CCSDS标准下低码率LDPC码的编码器设计

LDPC码编译码器的原理及其硬件实现
低密度校验码(LDPC,Low-Density Parity-Check Codes)是一种能逼近Shannon容量限的渐进好码,其长码性能甚至超过了Turbo码。

由于低密度校验码具有译码复杂度低、错误平层低等诸多优点,它在信息可靠传输中的良好应用前景已经引起学术界和IT业界的高度重视,成为当今信道编码领域最受瞩目的研究热点之一。

但是其编码的复杂度较高,在一定程度上限制了它的应用。

本文结合国家自然科学基金和Philips公司等科研项目,采用理论分析、计算机仿真和硬件实现的方法,对LDPC码的编译码原理、算法进行了研究,设计了LDPC码的硬件编译码器。

主要完成的工作有以下几个方面:针对LDPC码的ErrorFloor与汉明距离之间的关系使用C++语言实现了LDPC码最小重量码字的搜索算法,通过几个实例对算法的可行性和有效性进行了验证,为LDPC码的性能分析和ErrorFloor的确定提供了一种新的方法。

对CCSDS标准中的LDPC码的性能进行了仿真,给出来一种好的编码实现方法,降低了编码器实现时所需硬件资源;对于译码器的实现,我们使用了利于硬件实现的Normalized MSA译码算法,在消息传递过程中,我们结合了该校验矩阵特殊的并行结构优点,在信息的传递和存储时提出了一种独特的实现方案,极大地降低了所需的硬件资源。

CCSDS标准中LDPC码译码器研究与实现Research and Implementation of LDPC Codes Decoder in CCSDS Standards薛丽(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)Xue Li(Southwest China Electronic Technology Institute,Sichuan Chengdu610036)摘要：目前，准循环LDPC(QC_LDPC)已经广泛应用IEEE802.11、IEEE802.16、DVB-S2、CCSDS、3GPP5G-NR等系列标准。

LDPC码的性能非常优越、复杂度较低、吞吐量高、可以进行并行解码，解码时延小。

该文针对CCSDS131.0-B-2标准中10种码字的LDPC码以码率为单位在FPGA上进行了兼容实现，并给出了进一步实现高速译码和降低硬件资源的方法，为在实际工程实现需要提供了重要参考。

关键词：准循环低密度校验码(QC_LDPC码)；译码器；FPGA实现中图分类号：TN911.22文献标识码：A文章编号：1003-0107(2021)05-0099-06Abstract:Nowadays,Quasi-cyclic low-density parity-check(QC_LDPC)codes has been widely used in IEEE 802.11,IEEE802.16,DVB-S2,CCSDS,3GPP5G-NR series of standards.LDPC code has excellent perfor-mance,low complexity,high throughput,parallel decoding and small decoding delay.This paper aims to compatible implement the10kinds of code in the CCSDS131.0-B-2standard on the FPGA,and gives the method of further realizing high speed decoding and reducing hardware resources,providing important reference to the realization needs of engineering.Key words:Quasi-cyclic low-density parity-check codes;decoder;FGPGA implementationCLC number:TN911.22Document code:A Article ID：1003-0107(2021)05-0099-060引言低密度校验码(LDPC)[1-2]是在1963年由Gallager发明的线性分组码。

CCSDS遥控应用中LDPC码编译码算法研究与实现低密度奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码由于具有逼近香农限的优异性能和较低的实现复杂度获得了广泛的研究,近年来在无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)、第五代移动通信技术(Fifth Generation Mobile Networks,5G)等关键领域获得了广泛的应用。

在航空航天应用中,国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space DataSystems,CCSDS)针对航天遥控应用数据帧帧长相对较短的特点,提出了三种码长较短的LDPC码。

本文围绕其推荐的短码长LDPC码,重点研究短码长LDPC码的编译码算法,主要研究内容如下:(1)为了提高准循环LDPC码编码器的吞吐量,提出了基于反馈移位寄存器的低并行度编码方案。

传统的基于循环移位寄存器的编码方案利用生成矩阵的准循环特性产生生成矩阵,虽然结构清晰易于实现但吞吐量较低。

所提的低并行度编码方案,在资源消耗量与基于循环移位寄存器的编码方案相当的条件下,实现了编码速率的翻倍,降低了编码延时。

(2)针对CCSDS遥控应用中LDPC码码长较短、Tanner图中的短环影响BP(Belief Propagation)译码算法性能的问题,在Normalized LLR BP(Log-likelihood Ratio BP)算法和UMP BP(Uniformly Most Powerful BP)算法的基础上,提出了一种改进译码算法。

该译码算法通过校验节点和变量节点同时进行补偿,改善了其短码长LDPC码的译码性能,仿真结果表明,所提改进算法的译码性能优于理论BP译码算法和UMP BP算法。

同时,所提算法的计算复杂度远小于BP译码算法,与UMP BP算法相当。

(3)设计了CCSDS标准中短码长LDPC码改进译码算法的实现方案,并在FPGA硬件平台上进行了实现和验证。

基于CCSDS标准的卫星遥控LDPC编码方案探讨WANG Baiyan;LIU Zhij un;WANG Rui;YE Mian;XIONG Xiaoj iang;HAN Xiaodong【摘要】随着天地一体化及遥控可靠性需求的不断提高,传统卫星遥控标准中广泛采用的BCH码很难满足未来卫星遥控链路复杂多样的需求.为此,文章将卫星遥控指令分为短指令模式和内存上注指令模式两大类,设计低密度奇偶校验(LDPC)编码方案.对于帧长较短的遥控指令,采用 3 种码长较短的LDPC码,与目前空间数据系统咨询委员会(CCSDS)遥控标准推荐的 BCH(63,5 6)码相比,在误码字率为 1 0－5量级时,可以额外获得4~6 dB的增益.对于大数据量的内存上注指令,应用现有CCSDS遥测标准推荐的 LDPC(81 60,7 1 36 )编码方案,当误码字率为 10－5量级时,所需信噪比(Eb/N0 )约为3?8 dB,编码增益约为7 dB.为了实现LDPC编码方案,文章设计了与BCH码相似的协议格式,改动量较小且具有良好的兼容性,不会对已有遥控系统产生影响.译码方案采用并行的FPGA译码器架构及最小和译码算法,其译码复杂度较低,硬件实现资源占用较少,具有可行性.%With the continuous improvement of space﹣ground integration and telecommand (TC) reliability,the BCH code which is widely used in the satellite TC standards is impossible to meet the complex and variable needs of the TC channel for the future satellites.In this paper,two broad classes of commands are identified for LDPC coding scheme design.For the simple com﹣mands with short block length,three LDPC codes with short block length are pared with the BCH (63,5 6)code recommended by the current CCSDS TC standard,4 dB to 6 dB cod﹣ing gain can be obtained for LDPC codes when the word error rate is 10－5.For the large volumecommands,this paper refers to the LDPC (81 60,7 1 36)coding scheme recommended by the CCS﹣DS telemetry (TM)standard.When the word error rate is 1 0－5 ,the required E b/N 0 of LDPC (8 1 6 0 ,7 1 3 6 )code is around 3?8 dB and the coding gain is around 7 dB.For the LDPC coding scheme, the protocol of the LDPC codes remains similar to that for the current BCH code,with small changes and good compatibility.The decoding scheme adopts the parallel FPGA decoder structure and min﹣sum decoding algorithms,with low decoding complexity and less hardware resources.【期刊名称】《航天器工程》【年(卷),期】2019(028)003【总页数】9页(P70-78)【关键词】卫星遥控;编码方案;低密度奇偶校验码;编码增益【作者】WANG Baiyan;LIU Zhij un;WANG Rui;YE Mian;XIONG Xiaoj iang;HAN Xiaodong【作者单位】Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China;Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing100094,China;Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China;Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing100094,China;Institute of Telecommunication Satellite,China Academy ofSpace Technology,Beijing 100094,China;Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China【正文语种】中文【中图分类】TN911.7遥控链路是实施星上设备状态控制的唯一通道，主要实现遥控指令的接收、解调和译码，帧长较短的遥控指令以每天几次甚至每周几次的频率传输到卫星，因此遥控方案设计需要考虑短指令、低延时、实现简单及高可靠性等特点。

基于CCSDS标准的LDPC编译码应用技术研究作者：张庆林等来源：《计算机光盘软件与应用》2013年第15期摘要：空间数据系统咨询委员会（CCSDS）是由多个国家空间组织组成、以建立一套空间数据系统标准为宗旨的国际标准化组织，低密度奇偶校验码（LDPC码）以其低复杂度的迭代译码算法和可逼近信道容量限的性能而成为当前最佳的编码技术之一。

本文在CCSDS标准校验矩阵和生成矩阵的基础上，通过阐述LDPC码的编译码思想，进行了LDPC编译码技术在卫星数传系统上的应用研究，并进行了高斯信道下的性能仿真分析。

关键词：LDPC；CCSDS；纠错编码；AWGN信道；误码率中图分类号：TN911LDPC码在设计、构造、快速编码、译码、性能分析以及在数字通信和存储领域中的应用成为研究的焦点。

经过证明：LDPC码在采用基于置信传播的迭代译码算法的条件下具有逼近Shannon限的良好性能，而且由于LDPC码的校验矩阵H的稀疏性，长编码分组时，编码本身就具有抗突发差错的特性，不需要交织器的引入，避免了可能带来的时延。

1 基于CCSDS的编译码应用技术1.1 数传帧格式卫星数传系统设计中，帧格式采用CCSDS建议的标准，具体的CCSDS建议的帧格式如下图所示：1.2 编码实现采用CCSDS推荐的7/8码率LDPC正则码作为信道编码方式，CCSDS推荐的7/8码率LDPC码为（8176，7154）基码，其校验矩阵H由32个循环子矩阵构成，如下式所示：其中，Ai，j为循环移位子矩阵，且每个Ai，j均由511×511个比特组成，每行有两个“1”，每列有两个“1”，则校验矩阵的行重为32，列重为4，符合稀疏校验矩阵的定义。

具体的7/8码率的校验矩阵H的图形表示如下图所示，矩阵中黑线部分表示为1的元素。

CCSDS推荐的校验矩阵H的第一大行和第二大行均属于QC-LDPC码，与其他类型的码相比，这种码字具有编码优势，可以使用简单的移位寄存器进行编码，在使用集成电路方面实现编译码也具有很大的优势。

CCSDS深空通信标准LDPC码编译码器设计21世纪将是人类向深空发展的一个世纪,航天活动对人类文明和社会进步的影响进一步增强。

深空通信有传输距离遥远、信号损失严重的特点,需要用高增益的信道编译码等技术措施以保证信息的可靠传输。

作为一种高增益的信道编码技术,低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC Code)’性能卓越,近年来在深空通信领域获得越来越多的关注。

如何对LDPC码译码性能进行有效地分析,设计出适合于深空通信的性能优越的实用LDPC码,是一个值得研究的问题。

LDPC码最初由Gallager于1962年发现,它是一类用非常稀疏的校验矩阵或Tanner图定义的线性分组纠错码。

由于当时条件所限,被人们忽略了30多年。

LDPC码被重新发现后,它在设计、构造、译码、快速编码、性能分析以及在数字通信和存储系统领域中的应用成为研究的焦点。

论文首先介绍了LDPC码的基本原理,包括LDPC码的基本概念、表示方法和分类情况,讲述了校验矩阵的常用构造方法。

然后,着重介绍了基于CCSDS标准的深空LDPC码的校验矩阵构造方法,结合深空通信的特点,研究了AR4A LDPC码的构造方法和特性之后,对CCSDS标准深空LDPC码的构造原理进行分析。

接着,根据该码的特征设计出一种适合的编码器结构,采用VHDL语言在Xilinx ISE中完成了编码器的硬件设计,同时在Matlab编程对算法进行仿真计算并与其比对,结果完全正确。

最后又分析比较了几种译码算法,包括两种硬判决译码算法和两种软判决译码算法,进行性能仿真分析,从中选出适合深空通信条件下的译码方法,利用VHDL语言完成了LDPC码译码器的硬件设计。

结果显示,编码器具有低复杂度编码结构,译码器性能卓越,可以满足深空通信的性能要求。

准循环LDPC码的编译码器设计及FPGA实现准循环低密度校验码(Quasi-Cyslic Low-Density Parity-Check
Codes,QC-LDPC)是LDPC码的一个子类。

QC-LDPC码在编码和译码时,具备了其它类型的LDPC码不具有的很多优点,例如准循环LDPC码通过调整相应的参数快速的构造大量的不同码率且性能较为合适的校验矩阵,而且可以采用移位寄存器的方式进行编码,大大降低了编码复杂度,译码也很简单。

目前准循环LDPC码已经成为CCSDS深空通信的备选方案之一。

本文作者结合国家自然科学基金重点项目,采用理论分析和硬件平台仿真相结合的方法,针
对CCSDS标准对准循环LDPC码的编码和译码进行了研究和实现。

主要完成的工作有以下几个方面:系统地介绍了LDPC码的编译码原理;重点分析了LDPC码归一化最小和译码算法的消息迭代更新公式以及准循环LDPC码编码实现方法。

在分析归一化最小和译码特点的基础上,根据准循环LDPC校验矩阵的特点,提出了准循环LDPC码译码器的FPGA实现方法,并给出了主要的硬件设计、门级仿真和硬件平台实测结果。

对准循环LDPC码的编码方案进行硬件资源与吞吐量方面的对比权衡,给出
了适用于FPGA硬件实现的编码算法,并给出了硬件实现的主要结构设计和编码
吞吐量。

硬件平台实测结果表明,本文设计的准循环LDPC码的FPGA编译码器各个工作指标满足深空通信的指标要求,可以应用于深空通信应用环境中。

一种CCSDS深空标准的LDPC码高效实现
兰天
【期刊名称】《飞行器测控学报》
【年(卷),期】2012(031)006
【摘要】针对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)深空通信标准LDPC(低密度奇偶校验码),为减少定点量化后的译码性能损失,提出了一种改进的译码修正算法.通过分析矩阵结构特点,并引入交错译码结构以及流水结构,设计了一种适合该标准深空通信LDPC码编译码器的高效实现结构.使用此结构,在Xilinx公司的XC5VSX95T 芯片上实现了CCSDS深空通信标准的(8192,4096) LDPC码,在40次迭代情况下可以达到47m的吞吐率.实践表明:该设计可以灵活地移植应用于其他码率的CCSDS深空通信标准LDPC编译码器设计.
【总页数】6页(P41-46)
【作者】兰天
【作者单位】中国电子科技集团公司第十研究所,成都,610036
【正文语种】中文
【中图分类】TN919.32
【相关文献】
1.深空通信中LDPC码的一种译码算法 [J], 谢智东;冯少栋;张更新
2.深空通信中LDPC码编码器设计与FPGA实现 [J], 程磊;杜锋;张健
3.深空通信中LDPC码的编码算法及FPGA实现 [J], 李忠亮;夏国江
SDS标准中LDPC码译码器研究与实现 [J], 薛丽
5.深空通信系列讲座之四 CCSDS组织及其标准介绍 [J], 孙伟;吕晶;常江
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