一種基于共用存儲(chǔ)空間的FPGA的QC-LDPC碼并行譯碼架構(gòu)

陳章 安君帥 王本慶

摘 ? 要：針對(duì)QC-LDPC碼并行譯碼FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、資源消耗大等不足，文章提出一種中間計(jì)算變量的共用FPGA存儲(chǔ)資源的QC-LDPC碼并行譯碼架構(gòu)，此架構(gòu)通過兩個(gè)交織單元，使得變量更新節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)更新節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使用同一個(gè)存儲(chǔ)資源，該架構(gòu)具有控制簡(jiǎn)單、效率高和存儲(chǔ)需求量低等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速衛(wèi)星、地面等通信系統(tǒng)接收機(jī)中。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu);低密度奇偶校驗(yàn)譯碼;現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列;資源共享

準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的低密度奇偶校驗(yàn)碼（Quasi Cyclic-Low Density Parity Check Code，QC-LDPC）具有良好的編譯碼實(shí)現(xiàn)特性，被廣泛應(yīng)用于地面移動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)、DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)（IRA-LDPC）等國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)中。采用QC-LDPC一方面可以提升編碼增益，另一方面編碼譯碼時(shí)可采用多路并行譯碼，提升系統(tǒng)的吞吐量。LDPC的通用譯碼算法是置信度傳播（Belief Propagation，BP）算法，是一種迭代的概率譯碼算法，硬件實(shí)現(xiàn)中一般采用最小和算法（Min-Sum Algorithm，MSA）進(jìn)行近似。MSA包括變量節(jié)點(diǎn)更新和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，在并行譯碼算法時(shí)兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的中間計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)行二維交織和二級(jí)緩存[1-8]。本文基于QC-LDPC碼的準(zhǔn)循環(huán)特點(diǎn)，在并行譯碼時(shí)的中間把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到共用存儲(chǔ)空間，更新時(shí)利用兩個(gè)交織器，只需要進(jìn)行列間交織和列內(nèi)循環(huán)移位即可實(shí)現(xiàn)二維交織，把二維運(yùn)算簡(jiǎn)化為兩個(gè)一維運(yùn)算，極大節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

1 ? ?QC-LDPC碼

QC-LDPC碼是一類具有循環(huán)結(jié)構(gòu)特性的LDPC碼，將LDPC碼的校驗(yàn)矩陣劃分成多個(gè)子塊，每個(gè)子塊由全零矩陣或非零的、具有循環(huán)特性的置換矩陣構(gòu)成。這種矩陣的特殊性使得QC-LDPC碼的編碼復(fù)雜度為線性，有利于硬件實(shí)現(xiàn)，而且碼字之間有較大的最小距離。QC-LDPC碼H矩陣的表現(xiàn)形式如圖1—2所示。

圖1為符合地面5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則的QC-LDPC碼的簡(jiǎn)化校驗(yàn)矩陣示意，其中，k=16，n=32，進(jìn)行4路并行譯碼，則Zc=4。

圖2為符合DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則的非規(guī)則IRA-LDPC碼的簡(jiǎn)化校驗(yàn)矩陣示意，其中，k=16，n=32，進(jìn)行4路并行譯碼，則Q=4。

2 ? ?譯碼器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的IRA-LDPC碼并行譯碼現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實(shí)現(xiàn)方法主要包括以下6個(gè)部分：串并轉(zhuǎn)換（Serial to Parallel，S2P）、輸入緩存（RAM_L）、變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）、交織器（It）、節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR）。譯碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）S2P，對(duì)串行譯碼輸入進(jìn)行并行存儲(chǔ)控制，前面系統(tǒng)碼按順序分別并行存儲(chǔ)至360個(gè)輸入緩存（RAM_L）中，后面校驗(yàn)碼按順序分別串行存儲(chǔ)至360個(gè)輸入緩存（RAM_L）中。

（2）輸入緩存（RAM_L），由360個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器（RAM）組成，單輸入單輸出，存儲(chǔ)譯碼輸入（似然比），每個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)深度為碼長(zhǎng)除以360。

（3）變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR），由360個(gè)獨(dú)立變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）模塊組成，變量節(jié)點(diǎn)每次更新從相應(yīng)輸入緩存（RAM_L）中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）中按Iy_c控制字讀取多個(gè)數(shù)據(jù)，按變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）規(guī)則更新后，再按Iy_c控制字存儲(chǔ)至節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）中。

（4）交織器（It），由正交織器（It1）和逆交織器（It2）組成，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址（列）間交織和360個(gè)數(shù)據(jù)的（列）內(nèi)循環(huán)移位。正交織器（It1）實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）數(shù)據(jù)按It_c控制字規(guī)則的列間交織和列內(nèi)循環(huán)移位，并輸出至變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）;逆交織器（It2）實(shí)現(xiàn)變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）后數(shù)據(jù)按It_c控制字逆規(guī)則的列內(nèi)循環(huán)移位和列間交織，并輸出至節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）。

（5）節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P），由360個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器組成，雙輸入雙輸出，所有存儲(chǔ)器都同時(shí)按相同地址讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)360路校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR）之后的中間數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)深度為校驗(yàn)矩陣中每個(gè)按行塊的所有行重之和。

（6）校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR），由360個(gè)獨(dú)立校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR）模塊組成，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)每次更新從節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）中按Ix_c控制字讀取多個(gè)數(shù)據(jù)，按校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR）規(guī)則更新后，再按Ix_c控制字存儲(chǔ)至節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）中。

（7）Ix_c，Iy_c和It_c控制字，Ix_c為校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR）控制字，是校驗(yàn)矩陣每個(gè)按行塊中的每行行重的集合，Iy_c為變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）控制字，是校驗(yàn)矩陣按列塊中的每塊首列列重的集合。It_c為交織器控制字，包括交織器對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）存取地址的列間交織控制字，和相應(yīng)地址上讀取360路數(shù)據(jù)后的列內(nèi)循環(huán)移位控制字。

3 ? ?譯碼流程

本文中譯碼器的譯碼流程主要由5個(gè)部分組成：初始化、譯碼輸入、變量節(jié)點(diǎn)更新、校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新和譯碼輸出。

（1）初始化，節(jié)點(diǎn)緩存（RAM_P）置零，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新（SPR）載入Ix_c控制字、變量節(jié)點(diǎn)更新（VPR）載入Iy_c控制字和交織器（It）載入It_c控制字。

（2）譯碼輸入，檢測(cè)譯碼輸入使能有效時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。前面系統(tǒng)碼時(shí)，計(jì)數(shù)器除以360取余作為360個(gè)輸入緩存（RAM_L）的片選信號(hào)，計(jì)數(shù)器除以360取整作為每個(gè)輸入緩存（RAM_L）地址信號(hào)。后面校驗(yàn)碼時(shí)，計(jì)數(shù)器除以Q取余加系統(tǒng)碼存儲(chǔ)地址偏移后作為每個(gè)輸入緩存（RAM_L）地址信號(hào)，計(jì)數(shù)器除以Q取整作為360個(gè)輸入緩存（RAM_L）片選信號(hào)。整個(gè)碼字輸入結(jié)束后，開始譯碼，其中變量節(jié)點(diǎn)更新和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新按順序都執(zhí)行一次稱為一次譯碼迭代。對(duì)于高速連續(xù)譯碼，需要設(shè)計(jì)乒乓緩存結(jié)構(gòu)進(jìn)行譯碼輸入數(shù)據(jù)的緩存。