CN109639288B - 适用于qc-ldpc码的通用化译码方法及译码模块 - Google Patents

Abstract

一种适用于QC‑LDPC码的通用化译码方法及译码模块，通过改变校验子矩阵、列重子矩阵、行重子矩阵的初始值，实现准循环LDPC码译码实现的模块化，适用于规则QC‑LDPC码和非规则QC‑LDPC码。该通用化实现算法不仅减少了存储模块所需硬件资源，也减少了QC‑LDPC码译码算法实现的工作量，具有良好的灵活性与极强的兼容性。

Description

适用于QC-LDPC码的通用化译码方法及译码模块

技术领域

本发明涉及数字通信领域，尤其涉及一种适用于QC-LDPC码的通用化译码方法及译码模块。

背景技术

1962年R.G.Gallager在其博士论文中提出了规则LDPC码的构造方法、编译码算法及其译码算法性能分析。但是由于当时条件的限制，LDPC码被忽略了30多年。随着Tanner图的提出，Mackay、Luby提出的非规则LDPC码的概念被推广，证实了非规则LDPC码比规则LDPC码具有更好的性能。LDPC码是一种线性分组码，通常由校验矩阵进行描述，主要特点是校验矩阵具有稀疏性。LDPC码具有逼近香农极限的优良性能，译码实现复杂度较低，实现结构较灵活的优点。因此，美国航天系统顾问委员会将LDPC码写入CCSDS标准中，该标准提出了一组适用于深空通信系统的高码率LDPC码。

在LDPC码广泛应用中，LDPC译码算法的优化一直是个关键问题。研究学者根据R.G.Gallager提出的软判决译码算法进行简化，提出了BP译码算法和适用于硬件实现的最小和译码算法。文献1(李化营，王健，刘炎.LDPC码改进高速译码算法[J].遥测遥控，2015,36(2))提出一种能够在很大程度上节约存储资源的精简最小和算法，该算法采用部分并行结构，在节约存储资源的前提下，提高了译码器的译码速度。文献2(苏悦，王健辉.一种结构化LDPC码的部分并行译码器设计[J].航天器工程，2014,23(3))针对CCSDS标准中深空通信LDPC码，提出了能够部分并行译码的译码器结构，便于工程实现时在译码时延和实现复杂度之间折中。但是，以上提出的LDPC码译码算法实现与其稀疏校验矩阵有着密切的联系，对于不同的校验矩阵，需要重新设计译码器，大大增加了研发时间和研发成本，不具备通用性。

专利1(LDPC码译码器及实现方法，CN104052500A，2014)提供了一种LDPC码译码器结构及实现方法，该译码器包括:译码单元、中心控制单元和地址生成单元。该方法主要讲述了中心控制单元，没有对地址生成单元进行描述。专利2(一种通用型LDPC译码器，CN101977063A，2011)提供了一种通用型LDPC译码器，包括调度模块、输入模块、译码模块和输出模块，该方法在不改变原模图的基础上，实现通用于各种码长的LDPC码，但是该方法不适用于不同原模图的LDPC码的译码实现。专利3(一种基于FPGA的高速自适应DVB-S2LDPC译码器及译码方法，CN201610955524.5，2016)提供了多码率兼容译码方法，该方法在XC7VX485T上最大吞吐率可达5Gbps,资源消耗为67％，但该方法只符合DVB-S2标准，不适应其他的LDPC码。

发明内容

本发明提供一种适用于QC-LDPC码的通用化译码方法及译码模块，旨在以校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵为基础，实现适用于二进制QC-LDPC码译码算法实现的通用化。

为了达到上述目的，本发明提供一种适用于QC-LDPC码的通用化译码方法，包含以下步骤：

根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每列“1”的位置，即列矩阵；

更新变量节点；

根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每行“1”的位置，即行矩阵；

更新校验节点；

迭代进行上述步骤，直至满足最大迭代次数。

所述的校验子矩阵的构成方法包含：校验矩阵分成m×n个循环子矩阵，每个循环子矩阵的大小为L×L，每个循环子矩阵每行“1”的个数小于等于1，记录循环子矩阵第一行“1”的位置，组成m×n大小的校验子矩阵，其中数据均小于等于L。

根据校验子矩阵每行非“0”数据的个数组成行重子矩阵，根据校验子矩阵每列非“0”数据的个数组成列重子矩阵。

计算列矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵得到每个循环子矩阵第一列“1”的位置d_v，循环子矩阵处于校验子矩阵的列数d_col；

通过下述公式得到校验矩阵每列“1”的位置：

d_i＝d_v+(d_col-1)*n+i i＝0,1,2,...,n-1

式中，n表示校验子矩阵的大小，当d_v+i等于n时，即“1”的位置处于子矩阵的最后一列，下一时刻将d_v+i置成0，即“1”的位置循环到子矩阵的第一列。

更新变量节点的方法包含：

式中，L^(k)(r_ji)表示校验节点第k次运算的结果，L^(k)(q_ij)表示变量节点第k次运算的结果，\j表示除了第j行以外的其他行，N(i)表示与该变量节点相连的校验节点的集合。

计算行矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵得到每个循环子矩阵第一行“1”的位置d_c，循环子矩阵处于校验子矩阵的行数d_row；

通过下述公式得到校验矩阵每行“1”的位置：

d_j＝d_c+(d_row-1)*m+j j＝0,1,2,...,m-1

式中，m表示校验子矩阵的大小，当d_c+j等于m时(“1”的位置处于子矩阵的最后一列)，下一时刻将d_c+j置成0，即“1”的位置循环到子矩阵的第一列。

更新校验节点的方法包含：

式中，\i表示除了第i列以外的其他列，N(j)表示与该校验节点相连的变量节点的集合，λ是修改因子。

判断是否满足最大迭代次数τ的方法包含：

式中，τ表示最大迭代次数，L(q_i)表示变量节点收集到的所有信息，L(Pi)表示译码输入信息。

本发明还提供一种适用于QC-LDPC码的通用化译码模块，包含：

列矩阵计算模块，其用于根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每列“1”的位置，即列矩阵；

变量节点更新模块，其用于更新变量节点；

行矩阵计算模块，其用于根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每行“1”的位置，即行矩阵；

校验节点更新模块其用于更新校验节点。

本发明通过改变校验子矩阵、列重子矩阵、行重子矩阵的初始值，实现准循环LDPC码译码实现的模块化，适用于规则QC-LDPC码和非规则QC-LDPC码。该通用化实现算法不仅减少了存储模块所需硬件资源，也减少了QC-LDPC码译码算法实现的工作量，具有良好的灵活性与极强的兼容性。

附图说明

图1是本发明提供的一种适用于QC-LDPC码的通用化译码方法的流程图。

图2为(1024，1536)LDPC码的校验子矩阵。

图3为(1024，1536)LDPC码的行重子矩阵。

图4为(1024，1536)LDPC码的列重子矩阵。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，以CCSDS协议中深空通信的(1024，1536)非规则QC-LDPC码为例，本发明提供一种适用于QC-LDPC码的通用化译码方法，译码算法采用最小和译码算法，包含以下步骤：

步骤S1、存储QC-LDPC码的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵；

步骤S2、存储量化后的译码输入信息；

步骤S3、根据校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每列“1”的位置，即列矩阵；

步骤S4、更新变量节点；

步骤S5、根据校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每行“1”的位置，即行矩阵；

步骤S6、更新校验节点；

步骤S7、迭代次数判断是否满足最大迭代次数(每次迭代之后，迭代次数+1)，若是，输出译码结果，若否，进行步骤S3。

进一步，所述的步骤S1中，校验子矩阵的构成方法包含：校验矩阵分成m×n大小的循环子矩阵(大小为L×L)，每个循环子矩阵每行“1”的个数小于等于1，记录循环子矩阵第一行“1”的位置，组成m×n大小的校验子矩阵，其中数据均小于等于L。校验子矩阵中“0”表示对应的循环子矩阵为0矩阵，“1”表示对应的循环子矩阵第一行“1”位于第一个位置，“2”表示对应的循环子矩阵第一行“1”位于第二个位置，以此类推……如图2所示，(1024，1536)LDPC码对应校验子矩阵的大小是12*28，循环子矩阵的大小是64*64；

LDPC码是建立在Tanner图上的，译码算法的每次迭代包含两步：校验节点的处理和变量节点的处理；在Tanner图上可以体现出变量节点和校验节点；其中，Tanner图是根据校验子矩阵画出来的；

如图3所示，根据校验子矩阵每行非“0”数据的个数组成行重子矩阵；

如图4所示，根据校验子矩阵每列非“0”数据的个数组成列重子矩阵。

所述的步骤S2中，译码输入信息是从信道中接收的信息，作为本文译码算法的输入量；将译码输入信息量化成6bit有符号数据，译码算法的计算过程中数据位宽为8bit。

所述的步骤S3中，计算列矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵得到每个循环子矩阵第一列“1”的位置d_v，循环子矩阵处于校验子矩阵的列数d_col。通过下述公式得到校验矩阵每列“1”的位置：

d_i＝d_v+(d_col-1)*n+i i＝0,1,2,...,n-1

式中，n表示校验子矩阵的大小，当d_v+i等于n时(“1”的位置处于子矩阵的最后一列)，下一时刻将d_v+i置成0，即“1”的位置循环到子矩阵的第一列。

所述的步骤S4中，更新变量节点的方法包含：

式中，L^(k)(r_ji)表示校验节点第k次运算的结果，L^(k)(q_ij)表示变量节点第k次运算的结果，\j表示除了第j行以外的其他行，N(i)表示与该变量节点相连的校验节点的集合。

所述的步骤S5中，计算行矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵得到每个循环子矩阵第一行“1”的位置d_c，循环子矩阵处于校验子矩阵的行数d_row。通过下述公式得到校验矩阵每行“1”的位置：

d_j＝d_c+(d_row-1)*m+j j＝0,1,2,...,m-1

式中，m表示校验子矩阵的大小，当d_c+j等于m时(“1”的位置处于子矩阵的最后一列)，下一时刻将d_c+j置成0，即“1”的位置循环到子矩阵的第一列。

所述的步骤S6中，更新校验节点的方法包含：

式中，\i表示除了第i列以外的其他列，N(j)表示与该校验节点相连的变量节点的集合，修改因子λ是对最小和译码算法精度的改进。

所述的步骤S7中，判断是否满足迭代次数τ的方法包含：

式中，τ表示最大迭代次数，L(q_i)表示变量节点收集到的所有信息，L(P_i)表示译码输入信息。

在本发明的一个实施例中，所述的计算列矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵可知每个循环子矩阵第一行“1”的位置d_c，通过公式L+1-d_c可以计算出每个循环子矩阵第一列“1”的位置d_v。

Ηn(i)＝L+1-d_c i＝1,...,col

其中，Hn(i)是一个矩阵，共有col个元素，每个元素对应每列1的位置，即d_v。L表示循环子矩阵的大小，col表示每个子矩阵的列重。根据图4可知，(1024，1536)LDPC的校验子矩阵每四列作为一组，则列重分别为4，4，2，3，1，3，6。

根据列重子矩阵的非0子块，作为d_v的地址，存储每列“1”的位置。该存储方法可以避免全0矩阵块的计算，节省硬件资源的使用。

Hn_col(i)＝H_υ(:,i)i＝1,2,...,n

其中，Hυ是列重子矩阵，n表示校验子矩阵的列数，Hn_col(i)＝0，表示对应校验子矩阵的循环子矩阵是0矩阵，不进行计算。

根据校验子矩阵对应循环子矩阵的大小，可知每个循环子矩阵对应的初始地址：

Hn_address，即0，L，2*L，…，(n-1)*L。根据图2，每个循环子矩阵对应的初始地址分别为0，64，128，…，1728。

根据上述表示，可以得到列矩阵对应的计算公式：

Hn(Hn_col(i))＝L+1-d_c+Hn_address(i)i＝1,2,...,n

上述公式只计算出循环子矩阵第一列“1”的地址，还需计算出每个循环子矩阵每列“1”的地址。根据公式d_v+l(l表示循环子矩阵的列数)计算循环子矩阵每列“1”的位置。当d_v+l＝L时，表示处于循环子矩阵的最右一列，根据循环子矩阵的循环特性，下一时刻，“1”的位置应处于循环子矩阵的第一列，即d_v+l＝1。

所述的更新变量节点的方法包含：

变量节点更新模块的输入个数为col+1，其中col个输入根据计算出的列矩阵从校验模块存储单元(存储校验节点更新后的数据)中选取对应地址的数据作为输入。对于非规则QC-LDPC，每个子矩阵模块可能具有不同的col值。为了实现译码模块的通用化，选取最大的col值作为输入量，不满足col值的量填充0。

以图2-图4所示的非规则QC-LDPC码为例，变量节点更新模块的输入个数是7，其中一个输入是量化后的译码输入信息。在部分译码结构中，为了每个并行运算的变量节点更新模块输出时刻相同，列重小于6的模块填充0，在确保不影响译码性能的前提下实现译码模块的通用化。

所述的计算行矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵可知每个循环子矩阵第一行“1”的位置d_c。

Ηm(i)＝d_c i＝1,...,row

其中，row表示每个循环子矩阵的行重，根据图4可知，(1024，1536)LDPC的校验子矩阵每四行作为一组，则列重分别为3，10，10。

根据行重子矩阵的非0子块，作为d_c的地址，存储每行“1”的位置。该存储方法可以避免全0矩阵块的计算，节省硬件资源的使用。

Hm_row(i)＝H_c(i,:)i＝1,2,...,m

其中，m表示校验子矩阵的行数，Hm_row(i)＝0，表示对应校验子矩阵的循环子矩阵是0矩阵，不进行计算。

根据校验子矩阵对应循环子矩阵的大小，可知每个循环子矩阵对应的初始地址

Hm_address，即0，L，2*L，…，(m-1)*L。根据附件1，每个循环子矩阵对应的初始地址分别为0，64，128，…，704。

根据上述表示，可以得到行矩阵对应的计算公式：

Hm(Hm_row(i))＝d_c+Hm_address(i)i＝1,2,...,m

上述公式只计算出循环子矩阵第一行“1”的地址，还需计算出每个循环子矩阵每行“1”的地址。根据公式d_c+l(l表示循环子矩阵的行数)计算循环子矩阵每行“1”的位置。当d_c+l＝L时，表示处于循环子矩阵的最后一行，根据循环子矩阵的循环特性，下一时刻，“1”的位置应处于循环子矩阵的第一行，即d_c+l＝1。

所述的更新校验节点的方法包含：

校验节点更新模块的输入个数为row，根据行矩阵从变量模块存储单元(存储的变量节点更新后的数据)中选取对应地址的数据作为输入。对于非规则QC-LDPC，每个子矩阵模块可能具有不同的row值。为了实现译码模块的通用化，选取最大的row值作为输入量，不满足row值的量填充最大值。

以图2-图4的非规则QC-LDPC码为例，变量节点更新模块的输入个数是10。在部分译码结构中，为了每个并行运算的变量节点更新模块输出时刻相同，行重为3的模块填充127，在确保不影响译码性能的前提下实现译码模块的通用化。

本发明提供的一种对深空通信中QC-LDPC码译码算法的通用化及实现方法，译码过程主要包括四个模块：列矩阵计算模块、变量节点更新模块、行矩阵计算模块、校验节点更新模块。该通用化译码方法通过改变校验子矩阵、列重子矩阵、行重子矩阵的初始值，实现准循环LDPC码译码实现的模块化，适用于规则QC-LDPC码和非规则QC-LDPC码。该通用化实现算法不仅减少了存储模块所需硬件资源，也减少了QC-LDPC码译码算法实现的工作量，具有良好的灵活性与极强的兼容性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种适用于QC-LDPC码的通用化译码方法，其特征在于，包含以下步骤：

构成校验子矩阵：校验矩阵分成m×n个循环子矩阵，每个循环子矩阵的大小为L×L，每个循环子矩阵每行“1”的个数小于等于1，记录循环子矩阵第一行“1”的位置，组成m×n大小的校验子矩阵，其中数据均小于等于L；根据校验子矩阵每行非“0”数据的个数组成行重子矩阵，根据校验子矩阵每列非“0”数据的个数组成列重子矩阵；

根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算列矩阵；

更新变量节点；

根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算行矩阵；

更新校验节点；

迭代进行上述步骤，直至满足最大迭代次数；

计算列矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵得到每个循环子矩阵第一列“1”的位置d_v，循环子矩阵处于校验子矩阵的列数d_col；

通过下述公式得到校验矩阵每列“1”的位置：

d_i＝d_v+(d_col-1)×n+i，i＝0,1,2,...,n-1

式中，n表示校验子矩阵的大小，当d_v+i等于n时，即“1”的位置处于子矩阵的最后一列，下一时刻将d_v+i置成0，即“1”的位置循环到子矩阵的第一列；

更新变量节点的方法包含：

式中，r表示校验节点，L^(k-1)(r_j'i)表示校验节点第k-1次迭代运算的结果，q表示变量节点，L^(k)(q_ij)表示变量节点第k次迭代运算的结果，\j表示除了第j行以外的其他行，N(i)表示与该变量节点相连的校验节点的集合；

计算行矩阵的方法包含：

根据校验子矩阵得到每个循环子矩阵第一行“1”的位置d_c，循环子矩阵处于校验子矩阵的行数d_row；

通过下述公式得到校验矩阵每行“1”的位置：

d_j＝d_c+(d_row-1)×m+j，j＝0,1,2,...,m-1

式中，m表示校验子矩阵的大小，当d_c+j等于m时(“1”的位置处于子矩阵的最后一列)，下一时刻将d_c+j置成0，即“1”的位置循环到子矩阵的第一列；

更新校验节点的方法包含：

式中，\i表示除了第i列以外的其他列，N(j)表示与该校验节点相连的变量节点的集合，λ是修改因子；

判断是否满足最大迭代次数τ的方法包含：

式中，τ表示最大迭代次数，L(q_i)表示变量节点收集到的所有信息，

L(P_i)表示译码输入信息。

2.一种用于实现如权利要求1所述的适用于QC-LDPC码的通用化译码方法的适用于QC-LDPC码的通用化译码模块，其特征在于，包含：

列矩阵计算模块，其用于根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每列“1”的位置，即列矩阵；

变量节点更新模块，其用于更新变量节点；

行矩阵计算模块，其用于根据QC-LDPC码的更新后的校验子矩阵、行重子矩阵、列重子矩阵，计算出校验矩阵每行“1”的位置，即行矩阵；

校验节点更新模块其用于更新校验节点。

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