超寬帶無(wú)線(xiàn)通信中LDPC碼硬件仿真實(shí)現

　　1 引 言

　　碼長(cháng)較長(cháng)的低速LDPC編碼在信噪比較低的應用場(chǎng)合呈現出其他編碼無(wú)法匹敵的優(yōu)勢，已經(jīng)證明非規則的LDPC碼性能甚至優(yōu)于Turbo碼高速LDPC編碼性能也比較好.尤其是在磁記錄等一些應用場(chǎng)合，碼長(cháng)較短的高速LDPC編碼有著(zhù)較為廣闊的應用前景。在不久的將來(lái)，LDPC編碼將用于更多高速高質(zhì)量的通信場(chǎng)合。而UWB通信技術(shù)因其傳輸速率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)在短距離的網(wǎng)絡(luò )中得到越來(lái)越多的關(guān)注。特別是UWB無(wú)線(xiàn)通信因其具有良好的時(shí)域可分辨性尤其適合于密集多徑環(huán)境中的短距離多用戶(hù)接入。本文在SvstemGenerator中對LDPC碼整個(gè)編譯碼系統進(jìn)行了參數化的硬件實(shí)現，并構建了超寬帶通信系統LDPC碼硬件仿真平臺，驗證了LDPC碼在UWB通信中的優(yōu)異性能。

　　2 UWB～LDPC的譯碼算法及不同環(huán)境下的初始化方法

　　LDPC碼采用置信傳播算法(BP)可以有效地解碼，由于存在大量的乘法運算，直接采用BP算法會(huì )導致很高的硬件復雜性，因此采用了對數(Log)運算將乘法變換為加法，這種算法叫做Log-BP算法。實(shí)際上，BP和Log-BP算法實(shí)現的是同樣的譯碼準則。

　　首先定義幾個(gè)可能用到的幾個(gè)變量及符號的意義：H

　　因子的統計平均值，當瑞利信道平均能量為1時(shí)，Ea(a)=0.8662。在UWB通信中，采取文獻給出的混合軟標準化算法，利用UwB信號的歸一化的自相關(guān)值對

　　3 LDPC碼硬件解碼結構

　　由于并行解碼性能與串行解碼在性能上并無(wú)差別，只是占用更多的硬件資源來(lái)?yè)Q取更快的速度，并且每一種并行結構只能針對具有某一特定校驗矩陣的LDPC碼。所以本文就以串行解碼硬件實(shí)現方式進(jìn)行實(shí)現分析。

　　3.1串行解碼結構

　　串行解碼結構圖如圖1所示，幀檢測單元檢測到幀頭后表示后面的輸入有效，啟動(dòng)譯碼器。初始化單元完成譯碼器的初始化;校驗節點(diǎn)單元和變量節點(diǎn)單元分別完成校驗節點(diǎn)和變量節點(diǎn)的更新計算，其中校驗節點(diǎn)單元還要判斷是否滿(mǎn)足校驗條件或達到最大迭代次數;兩個(gè)RAM完成特定校驗矩陣迭代信息的位置置換;中心控制模塊完成整個(gè)系統的流程控制;緩沖模塊是為了達到速率匹配和能夠連續譯碼而設置的。

　　(1) 初始化單元

　　初始化信息是整個(gè)譯碼器最重要的譯碼依據，在對一幀初始化信息進(jìn)行譯碼判決的過(guò)程中，迭代運算不斷調用的初始化信息必須保持不變，因此采用存儲器將初始化信息進(jìn)行存儲，在一幀的時(shí)間內保持不變。一幀時(shí)間后將開(kāi)始接收新的信息為下一幀譯碼做準備。初始化單元在SystemGenerator中實(shí)現比較簡(jiǎn)單，只要用一個(gè)ROM存儲所需的初始化信息，然后根據量化后的軟信息查表即可。

　　(2)VNU(變量節點(diǎn))單元

　　VNU的功能為計算"變量一校驗"信息以及更新后驗對數似然比。其硬件實(shí)現圖如圖2所示，3個(gè)"校驗一變量"信息和1個(gè)比特初始化信息相加減去相對應的1個(gè)"校驗一變量"信息所得到的值舍人處理后作為查找表運算的輸入，查找表用于計算公式

　　(3)CNU(校驗節點(diǎn))單元

　　CNU的功能為計算"校驗一變量"信息。CNU實(shí)現與VNU基本相似，6個(gè)"變量一校驗"信息相加減去相對應的1個(gè)"變量一校驗"信息所得到的值舍入處理后作為查找表運算的輸入，最后將查找表運算結果按計算的符號位正負輸出至VNU處理單元。由于是二進(jìn)制系統，本文采用異或運算代替乘法運算計算符號位，其硬件實(shí)現圖如圖3所示。

　　3.2 串行解碼在SystemGenerator中的整體實(shí)現

　　串行解碼在SystemGeneratot中的整體實(shí)現如圖4所示，其中frame detect實(shí)現圖1中的幀檢測模塊用來(lái)啟動(dòng)譯碼器，VNU，CNU完成變量節點(diǎn)和校驗節點(diǎn)更新的計算，2個(gè)單口RAM通過(guò)讀寫(xiě)和地址的控制完成迭代信息的位置置換，其置換地址是預先在軟件中計算得出存在ROM中的。這種串行解碼結構比較靈活，只需要改變ROM中的讀寫(xiě)地址就可以適用于不同的LDPC碼(校驗矩陣的維數，行重、列重必須相同)，而對于每個(gè)LDPC碼其地址置換信息只需計算一次即可。原始信息經(jīng)過(guò)延遲用以與解碼后的數據比較。

　　4 UWB-LDPC的SystemGenerator參數化硬件仿真

　　4.1 系統仿真的總體框圖

　　系統仿真的總體框圖如圖5所示，原始數據通過(guò)LDPC編碼和調制，通過(guò)信道加上噪聲，然后解調后的量化軟信息進(jìn)入LDPC譯碼器進(jìn)行解碼，由于編碼和解碼都需要一定的時(shí)間，因此原始數據必須經(jīng)過(guò)延時(shí)后才能與譯碼數據進(jìn)行比較和計算誤碼率。

　　4.2 仿真環(huán)境

　　我們在SystemGenerator環(huán)境下實(shí)現了串行和并行兩種解碼方式以及不同初始化方案的LDPC碼，整個(gè)實(shí)現都采用參數化方式。為了方便驗證性能，本文還建立了VC仿真界面來(lái)設置不同的參數。SystemGenerator是DSP高層系統設計與Xilinx FPGA實(shí)現之間的"橋梁"，他在Matlab/Simulink的環(huán)境下完成算法的建模，然后生成相應的工程。ISE可對工程進(jìn)行仿真、綜合、最后完成算法的硬件化。仿真環(huán)境和參數設置見(jiàn)表1。

　　其中高斯信道的硬件模擬是采用文獻的BoxMuller算法。仿真采用蒙特卡羅仿真方法，LDPC解碼在不同環(huán)境下的BER性能和迭代次數如圖6所示。

　　圖6(a)表示的是誤碼率仿真圖，圖6(b)表示的是平均迭代次數仿真圖。仿真結果表明，對于傳統的LDPC碼采用硬件仿真的性能由于量化的影響略差于軟件仿真，但采用了文獻改進(jìn)初始化方案的UWB-LDPC的硬件仿真性能要好于軟件仿真的傳統LDPC編碼方式。尤其是信噪比大于1.5dB時(shí)，UWB-LDPC的BER性能有較大的改善，在10-4時(shí)大約比傳統的LDPC大約有1.2 dB的編碼增益，平均迭代次數也有所減少。因此改進(jìn)的LDPC碼比傳統的LDPC碼更能滿(mǎn)足UwB通信需求。

　　5結 語(yǔ)

　　本文對LDPC碼在UWB通信中的應用做了探索，整個(gè)仿真都在SystemGenerator中參數化實(shí)現并構建了硬件仿真環(huán)境，為L(cháng)DPC碼在UWB通信中的應用和實(shí)現進(jìn)行了有益的嘗試。