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為了降低非規則低密度奇偶校驗(low-densityparity-check,LDPC)碼譯碼算法的復雜度，提出一種適合數字信號處理囂(digital signal processor，DSP)實現的低運算復雜度、低誤碼平臺譯碼的改進算法。該算法校驗節點的運算采用修正最小和算法，外信息的更新采用串行方式，既保持了串行和積算法在有限迭代次數下譯碼門限低的優點，又降低了節點運算復雜度和誤碼平臺。用定點DSP芯片實現的非規則LDPC碼譯碼器的實測結果表明，該算法能以較低的實現復雜度獲得低的誤碼平臺和譯碼門限。 低密度奇偶校驗(low-density paruty-check，LDPC)碼是一種非常有效的信道編碼方案，已經成為新一代數字衛星廣播(DVB-S2)等標準的信道編碼方案，具有重要的應用價值。 LDPC碼譯碼器設計的實現成為近年來研究的熱點。LDPC碼譯碼器的實現方法主要有2種：一種是基于超大規模集成電路(VLSI)的設計；另外一種是基于數字信號處理器(digital signalprocessor，DSP)等指令串行執行系統的實現。 LDPC碼譯碼多采用和積(sum-product，SP)譯碼算法，影響其復雜度的因素有迭代次數和每次迭代的運算復雜度。由于DSP芯片指令串行執行的特點，要實現較高速率的LDPC碼譯碼器，必須同時減少迭代譯碼次數和每次迭代的運算量。文提出一種逐個校驗節點串行更新的迭代譯碼算法(S-SP)，并說明在二進制對稱信道(BSC)下可以有效降低迭代譯碼的次數；為降低每次迭代的運算復雜度，校驗節點的運算存在一些簡化的譯碼算法，如修正最小和算法(modified mim-sum，MMS)等，但這些算法的譯碼門限有一定的損失。 本文研究非規則LDPC碼的S-SP算法在加性高斯白噪聲(AWGN)信道下的性能，說明該算法雖能降低迭代次數，但是存在誤碼平臺較高的問題。考慮到簡化的譯碼算法(例如MMS算法)有復雜度和誤碼平臺低的特點，本文綜合這2類算法的特點，提出了串行MMS(S-MMS)算法，該算法在有限迭代次數下具有低的誤碼平臺和較低的譯碼門限，實現了復雜度和性能的較好折衷，適合于用DSP實現。 1 LDPC碼簡介和迭代譯碼算法 1．1 LDPC碼簡介 LDPC碼是一種分組碼。其校驗矩陣為超稀疏隨機矩陣，設為H。對于任何一個合法的碼字v，都有校驗方程。由該方程可知，校驗矩陣中每行的非零元素，將所對應的LDPC碼元映射成一個相當于校驗碼的約束，定義這種約束關系為一個校驗節點。校驗矩陣中每列的非零元素對應LDPC碼的同一個碼元，形成了一個相當于重復碼的約束，定義這種約束關系為一個變量節點，而矩陣中的非零元素，既參與了變量節點的重復碼的約束關系，又參與了校驗節點的校驗碼的約束關系;因此定義矩陣中非零元素所對應的關系為連結這2種節點的“連結線”。因此，LDPC碼的結構也可以用圖1的因子圖表示。 LDPC碼的編碼，先利用校驗矩陣得到對應的生成矩陣，然后直接用信息序列和生成矩陣相乘即可得到編碼碼字，而LDPC碼的譯碼則利用校驗節點和變量節點的約束關系，在2類節點間通過“連結線”進行外信息的傳遞，從而實現迭代譯碼。 1．2 LDPC碼迭代譯碼算法 定義為變量節點n的先驗信息，即對數似然比；表示第k次迭代中，從校驗節點m到變量節點n的外信息；表示第k次迭代中，從變量節點n到校驗節點m的外信息；為第k次迭代后變量節點n的后驗信息；M(n)表示和變量節點n相連的校驗節點的集合；N(m)表示和校驗節點m相連的變量節點的集合。 標準的和積(SP)譯碼算法如下。 步驟1 初始化。 其中：xn為發送比特;yn為接收符號。采用二進制相移鍵控(BPSK)調制，信道為AWGN信道。 步驟2 迭代譯碼。 迭代譯碼包括2個步驟，變量節點的計算和校驗節點的計算。本文中設定固定的迭代次數K，然后判決輸出。 1)變量節點的運算(對所有的變量節點n)。 2)校驗節點的運算(對所有的校驗節點m)。 其中k≥1. 步驟3后驗信息計算和判決輸出。 串行和積譯碼算法(S-SP)，在計算校驗節點m時，需要將上面和積(SP)算法中的步驟2變量節點的運算修改為 其k≥1，假設校驗節點的計算從1開始，也即m依次取1，2，3，…，M，這里M為校驗節點的個數，如圖1所示。 S-SP算法和SP算法的不同點在于：在SP算法中，所有與校驗節點m相鄰的變量節點更新時所使用的校驗節點外信息都來自上一次的迭代輸出，然后進行校驗節點m的運算。而在S-SP算法中，計算校驗節點m時，和其相連變量節點的更新可以使用本次迭代中已經更新過的外信息。從上面的分析也可看出，S-SP算法的復雜度和SP算法相同，另外，可通過合理設計，使得該算法需要的存儲資源可降低為原來的1／2。 2 改進的迭代譯碼算法和優化設計 文指出，在BSC信道下，S-SP算法可以有效降低迭代譯碼次數。本文研究了該算法在AWGN信道下的特點，發現該算法雖可以降低迭代譯碼次數，但是存在誤碼平臺較高的缺點。后面將利用仿真結果說明這一特點。 本文將S-SP算法與修正最小和算法(MMS)結合，提出了改進算法，將外信息的更新采用串行更新策略，校驗節點的計算采用修正最小和算法，稱為串行修正最小和算法(S-MMS)。該算法解決了S-SP算法的誤碼平臺較高的問題，譯碼門限和標準的SP算法相比，性能損失很小。 提出的串行修正最小和算法(S-MMS)，其迭代譯碼步驟2修改如下。 設定固定的迭代次數K，對校驗節點m，依次取1，2，3，…，M，進行下面的2個步驟。 1)變量節點的運算(只計算和校驗節點m相連的變量節點)。 其中：r=│N(m)│表示集合N(m)中的元素個數，即非規則碼的校驗節點m的階數；βr為非規則碼不同階校驗節點的偏移因子；sgn()為符號函數。 最優的偏移因子βr值，可以采用密度演化或者計算機仿真的方法得到。 本算法變量節點的運算只包括求和運算，校驗節點只包括最大、最小和減法操作，與SP算法的校驗節點運算的非線性函數ln(tanh())相比，量化噪聲對其影響小。本文針對定點DSP芯片特點，信道觀測值和迭代譯碼中的外信息，都采用16 b的量化精度，有利于優化指令并行度，并可以降低存儲器讀取、存儲延時。 3 算法性能仿真測試 為驗證本文算法的有效性，結合非規則LDPC碼對算法的性能進行了計算機仿真，并利用TI公司的定點DSP對其性能進行了測試。 仿真采用的非規則LDPC碼的碼長為4．096kb，碼率為1／2，變量節點和校驗節點的度分布分別為λ(x)=0．27x+0．25x2+0．01x3+0．47x9和ρ(x)=0．47_x6+0．53x7。 據ρ(x)可知，非規則LDPC碼校驗節點的階數為7和8，通過計算機仿真得到的最優偏移因子分別為β7=0．45，β8=O．60。 圖2給出了不同迭代次數下S-SP譯碼算法和SP算法的性能比較�？梢钥闯�，在AWGN信道下，S-SP算法仍可以有效地降低迭代譯碼次數，或者說在相同的有限迭代譯碼次數下，尤其是迭代次數為10次和20次時，性能有明顯改善；但是，S-SP算法的缺點是有較高的誤碼平臺。 圖3給出了不同迭代次數下，S-MMS算法和SP算法的性能比較�？梢钥闯觯琒-MMS算法誤碼平臺降低，譯碼門限略高于SP算法，在迭代次數較小時，性能仍有明顯改善。當迭代次數為20，Eb／No較小時，S-MMS算法與SP算法相比性能略有惡化，但Eb／No較大時，性能有明顯改善，且誤碼平臺降低，例如誤比特率Pe為10-5時，信噪比改善約0．1 dB。在誤碼率10-6時，信噪比改善約0．25 dB。當迭代次數為50，Eb／No較小時，譯碼門限惡化約0．15 dB，Eb／No較大時，性能仍有所改善，誤碼平臺降低。 綜合比較圖2和圖3，S-MMS算法和S-SP算法相比，Eb／No較小時，譯碼門限惡化約為0．1～0．2 dB，Eb／No較大時，例如在誤比特率Pe為10-6時，性能仍有所改善�？紤]到一般通信系統要求譯碼后的誤碼率低于10-5，S-MMS算法在Eb／No較小時的性能惡化對其應用影響不大，適合實際應用。 圖4給出了不同迭代次數下，利用TI公司的DSP芯片TMS320C6416T實現的采用量化SMMS算法的譯碼器的仿真測試性能和未量化S-MMS算法的比較。可以看出，定點DSP芯片上實現的S-MMS算法和未量化的算法性能幾乎完全一致，進一步說明了本算法利用DSP芯片實現的有效性。DSP芯片實現的譯碼器的具體性能見表1。 文中用DSP實現的LDPC碼譯碼器采用的碼長為10．228 kb，碼率為1／2，在誤碼率10-5時，信噪比為1．65 dB。本文設計的譯碼器采用的LDPC碼的碼長為4．096 kb，碼率也為1／2，若采用50次迭代，在誤碼率10-5時，信噪比為1．55 dB；因此，本文實現的譯碼器的糾錯性能優于文中設計的譯碼器。另一方面，本文譯碼器設計使用C語言實現，指令級的優化可進一步提高工作速率。 4 結 論 本文提出了一種適合數字信號處理器(DSP)實現的低復雜度、低誤碼平臺的譯碼算法。該算法校驗節點運算采用MMS算法，節點間的外信息更新采用串行方式，既保持了S-SP算法有限迭代次數下譯碼門限低的優點，又利用MMS算法的優點降低了誤碼平臺和實現復雜度，克服了S-SP算法的復雜度高、誤碼平臺高的明顯缺點，獲得了較好的性能折衷，很好地適應了DSP芯片指令串行執行的特點。 |
