專利名稱：基于查找表的深空通信中l(wèi)dpc串行編碼器和編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深空數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，特別涉及一種CCSDS深空通信系統(tǒng)中QC-LDPC碼編碼器的串行實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
由于在傳輸信道中存在的各種失真和噪聲會(huì)對發(fā)送信號產(chǎn)生干擾，接收端不可避免地會(huì)出現(xiàn)數(shù)字信號產(chǎn)生誤碼的情況。為了降低誤碼率，需要采用信道編碼技術(shù)。低密度奇偶校驗(yàn)(Low-Density Parity-Check, LDPC)碼以其逼近Shannon限的優(yōu)異性能成為信道編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼(Quasic-LDPC，QC-LDPC)碼是一種特殊的LDPC碼,其編碼可采用移位寄存器加累加器(Shift-Register-Adder-Accumulator ，SRAA)加以實(shí)現(xiàn)。SRAA法是利用生成矩陣G進(jìn)行編碼。QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gi,」(I彡i彡a, I彡j彡t)構(gòu)成的陣列，t=a+c。與信息向量對應(yīng)的一部分生成矩陣是單位矩陣，與校驗(yàn)向量對應(yīng)的其余部分生成矩陣是高密度矩陣。串行SRAA法完成一次編碼需要ab+t個(gè)時(shí)鐘周期,需要(t+c)b個(gè)寄存器、cb個(gè)二輸入與門和cb個(gè)二輸入異或門。此外，還需要acb比特ROM存儲(chǔ)循環(huán)矩陣的首行。CCSDS深空通信系統(tǒng)推薦了 9種QC-LDPC碼，其中碼率η分為1/2、2/3和4/5三種，方陣階數(shù)13分為32、64、128、256、512、1024和2048七種。如圖I所示，η和b共有9種有效組合(n,b) (4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2，2048)，對應(yīng) 9 種 QC-LDPC 碼。對于所有 QC-LDPC 碼，均有c=12o圖2給出了不同碼率η下的參數(shù)a和t。CCSDS深空通信系統(tǒng)中QC-LDPC低速編碼的現(xiàn)有解決方案是采用串行SRAA法，9種 QC-LDPC 碼所需的編碼時(shí)間分別是 1068、1052、1044、4140、4124、4116、16428、16412 和16404個(gè)時(shí)鐘周期。邏輯資源需要65536個(gè)寄存器、24576個(gè)二輸入與門和24576個(gè)二輸入異或門，這是由(n,b) = (l/2, 2048)對應(yīng)的參數(shù)決定的。此外，9種QC-LDPC碼共需774，144比特ROM存儲(chǔ)循環(huán)矩陣的首行。當(dāng)采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要較多的存儲(chǔ)器和寄存器，勢必會(huì)造成設(shè)備成本高，功耗大。

發(fā)明內(nèi)容
針對CCSDS深空通信系統(tǒng)多種QC-LDPC碼低速編碼的現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方案中存在的資源需求量大缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于查找表的串行編碼方法，能在保持編碼速度不變的前提下，減少資源需求。如圖3所示，CCSDS深空通信系統(tǒng)中多種QC-LDPC碼的串行編碼器主要由4部分組成寄存器、索引編碼器、查找表和b位二輸入異或門。整個(gè)編碼過程分4步完成 第I步，清零寄存器Ra+1 Rt ;第2步，輸入信息比特ek(0 ( k〈ab)，寄存器R1 Ra串行左移I次，緩沖信息向量S，為索引編碼器配置恰當(dāng)?shù)拇a率η和方陣階數(shù)b，塊行號控制端輸入P =[k/b]+l (符號[k/b]表不不大于k/b的最大整數(shù)),查找表根據(jù)索引τ選擇輸出，b位二輸入異或門A1 (I彡I彡c)將查找表的第I個(gè)b位輸出端與寄存器Ra+1串行循環(huán)左移I次的結(jié)果相加，和存回寄存器Ra+1 ;第3步，以I為步長遞增改變k的取值，重復(fù)第2步ab次，直到整個(gè)信息向量s輸入完畢；第4步，并行輸出碼字V= (S，P)。本發(fā)明提供的QC-LDPC串行編碼器兼容多碼率，能在保持編碼速度不變的前提下有效減少資源需求，從而達(dá)到降低硬件成本和功耗的目的。關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可通過接下來的發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。


圖I給出了碼率η和方陣階數(shù)b的有效組合(n，b)； 圖2給出了不同碼率η下的參數(shù)a和t ;圖3是CCSDS深空通信系統(tǒng)中兼容9種QC-LDPC碼的串行編碼器整體結(jié)構(gòu)；圖4給出了索引編碼器的輸出τ與信息比特、碼率η、方陣階數(shù)b和生成矩陣G的塊行號P之間的關(guān)系；圖5比較了傳統(tǒng)的串行SRAA法與本發(fā)明的資源消耗。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。QC-LDPC碼是一類特殊的LDPC碼，它的生成矩陣G和校驗(yàn)矩陣H都是由循環(huán)矩陣構(gòu)成的陣列，具有分段循環(huán)特點(diǎn)，故被稱為準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼。從行的角度看，循環(huán)矩陣的每一行都是上一行(首行是末行)循環(huán)右移一位的結(jié)果；從列的角度看，循環(huán)矩陣的每一列都是前一列(首列是末列)循環(huán)下移一位的結(jié)果。循環(huán)矩陣的行向量構(gòu)成的集合與列向量構(gòu)成的集合完全相同，因此，循環(huán)矩陣完全可由它的首行或首列來表征。QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gi,」(I彡i彡a, I彡j彡t)構(gòu)成的陣列
I O …O Gla+1 GLa+2 …Gu
O I …O G2 a+X G2 a+2 …G2 j
O =..... .⑴
·
· * · * * *
O O …I Goa+l Goa+2 …GaJ_G (或H)的連續(xù)b行和b列分別被稱為塊行和塊列。對于CCSDS深空通信系統(tǒng)，生成矩陣G對應(yīng)碼字V= (s，p)，G的前a塊列對應(yīng)的是信息向量S=Gtl, e1；…，en),后c塊列對應(yīng)的是校驗(yàn)向量P。以b比特為一段,信息向量s被等分為a段，即S=G1, S2,…，sa);校驗(yàn)向量P被等分為c段，即P=^1, P2,…，P。)。如圖I所示，CCSDS深空通信系統(tǒng)采用了 9種QC-LDPC碼，其中碼率η分為1/2、2/3和4/5三種，方陣階數(shù)b分為32、64、128、256、512、1024和2048七種。n和b共有9種有效組合(n,b) (4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2,2048)。對于所有QC-LDPC碼，均有c=12，圖2給出了不同碼率η下的參數(shù)a和t。由式⑴和循環(huán)矩陣的特點(diǎn)，圖3給出了適用于CCSDS深空通信系統(tǒng)中9種QC-LDPC碼的串行編碼器，它主要由寄存器、索引編碼器、查找表和b位二輸入異或門四種功能模塊組成。寄存器R1 Ra用于緩存信息向量S=Cs1, S2, ...，Sa)，寄存器Ra+1 Rt用于計(jì)算和存儲(chǔ)校驗(yàn)向量P= (P1, P2，…，P。)。索引編碼器形成查找表的索引τ，以簡化查找表的使用。b位二輸入異或門A1 Α。將查找表的第fc個(gè)b位輸出值分別累加到寄存器Ra+1 Rt中。索引編碼器的輸出τ取決于四個(gè)輸入信息比特、碼率η、方陣階數(shù)b和生成矩陣G的塊行號P(l< P <a)。如果當(dāng)前輸入的信息比特是0，那么τ=0;否則，根據(jù)碼率η、方陣階數(shù) b 和塊行號 P 計(jì)算 τ。當(dāng)(n,b) = (l/2, 2048)時(shí)，τ=ρ ;當(dāng)(n,b) = (2/3, 1024)時(shí)，τ=8+ρ ;當(dāng)(n,b) = (4/5, 512)時(shí)，τ =24+ P ;當(dāng)(η，b) = (1/2，512)時(shí)，τ=56+Ρ ;當(dāng)(n,b) = (2/3, 256)時(shí)，τ =64+ P ;當(dāng)(n,b) = (4/5, 128)時(shí)，τ =80+ P ;當(dāng)(n,b) = (l/2, 128)時(shí)，τ =112+P ;當(dāng)(n，b) = (2/3，64)時(shí)，τ =120+P ;當(dāng)(η，b) = (4/5，32)時(shí)，τ =136+P 碼率H有3種，故可用2比特來表示；方陣階數(shù)b有7種，故可 用3比特來表示；塊行號P的最大值是32，故可用6比特來表示；τ的最大值是168，故可用8比特來表示。圖4給出了索引編碼器的輸出τ與四個(gè)控制量之間的關(guān)系。查找表根據(jù)索引τ進(jìn)行輸出。如果τ =0，那么查找表輸出全零；如果I彡τ彡8，那么查找表輸出(n，b) = (1/2，2048)的生成矩陣第τ塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果9彡τ彡24，那么查找表輸出(n，b) = (2/3，1024)的生成矩陣第τ-8塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果25 < τ <56，那么查找表輸出(n,b) = (4/5,512)的生成矩陣第τ-24塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果57彡τ彡64，那么查找表輸出(n，b) = (l/2，512)的生成矩陣第τ-56塊行、第a+f t塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果65 < τ <80，那么查找表輸出(n，b) = (2/3，256)的生成矩陣第τ-64塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果81彡τ <112，那么查找表輸出(n，b) = (4/5，128)的生成矩陣第τ-80塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果113彡τ彡120，那么查找表輸出(n，b) = (l/2，128)的生成矩陣第τ-112塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果121彡τ彡136，那么查找表輸出(n,b) = (2/3,64)的生成矩陣第τ-120塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；否則，查找表輸出(n，b) = (4/5，32)的生成矩陣第τ-136塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行。本發(fā)明提供了一種可變碼率QC-LDPC碼的串行編碼方法，結(jié)合CCSDS深空通信系統(tǒng)中多種QC-LDPC碼的串行編碼器(如圖3所示)，其編碼步驟描述如下第I步，清零寄存器Ra+1 Rt ；第2步，輸入信息比特ek (O ( k〈ab)，寄存器R1 Ra串行左移I次，緩沖信息向量S，為索引編碼器配置恰當(dāng)?shù)拇a率η和方陣階數(shù)b，塊行號控制端輸入P=[k/b]+l (符號[k/b]表示不大于k/b的最大整數(shù))，查找表根據(jù)索引τ選擇輸出，b位二輸入異或門A1(I ^ I ^ c)將查找表的第I個(gè)b位輸出端與寄存器Ra+1串行循環(huán)左移I次的結(jié)果相加，和存回寄存器Ra+1 ;第3步，以I為步長遞增改變k的取值，重復(fù)第2步ab次，直到整個(gè)信息向量s輸入完畢，此時(shí)，寄存器R1 Ra存儲(chǔ)的是信息向量S= (Sl, S2，…，sa)，寄存器Ra+1 Rt存儲(chǔ)的是校驗(yàn)向量P= (P1, P2,…，Pc)；
第4步，并行輸出碼字V= (S，P)。從以上步驟不難看出，整個(gè)編碼過程共需ab+t個(gè)時(shí)鐘周期，這與傳統(tǒng)的串行SRAA法完全相同。圖5比較了傳 統(tǒng)的串行SRAA法與本發(fā)明的資源消耗。注意，這里將查找表的基本查找單元視為一個(gè)二輸入與門。從圖5可清楚看到，本發(fā)明使用的異或門和與門數(shù)量與串行SRAA法完全相同，本發(fā)明的優(yōu)勢是無需存儲(chǔ)器，使用了較少的寄存器，耗費(fèi)量是串行SRAA法的63%。綜上可見，與傳統(tǒng)的串行SRAA法相比，本發(fā)明保持了編碼速度，具有控制簡單、資源消耗少、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種適合于CCSDS深空通信系統(tǒng)采用的9種QC-LDPC碼的串行編碼器，QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aXt個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gy構(gòu)成的陣列，其中，a、t和b皆為正整數(shù)，t=a+c,l≤i≤≤a，l≤j≤t，3種不同碼率n分別是1/2、2/3、4/5，7種方陣階數(shù)b分別是 32、64、128、256、512、1024、2048，9 種有效組合(n，b)分別是(4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2，2048)，對于這9種QC-LDPC碼，均有c=12，3種不同碼率對應(yīng)的參數(shù)a分別是8、16、32，3種不同碼率對應(yīng)的參數(shù)t分別是20、28、44，生成矩陣G對應(yīng)碼字V= (s，p),G的前a塊列對應(yīng)的是信息向量S=Gtl, e1；…，en),后c塊列對應(yīng)的是校驗(yàn)向量p,以b比特為一段,信息向量s被等分為a段,即S=G1, S2,…，sa),校驗(yàn)向量p被等分為c段,即P= (P1, P2,…，P。)，其特征在于，所述編碼器包括以下部件 寄存器R1 Rt，寄存器R1 Ra用于緩存信息向量S= (Sl, S2,-, sa)，寄存器Ra+1 Rt用于計(jì)算和存儲(chǔ)校驗(yàn)向量P= (P1, Pu…，Pc); 索引編碼器，形成查找表的索引T，以簡化查找表的使用，其中，0≤T≤168; 查找表，根據(jù)索引T輸出某一組合(n，b)對應(yīng)的QC-LDPC碼生成矩陣的第P塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行，其中，I < P^a； b位二輸入異或門A1 A。，將查找表的第f c個(gè)b位輸出值分別累加到寄存器Ra+1 Rt中。
2.如權(quán)利要求I所述的串行編碼器，其特征在于，所述索引編碼器的輸出T取決于信息比特、碼率H、方陣階數(shù)b和生成矩陣G的塊行號P四個(gè)輸入如果當(dāng)前輸入的信息比特是0，那么t=0;否則，根據(jù)碼率n、方陣階數(shù)b和塊行號P計(jì)算t，當(dāng)(n，b) = (l/2, 2048)、(2/3,1024)、(4/5,512)、(1/2,512)、(2/3,256)、(4/5,128)、(1/2,128)、(2/3, 64)和(4/5, 32)時(shí)，x 分別等于 p、8+P、24+P、56+P、64+P、80+P、112+P ,120+P 和 136+P。
3.如權(quán)利要求I所述的串行編碼器，其特征在于，所述查找表根據(jù)索引T進(jìn)行輸出如果T =0，那么查找表輸出全零；如果I < T <8，那么查找表輸出(n，b) = (1/2，2048)的生成矩陣第T塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果9彡T <24，那么查找表輸出(n，b) = (2/3，1024)的生成矩陣第T-8塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果25 < T <56，那么查找表輸出(n，b) = (4/5，512)的生成矩陣第t-24塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果57 < T <64，那么查找表輸出(n，b) = (l/2，512)的生成矩陣第T-56塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果65 < T <80，那么查找表輸出(n，b) = (2/3，256)的生成矩陣第T-64塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果81 < T <112，那么查找表輸出(n，b) = (4/5，128)的生成矩陣第T-80塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果113≤T≤120，那么查找表輸出(n,b) = (l/2, 128)的生成矩陣第T-112塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；如果121≤T≤136，那么查找表輸出(n，b) = (2/3，64)的生成矩陣第t-120塊行、第a+1 t塊列中所有循環(huán)矩陣的首行；否則，查找表輸出(n，b) = (4/5，32)的生成矩陣第t-136塊行、第a+1、塊列中所有循環(huán)矩陣的首行。
4.一種適合于CCSDS深空通信系統(tǒng)采用的9種QC-LDPC碼的串行編碼方法，QC-LDPC碼的生成矩陣G是由aX t個(gè)bXb階循環(huán)矩陣Gi, j構(gòu)成的陣列，其中，a、t和b皆為正整數(shù)，t=a+c，l≤i≤a，l≤j≤t，3種不同碼率η分別是1/2、2/3、4/5，7種方陣階數(shù)b分別是 32、64、128、256、512、1024、2048，9 種有效組合(η，b)分別是(4/5，32)、(2/3，64)、(1/2，128)、(4/5，128)、(2/3，256)、(1/2，512)、(4/5，512)、(2/3，1024)和(1/2，2048)，對于這9種QC-LDPC碼，均有c=12，3種不同碼率對應(yīng)的參數(shù)a分別是8、16、32，3種不同碼率對應(yīng)的參數(shù)t分別是20、28、44，生成矩陣G對應(yīng)碼字V= (s，p),G的前a塊列對應(yīng)的是信息向量S=Gtl, e1；…，en),后c塊列對應(yīng)的是校驗(yàn)向量P,以b比特為一段,信息向量s被等分為a段,即S=G1, S2,…，sa),校驗(yàn)向量P被等分為c段,即P= (P1, P2,…，P。)，其特征在于，所述編碼方法包括以下步驟 第I步，清零寄存器Ra+1 Rt; 第2步，輸入信息比特ek，寄存器R1 Ra串行左移I次，緩沖信息向量S，為索引編碼器配置恰當(dāng)?shù)拇a率H和方陣階數(shù)b，塊行號控制端輸入P=[k/b]+l，查找表根據(jù)索引τ選擇輸出，b位二輸入異或門A1將查找表的第Ifb位輸出端與寄存器Ra+1串行循環(huán)左移I次的結(jié)果相加，和存回寄存器Ra+1,其中，0 ≤ k<ab, 1≤ 1≤ c,符號[k/b]表不不大于k/b的最大整數(shù)； 第3步，以I為步長遞增改變k的取值，重復(fù)第2步ab次，直到整個(gè)信息向量s輸入完畢，此時(shí)，寄存器R1 Ra存儲(chǔ)的是信息向量S= (Sl, S2, -,Sa)，寄存器Ra+1 Rt存儲(chǔ)的是校驗(yàn)向量P=CP1, P2,…，Pc)； 第4步,并行輸出碼字V= (S，P)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種解決CCSDS深空通信系統(tǒng)中9種QC-LDPC碼串行編碼的方案，其特征在于，所述系統(tǒng)的QC-LDPC碼的串行編碼器主要由寄存器、索引編碼器、查找表和b位二輸入異或門四部分組成。本發(fā)明提供的QC-LDPC串行編碼器兼容多碼率，能在保持編碼速度不變的條件下有效減少資源需求，具有控制簡單、資源消耗少、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04L1/00GK102857324SQ201210374709
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者張鵬, 蔡超時(shí), 楊霏 申請人:蘇州威士達(dá)信息科技有限公司