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IC课程设计报告 (IEEE802.16e编码器的设计) 摘要：本文使用Verilog硬件描述语言完成IEEE802.16e编码器的实现，并使用Modelsim完成功能仿真，以及采用综合工具完成电路的综合。为了简化设计，本文只完成码长为576，码率为1/2的编码器的硬件实现。 关键词：IEEE802.16e , LDPC, RU算法, 编码器 题目要求及理解 本题目要求使用Verilog硬件描述语言完成IEEE802.16e编码器的实现，并使用Modelsim完成功能仿真，以及采用综合工具完成电路的综合。为了简化设计，本题只要求完成码长为576，码率为1/2的编码器的硬件实现。 在课程设计过程中，verilog代码的编写可以在UltraEdit等文本编辑软件中进行，代码的编译及波形的仿真可以借助ModelSim等EDA工具，最后的综合可以使用Quartus II、Leonardo Spectrum或者Linux操作系统下的DC（Design Compiler）。 IEEE802.16e标准是面向宽带无线接入网的MAC层和物理层的技术标准，而WiMAX论坛推动着IEEE802．16技术的发展。在IEEE802.16的6个标准中，IEEE 802．16e标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，其工作在6GHz以下适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时802.16d规定的同定无线接入用户能力并不因此受到影响。 低密度奇偶校验码(LDPC)是由Gallager在1962年发明，在近十年人们认识到LDPC码所具有的优越性能和巨大的实用价值。研究表明非规则LDPC长码的性能可以优于Turbo码，并且其性能十分接近shannon限。LDPC码在码长较长时没有误码平台，可以提供性能极高的误码特性。近年的研究表明， LDPC码是一类性能优异的好码，它比Turbo码在技术上更具优势，更能适应未来通信系统高速数据传输和高性能的要求。为了满足数据传输的低误码率要求，IEEE802.16e标准将LDPC码作为一种信道编码方案。 作为前向纠错系统的重要部分，设计高速率低复杂度的LDPC码编译码器成为提高系统性能的关键。尽管LDPC码相对Turbo码有较好的性能和较低的译码复杂度，但编码却较复杂。Turbo码能在线性时间内编码，而LDPC码编码器的时间复杂度与码长成二次方。Richardson等提出了一种新的编码方法— RU算法，使用准下三角校验矩阵构造LDPC码，可以较大程度地降低编码运算量，实现线性时间内编码。 IEEE802. 16e 标准中规定的LDPC编码规则如下: H矩阵是由块矩阵来组成的。每个块矩阵都用一个数字来表示, 而当这个数字大于等于零时, 这个数字就表示了将单位矩阵循环右移的位数; 而当这个数字小于零时（为-1时）这个数字就表示了零矩阵。由此, 可以将模型矩阵扩展成一个非常巨大的稀疏矩阵。观察协议中规定的H矩阵, 可以发现H矩阵可由如下几个子矩阵构成( A, B, T, C, D, E)，如下图1所示。 图1 具有近似下三角阵形式的校验矩阵H矩阵 其中A是一个(m-g)×k的矩阵，B是一个(m-g)×g的矩阵，T是一个(m-g)×(m-g)的方阵，C是一个g×k的矩阵，D是一个g×g的方阵，E是一个g×(m-g)的矩阵。所有的矩阵都是稀疏的，并且T是一个下三角矩阵。m代表模型H矩阵的行数, n代表模型H矩阵的列数, g代表扩展因子。 根据RU算法, 如果一个完整的码字为( s,p1, p2) , 其中s 为信息位, p1和p2为校验位, 则 表1 计算p1时算法复杂度分析 表2 计算p2时算法复杂度分析 根据表1可以看到在计算最后一步的算法复杂度为O(g2) , 并不是线性编码。如果一味地照搬RU算法, 在码长n很大时, 实现的硬件复杂度将会非常惊人。 使用Matlab仿真计算后可以发现, 表达式(3)中的F矩阵在WIMAX标准中规定的不同码率, 不同扩展因子的情况下都是单位矩阵。这无疑大大降低了计算p1的算法复杂度。据此, 可以对RU算法进行简化,得出适用于WIMAX标准中的LDPC线性编码算法： 由以上两式可知，编码步骤可以分为以下六个步骤： 根据以上步骤计算P1和P2，为了达到最快的速度和最大的吞吐量，可以采用并行执行和硬件流水的方法，采用两级流水，以平衡各级的执行时间。该编码器结构适合于各种码率和码长，这里只针对码率为r=1/2，码长为576的LDPC码。 系统设计 针对题目的要求，编码器总体框图如图2所示，从图中可以看到编码器主要由矩阵向量乘法器(MVM)、前向迭代运算器 (FS)、矩阵加法器(VA)和向量合成器(CWG)等单元组成。 图2 编码器总体框图 本设计把编码过程划分为两级流水的主要依