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基于FPGA的GLDPC译码器实现及二进制删除信道下的性能洞察

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代通信领域,信道编码技术对于提升通信系统的可靠性与有效性起着举足轻重的作用。广义低密度奇偶校验(GeneralizedLow-DensityParity-Check,GLDPC)码作为一种极具潜力的信道编码,近年来备受关注。GLDPC码是对传统低密度奇偶校验(LDPC)码的拓展,它通过将LDPC码中的奇偶校验替换为其他信道编码(即内部码),能够有效改善误块率(BLER)性能,同时降低译码复杂度,并实现译码过程的并行化,在5G通信、深空通信、数据存储等诸多领域展现出广阔的应用前景。

现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)具有并行处理能力强、设计灵活以及易于更新等显著优势,为实现高性能的GLDPC译码器提供了理想的硬件平台。基于FPGA实现GLDPC译码器,不仅能够充分发挥GLDPC码的优异性能,还能满足通信系统对高速处理和实时纠错的严格要求,对推动现代通信技术的发展具有重要的现实意义。

二进制删除信道(BinaryErasureChannel,BEC)是一种重要的信道模型,在实际通信中,信号可能会由于各种干扰而出现部分信息丢失的情况,BEC能够很好地模拟这种信息删除现象。在二进制删除信道下评估GLDPC译码器的性能,有助于深入了解译码器在恶劣信道条件下的纠错能力和可靠性,为通信系统的设计和优化提供关键依据,从而提升通信系统在复杂环境中的适应性和稳定性。

1.2国内外研究现状

在国外,对GLDPC译码器的FPGA实现及性能研究开展得较早且深入。一些研究团队致力于优化译码算法以降低硬件资源消耗和提高译码速度,如对置信传播(BeliefPropagation,BP)算法及其变种算法进行改进,使其更适合在FPGA上实现。在硬件架构设计方面,提出了多种并行和分层译码架构,通过合理配置资源来平衡译码性能和硬件成本。同时,在二进制删除信道下的性能研究中,运用先进的仿真工具和数学模型,精确分析译码器的误码率、吞吐量等性能指标,为实际应用提供了坚实的理论支持。

国内相关研究也取得了丰硕成果。学者们在GLDPC码的构造和译码算法优化上不断创新,提出了一些具有自主知识产权的算法和结构。在FPGA实现方面,结合国内FPGA技术的发展,探索出适合国产FPGA芯片的实现方案,提高了系统的国产化率和自主性。在二进制删除信道性能评估方面,通过大量的实验和仿真,深入分析了不同因素对译码器性能的影响,为国内通信系统的研发和应用提供了有力的技术支撑。

1.3研究内容与方法

本研究的重点聚焦于GLDPC译码器的FPGA实现细节以及在二进制删除信道下的性能评估方式。在GLDPC译码器的FPGA实现方面,深入研究GLDPC码的编译码原理,结合FPGA的硬件特性,设计合理的译码算法和硬件架构。通过对译码算法的优化,减少硬件资源的占用,提高译码速度和效率。同时,详细阐述各个功能模块的设计和实现方法,包括数据存储模块、校验节点计算模块、变量节点计算模块等,确保译码器的稳定运行。

在性能评估方面,建立二进制删除信道模型,利用MATLAB等仿真工具对GLDPC译码器在该信道下的性能进行全面仿真分析。重点研究译码器的误码率、误块率、吞吐量等性能指标随删除概率、迭代次数等因素的变化规律,通过对比不同参数设置下的性能表现,为译码器的优化提供依据。

本研究采用多种研究方法相结合。首先,运用理论分析方法,深入研究GLDPC码的编译码理论,为后续的硬件设计和性能评估奠定理论基础。其次,进行硬件设计,基于FPGA平台,使用VerilogHDL语言进行硬件描述,实现GLDPC译码器的各个功能模块。然后,通过仿真验证方法,利用ModelSim等仿真工具对设计的译码器进行功能仿真,利用MATLAB对译码器在二进制删除信道下的性能进行仿真分析,及时发现并解决设计中存在的问题,确保译码器的性能满足预期要求。

二、GLDPC码与译码算法基础

2.1GLDPC码的基本原理

2.1.1GLDPC码的定义与结构

广义低密度奇偶校验(GLDPC)码是在传统低密度奇偶校验(LDPC)码基础上发展而来的一种新型信道编码。传统LDPC码通过稀疏校验矩阵对信息进行编码,而GLDPC码则将LDPC码中的奇偶校验扩展为其他信道编码,这些信道编码被称为内部码或分量码。具体而言,GLDPC码的校验矩阵由多个子矩阵组成,每个子矩阵对应一个分量码的校验矩阵,通过这种方式,GLDPC码不仅保留了LDPC码的稀疏特性,还利用了

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