通信需求。

　　5結(jié) 語

　　本文對LDPC碼在UWB通信中的應(yīng)用做了探索，整個(gè)仿真都在SystemGenerator中參數(shù)化實(shí)現(xiàn)并構(gòu)建了硬件仿真環(huán)境，為LDPC碼在UWB通信中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了有益的嘗試。