熬 L IGI TALTV疆■ 【本文献信息】陈豪威,王秀敏.基于DVB—s2标准的LDPC码编译码器设计研究[J].电视技术,2012,36(3) 基于DVB—S2标准的LDPC码编译码器设计研究 陈豪威,王秀敏 (中国计量学院信息工程学院,浙江杭州310018) 【摘要】研究了DVB—s2标准LDPC码编译码器的硬件结构,以16 200码长和0.6码率为例设计了基于共享内存和后验概率 累加储存的译码器结构,不仅吞吐量大,而且寄存器和内存资源的消耗小。仿真分析了同码长不同码率和同码率不同码长的性 能,当码长相等时,码率越低,则误码率、误帧率和平均迭代次数一般均越低。同码率不同码长的码组,虽然校验位和信息位的比 例相等,但是码长越大,校验位和信息位的约束更强,性能越好。 【关键词】DVB—s2;后验概率;误码率;寄存器;共享内存 【中图分类号】TN93 【文献标识码】A Study on Design of LDPC Encoder and Decoder for DVB-S2 CHEN Haowei,WANG Xiumin (College of Information Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China) 【Abstract】The hardware architecture of the DVB—s2 LDPC code encoder and decoder is researched.Decoder with code rate 0.6 and code length 16 200 by using shared memory banks and writing the U f Log-Likelihood Ratio)back to the RAM.This structure has low area and high throughput. Simulation result shows the analysis performance of the same code length with diferent code rate and the same code rate with diferent code length.When the code length is same.the lower the rate is,the eITor rate,frame elTor rate and average number of iteration are lower.The code words of the same code rate but different code length have equal bits proportion of the parity and information bits.But the longer the code length is the stronger the con- straint between parity bit and information bit is,the longer the code length is the better the performance is. 【Key words】DVB—s2;log—likelihood ratio;accumulate storage;register;shared memory 1994年DVB—S被采纳作为欧洲数字卫星广播标准, LDPC码,该译码结构基于内存共享,并行度为9o,吞吐率 随着技术的发展,又提出了第二代标准DVB—s2,相比第 为277 Mbit/s_4 ;2009年,国防科技大学张波涛等人在 一代标准具有更高的调制要求,更强的前向纠错系统和 IEEE上提出了基于RMP(Row Message Passing,基行信息 30%的通信容量增益。DVB—s2标准阐述了不同码长,不 传递)译码顺序和最小和算法的DVB—s2标准LDPC码 同码率下LDPC码的编码过程,根据该编码过程,能够得 译码器,当码率为9/10,时钟为320 MHz时,译码速率达 到对应的校验矩阵。DVB—S2标准下的LDPC码性能接 998 Mbit/s 5]。黄秋元等人在2009年对各种译码算法的 近香农极限,结合8PSK,16APSK或32APSK的调制体 性能做了总结,提出一种改进的min—sum算法以实现复 系,LDPC码能够满足数字视频通信的要求。此外,LD— 杂度和性能的折中 J。 PC码在DVB-SH(Digital Video Broadcasting—SateUite to Handheld)标准,DVB—RCS(Digital Video Broadcasting Re. 1编码器硬件结构 tum Channel via Satellite)标准中都得到了应用…。 在线性分组码中,某一奇偶位的编码值是其所在任 近些年,LDPC码译码算法研究和译码器设计受到国 一校验方程中其余比特位(包括信息位和奇偶位)的模二 内外学者的关注。2004年,Dale E.Hocevar提出了基于 和。同时,由于LDPC码奇偶位所在列H1具有“z”性结 行的分层译码算法,该算法所需迭代次数减少到并行译码 构,其编码可通过先后两步实现 ]: 算法的一半 。2005年,Juntan Zhang和Marc P.C.Fos— 1)依次完成每个信息位m对与之相连的校验节点 softer提出了Shuflfed BP译码算法,该算法与Dale E.Ho. 集合 ∈C(m)的贡献,贡献是指C(m)中每个校验值累加 cevar提出的分层算法类似,只是其分层是基于列 J,其性 信息位m的值。 能与基行分层译码算法相近。2009年,Chang—Soo Park等 2)校验值的累加输出。 人也设计了码长为64 800,码率为0.5的DVB—s2标准 第m个信息位贡献的校验节点通过式(1)计算得到。 基金项目:国家质检总局科技计划项目(2009QK027);浙江省科技计划优先主题重点工业项目(2010Cl1024);杭州市经济开发 区产学研合作项目(201002) 投稿网址http://www.VideoE.cnl《电视技术》第36卷第3期(总第378期) 1 li D 每个信息位m对校验值的贡献是可并行的,这可提 息为对校验位的贡献。 高编码速率。图I给出了适用于所有码长和码率的LDPC 篓 c =c o M √=( ^+q(,n mod 360))rood r (I) 位与信息位模二和,并将结果重新写入同一地址,完成信 输出模块:包括储存信息位的FIFO、异或电路和累 码编码器。由DVB—s2标准可知,奇偶地址表一行的地址 加器。其中FIFO共n×R bit。当完成信息位对校验位 数最大为13,为了实现最大并行,编码器的并行度选用 的贡献后,输出模块先从FIFO中输出信息位,再同时将 13。编码器主要包括校验位存储RAM、DVB—s2地址表储 双端口RAM中的数据以地址递增的形式读出,读出的 存ROM、贡献校验位计算模块、校验位更新模块、输出模 校验位依次经过多输入单输出的异或电路和单输人单 块和编码参数控制单元。 输出的累加器,最终完成奇偶位的输出。在RAM中的 校验位读出后,需立即将同地址内的数据清零,以备下 一码组的编码。 编码参数控制单元:该单元根据码型选择,控制编 码器其他单元完成对不同码型的编码。主要控制信号 包括循环控制器循环周期控制信号和地址表选通控制 信号。其中,前者根据信息位长度决定循环周期,以保 证完成一个信息码组的编码后,地址表ROM的输入地 址回到首地址,以完成对下一码组的编码;后者根据码 型选通地址表ROM组中的不同ROM单元,完成不同码 型编码需求。 2译码器总体结构设计 LDPC码译码过程包括:变量节点初始化、变量更新、 校验更新、求变量节点后验概率、译码停止判决和码字 图1 LDPC码编码器硬件结构 输出。 在并行译码过程中,只需要存储c 和R ,不必存储 校验位存储RAM:双端口RAM,存储n x(1一R)个校 验位,为了能并行编码,最大需13个RAM分开存储信息 位对校验位的贡献。编码输出时,逐一将多个RAM中同 地址的数据并行读给输出模块,未利用的RAM片选未 使能。 DVB—s2地址表存储ROM:共13个ROM组,每个 ROM组存储不同码型的地址表,每个地址表中第P行的 第q个数据分别存储在第q个ROM的第P个地址。这 s ,Js ,即可通过计算获得。这种基于后验概率的简化 算法能减少译码所需存储单元,使得变量节点信息存储减 少至1/DV,DV为变量节点平均度。简化后并行译码步 骤参考 : 译码器总体结构如图2所示 J,共有6 480个校验节 点信息存储字,一个RAM存储360个字,共需18个 AM;R信息位和奇偶位后验概率的组织形式类似,分别占 用27个RAM和l8个RAM。 信息位起始偏移 地址ROM组 样,信息位同步时钟经360分频后进行循环计数,计数结 果P即可作为ROM的读地址,并行读出DVB—S2标准给 I 柠制堕元 { 出的地址表中的第P行,用于并行计算该信息位的所有贡 献校验位。值得注意的是,地址表为空时,需禁止对相应 校验位RAM更新。例如,对于短码0.6码率,当9≤p≤26 l__— 信息位后验概率 RAM组 l 奇偶位后验概率 RAM组 且3≤q≤11,附录A地址表的值为空,此时需禁止对第 3≤q≤11个校验位RAM的更新。 移位寄存器组 : 交织网络 I 贡献校验位计算模块:包括360循环计数器和地址计 算模块。完成(1)式的逻辑计算,得到信息位贡献校验 位,即双端口RAM的地址。m mod 360通过360循环计 I <二18-t"CFM'二) I 校验节点信息RAM组 一 数器输出,计数器时钟为信息位同步时钟。 校验位更新模块:将从校验位存储RAM读出的校验 图2 LDPC码译码器硬件总体结构 2 《电视技术》第36卷第3期(总第378期)I投稿网址http://www.VideoE.cn D数L_,TIGI ALW鼹■ SMP算法的校验更新通过CFM完成,本译码器共18 } 审'率一 审母峰, 书 ’鸵蕞 再 由’ 矗一 个CFM,第i个CFM在第 个周期内,完成对18×. i个 豫 校验节点的更新,0≤i≤17,0≤. ≤359。在360个周 : _ _l ; : ; 。 期内,18个CFM并行完成了6 480个校验节点的更新。 之所以如此安排CFM对校验节点的更新,是因为日l行之 ; - -- -- |l 间具备周期性循环移位特性。在第.7个周期内,第i个 CFM为了完成校验更新,需从比特位(包括信息位和奇偶 8/9 一 = ,~ __一 __一 ~i… …,f~ , ~ 』 一J ,0 0.3 U.b 09 I.2 1.,1.8 2.1 2.4 2 7 3.0 3.3 .b 3 9 4.2 4.5 位)RAM中读人后验概率,而信息位RAM地址可通过第i EdNo 个CFM第0个周期的起始地址循环) ̄llJ2j得到。如果信 图5 DVB—s2标准LDPC码短码不同码率的平均迭代次数 息位与奇偶位在RAM中储存位置设计巧妙,那么和每个 虽然大于3/5,但是其误码率和误帧率仍低于后者。事实 CFM交织连接的比特位RAM可以固定下来。 上,该两种码率大小近似相等,不同之处在于校验矩阵, 该译码结构无BFM,通过将更新后的校验节点信息 LDPC码校验矩阵的优化设计对译码性能的提高至关 沿交织器原路径累加写人比特位RAM,即可完成SMP的 重要。 变量更新。 3)在实际应用中,信噪比较大,译码所需平均迭代次 数远低于30次,应该根据具体环境噪声,选择合理迭代次 3 DVB—s2标准LDPC码的性能 糕 霜 如铝;号辨 加博:宝M m 6 数,尽量减少译码延时。 褂露 扣 . ; : ; ;三=H 0 图3、图4和图5分别给出了DVB—s2标准下LDPC 图6和图7分析了同码率下不同码长的性能比较。 码码长为16 200不同码率的性能比较,包括误码率、误帧 码率为3/5,译码算法为并行译码和mi|} n—sum算法,迭代 率和平均迭代次数。码率分别为1/3,2/5,3/5,2/3和 次数30次,信道为高斯信道。冀 . ~ 如 8/9。译码算法为并行译码和min—slim算法,迭代次数30 次,信道为高斯信道。 曼0 二 0 0 亍_ ,0 睁 ,L ,5 O- 。僻 :扣 离 0一 0 0 ≮11 j :1喜 一 0 .* , .. 2/5 囊 一: … 图6 DVB—s2标准LDPC码同码率长短码的误码率 o 1 0。。。9 i i 鱼i一8 2~1… t 一3 .0—3 .3 3。6… …4 10o ~ ~ 一 …一 ~~ ..2 5 .. .EfN、 ,| 0 图3 DVB~s2标准LDPC码短码不同码率的误码率 10 } 一 世 ; 々 ^ l ;{j《l02 。 0 \ 。、 -10 『 曲 一 j J ㈣ :=’ :一: 12-| ‘ L 0 \: 0 03 0.6 09 1.2 1 5 1.8 21 2.4 Nn t * J・3 s 图7 DVB—s2标准LDPC码同码率长短码的误帧率 3巧 2/3 8/9 l仿真结果表明,在码率相等时,码长越长则误码率和 误帧率越低。同码率不同码长的码组,虽然校验位和信息 位的比例相等,但是码长越大,校验位和信息位的约束更 强,则性能越优。 4 结束语 本文根据DVB—s2标准规则设计出了LDPC码编码 (下转第10页) 投稿网址http://www.VideoE.cnl《电视技术》第36卷第3期(总第378期) 3 li D 黼 4 小结 本文在同态滤波的基础上,提出了一种优化参数 ■稿敖■ [6]闫敬文.数字图像处理[M].北京:国防工业出版社,2007. [7]张新明,沈兰荪.基于小波的同态滤波器用于图像对比度增强[J]. 电子学报,2001,29(4):531-533. 的图像增强算法,重点介绍了差分进化在此算法中的 应用。通过引人差分进化算法,不但选择了最优大小 的形态学结构元素,而且获得了各层次子图的最优增 益。仿真结果表明该算法可以有效地改善图像在成 像、复制、扫描、传输和显示等过程中出现的图像模糊 [8]STOCKHAM Image processing in the context of a visual model[J]. Proe.IEEE,1972,60(7):828-842. [9]马小华,李济民.融合对数交叉概率因子和随机迁移的差分进化算 法[J].太原理工大学学报,2011,18(3):132—136. [10]PRICE K V.Differential evolution VS.the functions of the 2nd ICEO [C]//Prec.IEEE International Conference on Evolutionary Computa- tion.[S 1.]:IEEE Press,1997,153—157. 问题。不足之处是由于引人进化算法,程序运行时 间较长,虽然能够更好地提高图形的视觉效果,但在 对图像的实时处理要求很高的条件下,得不到很好 的应用。 [11]COREN S,WARD L M,ENNS J Sensation and perception[M].Fort Worth,TX:Cold Spring Harcourt Brace College Publishers,1994. [12]ZHOU Yicong,PANETYA K,AGAIAN S,et a1.An image scrambling algorithm using parameter based m-sequence[C]//Prc.Seventh Ienter— national Conference on Machine Learning and Cybernetics.Kunming: 参考文献: [1]姚敏.数字图像处理[M].北京:机械工业出版社,2008. 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