一種輸出格式可控的多碼率LDPC編碼器實現

0 引 言

　　目前，LDPC碼已廣泛應用于深空通信、光纖通信、數字音視頻廣播等領域。由于有著較Turbo碼更優秀的性能，LDPC碼已成為第四代移動通信(4G)系統信道編碼方案強有力的競爭者。在數字電視地面廣播系統中，為了滿足不同信道條件和不同接收設備的用戶需要，信道編碼往往需要和多種調制方式配合。以便在不同的場合下可以靈活應用。這就要求通信系統的信道編碼模塊的輸出碼流寬度具備一定的靈活性，給編碼后的符號映射模塊提供最佳的碼流格式，提高編碼器的通用性，降低符號映射設計的復雜度。我國數字電視地面廣播標準(DTMB標準)采用三種碼率的LDPC碼、五種不同的符號映射方式。為得到較好的通用性，LDPC編碼器不僅需要同時支持三種碼率的LDPC碼．而且輸出的碼流格式需要靈活可控，以便符合五種符號映射方式的最佳碼流格式。這里主要針對這種情況，使用Verilog硬件描述語言在FPGA芯片上設計實現LDPC編碼器，并測試驗證該編碼器的正確性。

1 DTMB標準中的LDPC編碼與符號映射

　　DTMB標準中的LDPC碼屬于準循環LDPC碼，其生成矩陣具有如式(1)所示的格式。
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　　式中：Gi,j為b×b的循環方陣，1≤i≤k-c，1≤j≤c；I為b×b的單位陣；o為b×b的零方陣。

　　DTMB標準支持0．4，0．6，0．8三種碼率的LDPC碼。碼率為0．4的LDPC(7493，3048)碼的生成矩陣Gqc具有參數k=24，c=35和b=127；碼率為0．6的LDPC(7493．4572)碼的生成矩陣Gqc具有參數k=36，c=23和b=127；碼率為0．8的LDPC(7493，6096)碼的生成矩陣Gqc具有參數k=48，c=11和b=127。假設信息序列為S，碼字序列為C，LDPC編碼可利用等式C=S×Gqc。由系統碼的特點可知，信息序列與Gqc前半部分相乘得到校驗位，然后在校驗位后面加上信息序列就是碼字序列。求校驗位時具體的做法是，信息序列S與Gqc的第1列乘得到第1個校驗位，信息序列S與Gqc的第2列乘得到第2個校驗位，以此類推直到c-1列，可以求得所有c個校驗位。

　　DTMB系統中的碼流經過LDPC編碼后，刪除前五個校驗比特，接著映射成均勻的符號流。DTMB標準包含64QAM，32QAM，16QAM，4QAM，4QAM=NR五種符號映射關系，各種符號映射加入相應的功率歸一化因子，使各種符號映射的平均功率趨同。對于64QAM，由于每6 b對應于1個星座符號，因此最佳的輸入碼流寬度為6。類似地，對于32QAM，每5 b對應于1個星座符號，最佳輸入碼流寬度為5；對于16QAM，每4 b對應于1個星座符號，最佳碼流寬度為4；對于4QAM，每2 b對應于1個星座符號，最佳輸入碼流寬度為2。而4QAM-NR映射方式需在4QAM符號映射之前增加NR準正交編碼映射，由于編碼后的數據首先要進行基于比特的卷積交織，因此最佳的輸入碼流格式為串行數據。

2 編碼器的設計與實現

　　由前文的分析可知，LDPC編碼器不僅需要同時支持三種碼率的編碼，而且為了實現與符號映射方式的最佳配合，編碼后的輸出碼流必須支持1，2，4，5，6位可控。在此采用圖1的硬件實現方案，整個編碼器可分為7個模塊。

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? (1)運算模塊。負責校驗位的計算。式(1)中的每個Gi,j矩陣都是127×127的方陣，所以可將輸入的信息序列分為長度為127的k個小段，編碼就可以分解為k個子過程。編碼核心部分采用文獻[7]提出的串行輸入／并行輸出的SRAA電路，如圖2所示。其中B存儲Gi,j的生成多項式(矩陣第一行)，A用來存儲運算的中間結果。由于式(1)中的Gi,j是循環方陣，它的每一行都是上一行的向右移移位，而第一行是最后一行向右移一位；每一列都是左一列向下移一位，而第一列是最后一列向下移一位，所以在每126個時鐘內B中數據每隔一個時鐘進行一次循環右移，126個時鐘后，讀入下一個Gi,j的生成多項式。如此循環計算，即可得到所有的校驗位。單獨考慮DTMB標準中0．4，0．6，0．8三種碼率的的編碼，分別需要35，23，11個SRAA電路并行才能完成所有的校驗位獲取。因而為了實現三種碼率編碼器資源的復用，并且綜合考慮運算速度，在此采用35個SRAA電路并行的方案。

????? (2)生成矩陣存儲模塊。DTMB標準中三種碼率的生成矩陣G1，G2，G3，所需存儲的總比特數是固定的。如果按一般的方案存儲，那么35個并行SRAA電路須對應寬度為35×127=4 445，深度為24+36+48=108的存儲空間。針對FPGA中BlockRAM深度大，寬度小的狹長形結構特點，存儲的數據如果寬度大，深度小就會造成FPGA中存儲資源的大量浪費，所以在此采取如圖3所示的存儲方案，把每個SRAA電路所用到的數據存儲在一個ROM中，這樣一共只需要35個存儲結構，第1～11個的寬度為127，深度為24+36+48=108；第2～23個的寬度為127，深度為24+36=60；第24～35個的寬度為127，深度為48。

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(3)地址生成控制模塊。按照一定的時序，輸出生成矩陣存儲ROM的讀地址，每隔126個時鐘產生一個load使能信號，從ROM中讀出SRAA運算模塊所需要的生成多項式。同時也根據采用碼率的不同，產生ROM的使能信號，選擇不同碼率LDPC碼所對應的生成矩陣存儲塊。?

　　(4)并／串轉換模塊。SRAA電路的輸出為并行數據，對并行數據做并串轉換，以便碼流控制模塊對輸出碼流的格式進行控制。

　　(5)同步FIFO。DTMB標準的LDPC碼為系統碼，輸出時，息位在后校驗位在前，故需要對信息輸入序列進行緩存。當校驗位輸出完畢后，再從同步FIFO中讀敢信息位補在校驗位后面，構成完整碼字。

　　(6)碼流輸出模塊。為了實現與符號映射方式的最佳匹配，編碼器輸出碼流格式必須支持1，2，4,5，6五64QAM四種符號映射方式時，編碼器輸出的最佳寬度分別為2，4，5，6?？紤]到充分利用FPGA中的大量BlockRAM資源優勢，在此采用基于乒乓操作的思路，利用6個寬度為1的FIFO來實現串行數據流到指定寬度數據流的轉換，結構原理如圖4所示。

????? 以編碼后進行4QAM映射方式為例，串行的數據流在控制模塊輸出信號fifo_vaIid的控制下，第1個數據存人1號FIFO，第2個數據存入2號FIFO，然后第3個數據又存入1FIFO，第4個數據存入2號FIFO，如此循環直到FIFO填滿，控制模塊收到從FIFO返回的full信號時，輸出信號data_rd_en打開1號和2號兩個FIFO是2位而輸入為串行，輸出的速度比輸入快，當FIFO的數據被讀空時，產生一個empty信號給控制模塊通知停止讀FIFO，此后編碼器輸出0序列，同時輸出數據有效信號code_out_en為0。類似地，對應16QAM，32QAM，4QAM，64QAM可以得到寬度為4，5，6的輸出碼流。如果使用的是4QAM-NR符號映射．由于編碼后要先進行交織，碼流串行輸出是最佳選擇，因此串行的數據無需進行FIFO組的緩存。直接輸出即可。

?(7)碼流輸出格式控制模塊。根據輸入引腳mod-ulation_type選擇的符號映射方式，來實現對碼流輸出模塊的乒乓操作。產生控制信號fifo_valid、data_rd_en，同時接收碼流輸出模塊返回的full和empty信號，達到控制編碼器輸出碼流寬度的目的。

3 設計結果與驗證

　　這里的LDPC編碼器是在Xilinx公司的XC4VSX35 FPGA芯片下實現的，設計中使用流水線、乒乓操作等技巧提高系統工作的頻率，綜合后的硬件資源消耗如表1所示。在布局布線中，對相應的管腳和周期進行適當的約束，通過使用不同頻率的激勵作為輸入進行測試，硬件電路核心部分的最高工作頻率可達到83 MHz左右，完全符合DTMB標準中的最高時鐘頻率要求7．56×6=45．36MHz。

????? 驗證時，以0．4碼率的LDPC碼、輸出碼流格式為6位并行為例，得到時序仿真結果如圖5所示。在Testbench中對一次時序仿真的輸出碼流序列進行保存，并和Matlab中編碼的結果比較，LDPC編碼器的輸出與Matlab計算所得的結果是完全一致的。同理，可以驗證其他兩種碼率在不同的輸出格式下，LDPC編碼器的編碼結果也是正確的。

4 結 語

　　這里實現了一種碼流輸出格式可控的多碼率LDPC編碼器，并驗證了編碼器的正確性。該編碼器不僅同時支持DTMB標準中三種碼率的LDPC碼，而且輸出的碼流格式具備1，2，4，5，6位寬度可選，從而實現與4QAM，16QAM，32QAM，64QAM，4QAM-NR五種符號映射方式的最佳匹配，具有較好的通用性，完全可以應用在DTMB系統的發射機中。