基于三級流水線的高速qc-ldpc編碼器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及信道編碼領(lǐng)域，特別設(shè)及一種通信系統(tǒng)中基于=級流水線的高速 QC-LDPC編碼器。
【背景技術(shù)】
[0002] 低密度奇偶校驗化OW-DensityParit廠化eck,LDPC)碼是高效的信道編碼技術(shù) 之一，而準循環(huán)LDPC(如asi-切ClicLDPC，QC-LDPC)碼是一種特殊的LDPC碼。QC-LDPC碼 的生成矩陣G和校驗矩陣H都是由循環(huán)矩陣構(gòu)成的陣列，具有分段循環(huán)的特點，故被稱為 QC-LDPC碼。循環(huán)矩陣的首行是末行循環(huán)右移1位的結(jié)果，其余各行都是其上一行循環(huán)右 移1位的結(jié)果，因此，循環(huán)矩陣完全由其首行來表征。通常，循環(huán)矩陣的首行被稱為它的生 成多項式。
[0003] 通信系統(tǒng)通常采用系統(tǒng)形式的QC-LDPC碼，其生成矩陣G的左半部分是一個單位 矩陣，右半部分是由eXc個bXb階循環(huán)矩陣Gi,^0《Ke,e《j<t,t=e+c)構(gòu)成的陣列， 如下所示：
[0004] (1) 陽0化]其中，！是bXb階單位矩陣，0是bXb階全零矩陣。G的連續(xù)b行和b列分別被 稱為塊行和塊列。由式（1)可知，G有e塊行和t塊列。
[0006] 目前，QC-LDPC碼廣泛采用的是基于C個I型移位寄存器加累加器燈ype-I化if t-Register-Adder-Ac州mulator,SRAA-I)電路的串行編碼器。由C個SRAA-I電路構(gòu)成的 串行編碼器，在eXb個時鐘周期內(nèi)完成編碼。該方案需要2XcXb個寄存器、CXb個二輸 入與口和CXb個二輸入異或n，還需要eXCXb比特ROM存儲循環(huán)矩陣的生成多項式。該 方案有兩個缺點：一是需要大量存儲器，導(dǎo)致電路成本高；二是串行輸入信息比特，編碼速 度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 通信系統(tǒng)中QC-LDPC編碼器的現(xiàn)有實現(xiàn)方案存在成本高、編碼速度慢的缺點，針 對運些技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于S級流水線的高速Q(mào)C-LDPC編碼器。
[0008] 如圖2所示，通信系統(tǒng)中基于S級流水線的高速Q(mào)C-LDPC編碼器主要由3部分組 成：1型后向迭代電路、高密度矩陣與向量的乘法器和II型后向迭代電路。編碼過程分3步 完成：第1步，使用I型后向迭代電路計算向量q和X;第2步，使用高密度矩陣與向量的乘 法器計算部分校驗向量9^第3步，使用II型后向迭代電路計算部分校驗向量Py,從而得到 校驗向量P= (Px，Py)。
[0009] 本發(fā)明提供的高速Q(mào)C-LDPC編碼器結(jié)構(gòu)簡單，能在顯著提高編碼速度的條件下， 減少存儲器，從而降低成本，提高吞吐量。
[0010] 關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)勢與方法可通過下面的發(fā)明詳述及附圖得到進一步的了解。
【附圖說明】
[0011] 圖1是行列交換后近似下S角校驗矩陣的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2是基于S級流水線的QC-LDPC編碼過程；
[0013] 圖3是循環(huán)左移累加器RLA電路的功能框圖；
[0014] 圖4是由U個RLA電路構(gòu)成的一種高密度矩陣與向量的乘法器；
[0015] 圖5是I型后向迭代電路；
[0016] 圖6是II型后向迭代電路；
[0017] 圖7總結(jié)了編碼器各編碼步驟W及整個編碼過程所需的硬件資源和處理時間。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例作詳細闡述，W使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更 易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍作出更為清楚明確的界定。
[0019] 循環(huán)矩陣的行重和列重相同，記作W。如果W = 0,那么該循環(huán)矩陣是全零矩陣。如 果W = 1，那么該循環(huán)矩陣是可置換的，稱為置換矩陣，它可通過對單位矩陣I循環(huán)右移若干 位得到。QC-LDPC碼的校驗矩陣H是由C X t個b X b階循環(huán)矩陣Hj,k (1《j《C，1《k《11 =e+c)構(gòu)成的如下陣列：
[0020] 化
[0021] 通常情況下，校驗矩陣H中的任一循環(huán)矩陣要么是全零矩陣（W = 0)要么是置換 矩陣（W= 1)。令循環(huán)矩陣Hjik的首行g(shù) j,k= (g .j,k,l，gj,k,2,…，gj,k,b)是其生成多項式，其中 邑i,k,m=〇或1(1《m《b)。因為H是稀疏的，所Wgj,k只有1個'1'，甚至沒有'1'。
[0022] H的前e塊列對應(yīng)的是信息向量曰，后C塊列對應(yīng)的是校驗向量P。Wb比特為 一段，信息向量a被等分為e段，即a=(曰1，曰2,…，aj;校驗向量P被等分為C段，即P= (Pl, 口2,…，Pc)。
[0023] 對校驗矩陣H進行行交換和列交換操作，將其變換成近似下=角形狀Hau,如圖1 所示。在圖1中，所有矩陣的單位都是b比特而不是1比特。A是由（C-U) Xe個bXb階循 環(huán)矩陣構(gòu)成，B是由（C-U) Xu個bXb階循環(huán)矩陣構(gòu)成，T是由（C-U)X(C-U)個bXb階循 環(huán)矩陣構(gòu)成，C是由UXe個bXb階循環(huán)矩陣構(gòu)成，D是由uXu個bXb階循環(huán)矩陣構(gòu)成，E 是由UX (C-U)個bXb階循環(huán)矩陣構(gòu)成。T是下S角矩陣，U反映了校驗矩陣Hau與下S角 矩陣的接近程度。在圖1中，矩陣A和C對應(yīng)信息向量曰，矩陣B和D對應(yīng)一部分校驗向量P, =(Pl，P2,…，Pu)，矩陣T和E則對應(yīng)余下的校驗向量Py= (P。4, Pw2,…，Pc)。P =也，Py)。 上述矩陣和向量滿足如下關(guān)系：
[0024]p/二巫巧TlAaT+CaT) (3) 陽02引 PyT=T !(AaT+Bp/) (4)
[0026]其中，O=巧T iB+D) 1，上標T和1分別表示轉(zhuǎn)置和逆。眾所周知，循環(huán)矩陣的逆、 乘積、和仍然是循環(huán)矩陣。因此，O也是由循環(huán)矩陣構(gòu)成的陣列。雖然矩陣E、T、B和D都 是稀疏矩陣，但通常情況下O不再稀疏而是高密度的。 陽0八]令 qT= T -IAaT, yT= Eq T+CaT^及 P yT= Ox T。 陽02引向量q和X可由下式計算得到： "AT：0].. 甘r 巧-
[0029] qXj =別aqXj =O傑 L*. XJ '
[0030]其中，
[0031]
棋
[0032]一旦計算得出Px,式（4)可改寫為： 陽03；3] [AB口[aPx Py] T=Y[aPXPy]T= 0 (7)
[0034]其中，
[0035] Y= [ABT]做
[0036] 因為Q和Y與T 一樣都是下S角矩陣，所W式巧）中的[qX]和式（7)中的Py都 可采用后向迭代的計算方式。
[0037] O設(shè)及高密度矩陣與向量的乘法，而Q和Y設(shè)及后向迭代計算。根據(jù)W上討論，可 給出一種基于S級流水線的QC-LDPC編碼過程，如圖2所示。 陽03引 PxT=巫X T等價于P X= X巫T。令X = (Xi,而，…，XuXb)。定義U比特向量Sn = (X。，Xwb,…，Xn+(u i)xb)，其中1《n《b。令〇.j(l《j《U)是由〇T的第j塊列中所有循 環(huán)矩陣生成多項式構(gòu)成的UXb階矩陣。則有 陽的9] Pj=(…（（0+Si 巫 j)is山+S2 巫 j)Wi)+...+Sb 巫 （9) W40] 其中，上標IsW表示循環(huán)左移1位。
[0041 ] 由式（9)可得到一種循環(huán)左移累加器（Rotate-Left-Accumulator，RLA)電路，如 圖3所示。查找表的索引是U比特向量S。，查找表L,事先存儲可變的U比特向量與固定的 巫J的所有可能乘積，故需2化比特的只讀存儲器巧eacH3nly Memcxry, ROM)。b比特寄存器 Ri,尺2,…，Ru分別用于緩沖向量X的向量段X 1，而，…，Xu，b比特寄存器Ruy用于存儲PX的校 驗段Pi。1個RLA電路計算向量Pi需要b個時鐘周期。
[00創(chuàng)既然U非常小，那么使用U個RLA電路同時計算Px= (Pi，P2,…，Pu)是一種合理方 案，如圖4所示的高密度矩陣與向量的乘法器。高密度矩陣與向量的乘法器由U個查找表 Li, 12,…，L。、2U個b比特寄存器Rz, 1，Rz, 2,…，尺2, 2U和U個b位二輸入異或口 X 2, 1，乂2,2,…，X2,u 組成。查找表Li, L2,…，L。分別存儲可變的U比特向量與固定的矩陣O 1，02,…，巫。的 所有可能乘積，寄存器R2,1，R2,2,…，R2,u分別用于緩沖向量X的向量段X 1，而，…，X。，寄存器 尺2,仙Rz,U巧，…，Rz,2U分別用于存儲PX的校驗段Pl, P2,…，Pu。U個RLA電路需使用Ub個二輸 入異或口，2"油比特的ROM和2ub個寄存器。U個RLA電路計算向量Px需要b個時鐘周期。 使用高密度矩陣與向量的乘法器計算向量Py的步驟如下： 陽0創(chuàng)第I步，清零寄存器R2,w，Rz,…，…，R2,2u，輸入向量段Xi，而，…，Xu，將它們分別存入 寄存器Rz, 1，Rz, 2,…，Rz,U中； 柳44]第2步，寄存器R2,i，R2,2,…，R2,u同時循環(huán)左移1次，異或口X2,1，X2,2,…，X2,。分別 對查找表Li, Lz,…，L。的輸出和寄存器R 2,。4, Rz, W2,…，Rz, 2U的內(nèi)容進行異或，異或結(jié)果被循 環(huán)左移1次后分別存回寄存器Rz,W，Rz,U化…，Rz,如； 柳45]第3步，重復(fù)第2步b-1次，完成后，寄存器R2,w，Rz,。。，…，Rz,2U存儲的內(nèi)容分別是 校驗段Pl, P2,…，Pu,它們構(gòu)成了部分校驗向量Px。
[0046] 式妨隱含了后向迭代操作，必須逐段求解向量q和X。定義[q X] = (?，屯，… ，q。)，并初始化為全零。首先，Qi是矩陣Q的第1塊行與向量[a q X] T之積。其次，92是矩 陣Q的第2塊行與向量[a q x]T之積。重復(fù)上述過程，直到算完q。為止，如圖5所示的I 型后向迭代電路。I型后向迭代電路由t個b比特寄存器Ri, 1，Ri,2,…，Ri,t和C個多輸入模 2加法器Al, 1，Al心…，Al,。組成。
[0047] m十算q，（1《j《C)為例。校驗矩陣H中的非零循環(huán)矩陣通常是單位矩陣的循 環(huán)右移版本。假設(shè)矩陣Q的第j塊行的前e塊列中有M個非零循環(huán)矩陣，它們的循環(huán)右移 位數(shù)分別是s，,ki，s,,k2,…，s，,kM(l《kl，k2,…，kM《e)，矩陣Q的第j塊行的后C塊列中有 N個非零循環(huán)矩陣，它們的循環(huán)右移位數(shù)分別是…，s.j,mN(e<ml，m2, 。 則
[0048]
(IO) W例其中，上標"W和IsW分別表示循環(huán)右移n位和循環(huán)左移n位。因為M和N都很 小，所W式（10)可由一個對輸入循環(huán)左移的多輸入模2加法器在1個時鐘周期內(nèi)計算完 畢。因此，計算向量[q X]共需C個時鐘周期。假設(shè)矩陣Q中共有0個非零循環(huán)矩陣，那 么I型后向迭代電路需使用（0 -2c)b個二輸入異或口。
[0050]矩陣Q是由CXt個bXb階循環(huán)矩陣Qi,k(l《j《C，1《k《t)構(gòu)成的陣列。 非零循環(huán)矩陣Qik相對于bXb階單位矩陣的循環(huán)右移位數(shù)是S ik，〇《Sik<b。為便于描 述，全零循環(huán)矩陣相對于bXb階循環(huán)矩陣的循環(huán)右移位數(shù)記作Stk=在圖5中，當 1《k《e時，Qj,k在垂直方向上對應(yīng)向量段a k，當e<k<e+j時，Qj,k在垂直方向上對應(yīng)向量 段Qk。。全零循環(huán)矩陣Qtk在垂直方向上對應(yīng)的向量段不參與異或運算，非零循環(huán)矩陣QIk 在垂直方向上對應(yīng)的向量段Sk或qk。被循環(huán)左移SIk位后送入多輸入模2加法器AU中進 行異或運算，\,的計算結(jié)果是q，，存入寄存器Ru中。使用I型后向迭代電路計算向量q 和X的步驟如下： 陽0川第1步，輸入信息段日1，日2,…，日6,將它們分別存入寄存器Ri,。4, Ri,。曲…，Ri,沖；
[0052] 第2步，非零循環(huán)矩陣Q,,k在垂直方向上對應(yīng)的向量段a k或q k。被循環(huán)左移S，,k 位后送入多輸入模2加法器\ ,中進行異或運算，異或結(jié)果q ,被存入寄存器RU中，其中， 1《j《C, 1《k<t，0《s.j,k<b，當1《k《e時，Qj,泣垂直方向上對應(yīng)向量段3k，當e<k<e+j時，Q.i,證垂直方向上對應(yīng)向量段q k e;