正则LDPC码的构造及硬件实现

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低密度奇偶校验码(Low-Density Parity-Check Codes,LDPC)是1962年由Gallager提出的具有稀疏校验矩阵的一种线性分组码。1993年D.J.C.Mackay和Neal等人发现了其性能接近香农限,引起了通信领域的轰动,成为了通信技术中的研究热点,其技术也日益趋向成熟,已被广泛应用于卫星通信、深空通信、光纤通信等方面。目前对LDPC码的研究主要集中于校验矩阵的构造、译码算法的优化、性能的分析以及在实际系统中的应用等方面。  研究表明,LDPC码长码更具有优越性能,然而随着码长的增加,其编译码的复杂度也随之增加,因此许多研究者开始对中短长的 LDPC码进行研究。PEG算法是校验矩阵的一种随机构造方法,也是迄今为止构造中短长 LDPC码的最优算法。本文提出了一种具有最小距离下界的中短长规则LDPC码的构造方法,称之为独立树基础构造方法,并证明了与PEG算法相比,这种方法得到了更大的围长,具有更大的最小距离下界,也得到了更低的误码率性能。最终用硬件实现也证明了这种算法的正确性。  在理论方面本文首先介绍了通信系统和信道编码理论以及LDPC码的背景知识,接着介绍了LDPC码的基本原理以及常用的构造方法和译码算法,然后重点讨论了LDPC码的几种构造方法,包括简单随机构造算法、PEG算法、以及改进的PEG算法,接着提出了一种新的基于独立树的构造方法,并证明了独立树基础算法具有更大的围长和最小距离下界。对几种中短长码在AWGN信道中进行了Matlab仿真,仿真结果显示了随着信噪比的增加新算法具有更优越的误码率性能。  最终本文对新算法进行了基于FPGA的硬件实现。本文使用VerilogHDL硬件描述语言,采用自顶向下的设计方法对LDPC码构造方法设计出了编码器,并且较为详细的给出了整体结构框图以及各个模块的实现方式,然后在QuarqusII软件环境中将各个模块整合为一个完整的构造算法,并进行了综合编译、功能仿真,并用JTAG模式下载到了实验箱中进行了相应的测试,验证了新提出的构造方法的正确性。
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