《電子技術(shù)應(yīng)用》
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CCSDS標(biāo)準(zhǔn)低并行度高速LDPC編碼方案
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
燕 威1，2，朱 巖1
1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190
摘要： 提出了一種基于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的低并行度高速LDPC編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該編碼結(jié)構(gòu)通過對(duì)輸入的待編碼信息插“0”和改變校驗(yàn)矩陣的循環(huán)子矩陣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的7/8碼率編碼方案的奇偶并行編碼，且編碼結(jié)果奇偶并行輸出。在編碼器的編碼速率需求和編碼器實(shí)現(xiàn)的硬件資源開銷上達(dá)到平衡。仿真和實(shí)現(xiàn)的結(jié)果表明，該低并行度編碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)于其他7/8碼率串行編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在增加少量的硬件開銷的條件下，獲得雙倍的編碼速率。
中圖分類號(hào)： TN911.22
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.025
中文引用格式： 燕威，朱巖. CCSDS標(biāo)準(zhǔn)低并行度高速LDPC編碼方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：96-99，109.
英文引用格式： Yan Wei，Zhu Yan. An encoder architecture scheme with low parallel and high speed for LDPC codes based CCSDS standard[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：96-99，109.
An encoder architecture scheme with low parallel and high speed for LDPC codes based CCSDS standard
Yan Wei1，2，Zhu Yan1
1.National Space Science Center，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China； 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China
Abstract： An encoder architecture with low parallel for LDPC codes based CCSDS standard is proposed in this paper. By filling “0” and changing the cyclic-matrix structure, the proposed scheme implements a low parallel coding for the 7/8 rate LDPC which recommended by CCSDS. The proposed architecture achieves a balance between encode speed and hardware overhead. The results of simulation and implements show that the low parallel architecture has a better encode efficiency and higher encode speed while increasing a few hardware cost.
Key words : CCSDS standard；low parallel architecture；7/8 rate LDPC code

0 引言

    空間咨詢數(shù)據(jù)委員會(huì)(CCSDS)推薦7/8碼率LDPC碼[1]作為近地空間通信信道編碼方案[2-5]。這種LDPC碼可以提供非常低的誤碼平臺(tái)和較快的譯碼收斂速度[6-8]，非常適合空間通信應(yīng)用場(chǎng)景。7/8碼率LDPC碼串行編碼的結(jié)構(gòu)[9-12]符合LDPC碼線性分組碼的特點(diǎn)，具有編碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編碼速率快和編碼器占用邏輯資源較少等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著空間通信要求的提高，串行編碼的編碼速率提升受到限制。

    本文提出一種低并行度高速編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該編碼結(jié)構(gòu)通過合理的插“0”和改變生成矩陣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速低并行度編碼。

1 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)LDPC編碼原理

1.1 編碼的數(shù)學(xué)原理

    LDPC的編碼本質(zhì)為矩陣的乘法運(yùn)算。以（8 176，7 154）碼[2]為例，輸入7 154位待編碼信息位，編碼產(chǎn)生1 022位奇偶校驗(yàn)位，編碼輸出為8 176位系統(tǒng)碼。

    待編碼的信息位數(shù)據(jù)為長(zhǎng)度為7 154的信息向量n：

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    矩陣G分為兩部分，左邊是7 154×7 154的單位矩陣，其中I為511×511的單位子矩陣，0是511×511的零矩陣；右邊是矩陣Bi，j(i=1，2…14；i=1，2)，Bi，j是511×511的循環(huán)矩陣。矩陣的左邊部分用于生成7 154位信息碼，右邊部分用于生成1 022位校驗(yàn)碼。

    編碼生成的系統(tǒng)碼向量N：

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其中bi，j為循環(huán)矩陣Bi，j的第一行。這樣，在采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)編碼器時(shí)，只需要保存28個(gè)循環(huán)子矩陣Bi，j各自的第一行數(shù)據(jù)bi，j(i=1，2…14；j=1，2)即可，減少硬件資源使用。

1.2 編碼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

    圖1為串行編碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖。為了適應(yīng)循環(huán)編碼，將待編碼的信息向量n分割為14個(gè)向量n=(p1  p2  …  p14)，且：

     tx1-gs6.gif

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    編碼過程如下：

    (1)初始時(shí)刻，循環(huán)移位寄存器1中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為b1，1，循環(huán)移位寄存器2中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是b1，2。累加器1中為511位0，累加器2中為511位0。

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    同理，第2～511個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，每個(gè)時(shí)鐘周期循環(huán)移位寄存器1和2循環(huán)右移1位，對(duì)輸入信息位重復(fù)第1個(gè)時(shí)鐘周期相似的過程。511個(gè)時(shí)鐘周期后，第一組循環(huán)校驗(yàn)矩陣結(jié)束。然后將循環(huán)移位寄存器1中數(shù)據(jù)b1，1更換為b2，1，循環(huán)移位寄存器2中數(shù)據(jù)b1，2更換為b2，2。

    (3)對(duì)輸入的p2，p3，…，p14向量，重復(fù)與p1輸入的處理相同的過程。當(dāng)所有的7 154位待編碼數(shù)據(jù)全部處理完畢，將輸入的7 154位待編碼數(shù)據(jù)和編碼得到的累加器1、累加器2的數(shù)據(jù)組合為8 176位系統(tǒng)碼，即最后得到的編碼數(shù)據(jù)幀。

2 串行編碼實(shí)現(xiàn)及存在的問題

    CCSDS給出的7/8LDPC碼的編碼幀格式[3]為32+7 136+1 022+2 bit，為了保證編碼的輸入和輸出同步，在待編碼數(shù)據(jù)輸入編碼器之前，待編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)? 136位待編碼數(shù)據(jù)+1 056位“0”，在編碼器的校驗(yàn)矩陣Bi，j中添加第16、17組全“0”的校驗(yàn)循環(huán)矩陣。這樣使得編碼輸入和輸出數(shù)據(jù)位數(shù)完全一致，有利于編碼器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。編碼結(jié)構(gòu)中插“0”結(jié)構(gòu)如圖2。

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    串行編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用資源少，但是存在不足之處：采用串行輸入的方式，編碼能夠達(dá)到的最大速率有限，對(duì)于有圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合，顯示出局限性。

3 低并行度編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 低并行度編碼的數(shù)學(xué)原理

    本文根據(jù)7/8 LDPC碼編碼矩陣的特點(diǎn)提出了低并行度編碼的數(shù)學(xué)原理。假設(shè)輸入的待編碼數(shù)據(jù)為7 154位的向量n，且有n=(n1  n2  …  n7154)，將向量n分割為14個(gè)長(zhǎng)度511向量pi(i=1，2，…，14)。為了使輸入的待編碼信息位符合奇偶位并行輸入的特點(diǎn)，對(duì)14個(gè)信息位向量pi(i=1，2，…，14)進(jìn)行“0”位填充，使待編碼信息變?yōu)? 168位的向量m，且有m=(k1  k2  …  k14)，其中ki(i=1，2，…，14)為長(zhǎng)度512的向量。如下：

     tx1-gs7.gif

    設(shè)待編碼信息位向量k拆分為奇位向量和偶位向量：奇位向量odd_k=(n1  n3  …  n509  n511)，偶位向量even_k=(n2  n4  …  n510  0)。

    將生成矩陣G的右邊部分的兩列Bi，j(i=1，2，…，14；j=1，2)循環(huán)子矩陣拆分成與奇編碼矩陣odd_Bi，j和偶編碼矩陣even_Bi，j，如下：

tx1-gs8-10.gif

    所以可得編碼校驗(yàn)位向量：

    tx1-gs11.gif

3.2 編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    圖3為低并行度編碼器結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)低并行度編碼數(shù)學(xué)原理，在編碼之前先對(duì)數(shù)據(jù)每隔511位插入1個(gè)“0”，在插滿14個(gè)“0”之后，在編碼數(shù)據(jù)后補(bǔ)齊1 042個(gè)“0”，使待編碼數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為8 192 bit。低并行度并行編碼采用4個(gè)循環(huán)移位寄存器。編碼過程如下：

tx1-t3.gif

tx1-t3-x1.gif

tx1-t3-x2.gif

    (3)對(duì)于輸入向量k2，k3，…k14，重復(fù)與k1輸入的處理相同的過程。當(dāng)所有7 154位待編碼數(shù)據(jù)全部處理完畢，將輸入的7 154位待編碼數(shù)據(jù)和編碼得到的累加器1，累加器2的數(shù)據(jù)組合為8 176位系統(tǒng)碼就是編碼數(shù)據(jù)幀。

4 編碼性能和編碼效率分析

    定義衡量編碼性能的公式如下：

tx1-gs12-16.gif

tx1-b1.gif

5 結(jié)論

    本文提出的低并行度7/8碼率LDPC編碼是在CCSDS標(biāo)準(zhǔn)提出的串行編碼結(jié)構(gòu)上采用插“0”設(shè)計(jì)和改變生成矩陣的形式，設(shè)計(jì)新的編碼結(jié)構(gòu)，大幅度提升了編碼速率和編碼效率，擴(kuò)展了LDPC編碼的應(yīng)用范圍，具有創(chuàng)新性。另外，該低并行編碼的并行度可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求改變，對(duì)于工程應(yīng)用有較好的適應(yīng)性。

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作者信息：

燕  威1，2，朱  巖1

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190）

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