T-MMB系统中LDPC码译码器的FPGA设计与实现

摘要：本文设计了一种符合手机电视T-MMB标准的信道译码解决方案，并进行了MATLAB仿真和FPGA的实现。同时针对部分并行结构的准循环低密度校验(QC-LDPC)码译码器，提出了基于块RAM的高效存储方法。该方法既可以同时读取用于运算的校验节点信息或变量节点信息，又可以实现在同一块RAM中存储不同子矩阵对应的校验节点信息或变量节点信息，不仅避免了块RAM资源的浪费，而且减少了译码器实现所需的存储资源数量。在Xilinx公司Virtex-4系列的FPGA上的实现结果表明，与传统的子矩阵与块RAM一对一存储的译码结构相比，本文提出的QC-LDPC码译码器设计方法能够在减少块RAM数量的同时有效地提高系统的时钟频率和译码吞吐量。

引言

随着移动网络的迅速发展，移动多媒体广播业务已经成为炙手可热的发展热点。国际上流行的数字移动多媒体广播标准主要有三个：欧洲的DVB-H，美国的MediaFLO和韩国的T-DMB。而中国在2006年9月，由北京新岸线软件科技有限公司提出了新一代地面移动媒体广播(Terrestrial Mobile Multimedia Broadcasting，简称T-MMB)系统。该系统具有独立自主知识产权，相比于其他制式具有频谱利用率高、复杂度低、功耗小、频点可用性好、兼容性好等优点^[1]。T-MMB系统是基于多载波OFDM调制的无线通信系统，采用LDPC码作为信道编码技术，无需级联外码就可以保障系统的接收性能，从而提高了系统的频谱效率，降低接收机复杂度^[2]。

低密度校验(Low-Density Parity-Check，LDPC)码是一种基于稀疏校验矩阵的线性分组码，具有逼近香农极限的译码性能^[3,4]。准循环低密度校验(QC-LDPC)码是低密度校验码的一种，其生成矩阵和校验矩阵都具有准循环的特点，在保持较好译码性能的基础上大大降低了译码器实现的复杂度，易于用FPGA实现。LDPC码译码器的研究工作一直是LDPC码研究的一个重要方向。

LDPC码的译码是一个不断迭代的消息传递过程。译码过程中需要存储大量的信息，包括各节点的初始信息、外信息和后验信息等^[5]。LDPC码较强的纠错性能一般是建立在较长码长基础上的，这会增加译码算法实现过程中的存储器容量，增加硬件资源成本与开销^[5]。为了有效解决LDPC码译码器的高存储量问题，本文在QC-LDPC码基础上，基于归一化最小和译码算法，设计出一种能够有效降低存储量的译码器结构，并应用FPGA实现。与传统的译码器相比，本文提出的译码器结构能节省75%的存储空间，同时提升系统的时钟频率和译码吞吐量。　　

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T-MMB系统的总体设计

本文搭建的T-MMB系统总体架构如图1所示。按照图1建模，进行MATLAB仿真并进行译码器的FPGA实现。业务数据经过1/2码率的LDPC码编码后，得到调制前的信息序列，其中T-MMB系统中LDPC码有两种编码方式，表1给出了标准中LDPC码的详细编码参数;之后进行8PSK调制，加高斯白噪声;之后解调得到各码元对应的软信息;最后，按照译码算法进行译码处理，求出误码率。本文采用的译码算法为归一化最小和译码算法，它是修正最小和译码算法中的一种，可以避免译码过程中的信道估计，提高译码器工作的稳定性^[8]，其译码步骤参考文献^[5]所示。

高效存储译码架构

手机电视标准T-MMB中规定QC-LDPC码的校验矩阵维度为2304×4608，可以由32×64个72×72的分循环矩阵构成。每行中不为全0矩阵的个数为7，每列中不为全0矩阵的个数为2、3、9。综合考虑译码器的速率要求和FPGA面积要求，本文采用部分并行结构的运算方式完成译码器的设计，采取8bit均匀量化。按照文献^[9]对存储资源的计算方法可知量化比特数Q=8，部分并行结构译码器的复用指数L=72。水平运算时有32个校验节点处理单元(CNUs)同时运算，需要同时向32×7个存储变量节点信息的RAM中读取变量节点信息用于水平运算，计算结果需要同时存储到32×7个存储校验节点信息的RAM中，重复计算72次就可以完成一次迭代中的水平运算。垂直运算时有64个变量节点处理单元(VNUt)在同时运算，向每列中的子矩阵对应的存储校验节点信息的RAM同时取出数据进行运算，运算72次后将结果存储到相应列矩阵对应的存储变量节点信息的RAM中。

若采用传统的子矩阵存储方式，每个子矩阵需对应一个RAM存储校验节点信息以及一个RAM存储变量节点信息，每个RAM宽度为8bit，深度为72。本次设计共需要448个RAM来存储校验节点信息以及变量节点信息，需要占用较多的存储资源，同时由于本设计LDPC码码字较长校验矩阵较大，其余单元在实现时亦需要占用较多的存储资源，一般的FPGA很难满足这样的要求。

本文设计了一种新的RAM存储方式，采用Xilinx公司Virtex-4