1962年Gallager在對糾錯編碼的研究中提出了LDPC碼,，但是由于當(dāng)時的硬件條件不足，直到90年代末隨著超大規(guī)模集成電路的推廣才真正為人們所重視,。雖然在高斯信道中LDPC(Low Density Parity Check,，低密度奇偶校驗碼)碼相比其他編碼方法具有更優(yōu)良的性能，但是由于其逼近香農(nóng)限的性能是在較長的碼長情況下才能得到體現(xiàn),，使得實現(xiàn)起來具有相當(dāng)大的復(fù)雜度,，即便是當(dāng)今的超大規(guī)模集成電路也很難直接實現(xiàn)較長碼長的編碼和解碼。于是如何構(gòu)造和改進LDPC碼成為目前研究的熱點,，而準(zhǔn)循環(huán)低密度奇偶校驗碼的發(fā)現(xiàn),，為LDPC編譯碼的硬件實現(xiàn)提供了可能。QC—LDPC碼具有更好的結(jié)構(gòu)性與隨機性,，在保證碼的信道性能不變的前提下,，極大的簡化了編碼和譯碼電路，是目前實現(xiàn)LDPC編譯碼器的主流算法,。正是由于這些優(yōu)勢,，LDPC碼已被WIMAX(IEEE802．16e)、WLAN(IEEE802．11n),、DVB-T等標(biāo)準(zhǔn)選定為信道編碼的備選編碼,，并且極有可能成為第四代無線通信的編碼標(biāo)準(zhǔn)。
1 IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中對LDPC碼的規(guī)定
IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中LDPC碼的校驗矩陣為
其中,，Pij被定義為z×z的單位變換矩陣或零矩陣,，單位變換矩陣是通過對單位矩陣循環(huán)右移得到的。LDPC碼是由的效驗矩陣日定義,，其中m是校驗位的長度,，n是碼長的長度?；揪仃囍械囊莆患瘂p(i,，j)}是用來決定相同碼率不同碼長的移位大小，對于碼率1／2,、3／4A,、3／4B、2／3B和5／6的各種碼,，p(i,，J)p(i，j)由式(2)決定。
其中,，[x]表示不大于x的最大整數(shù),。([x]為取整函數(shù)),。
在IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中各種碼長和碼率的校驗矩陣H都是由基本矩陣Hb膨脹得到的,，每個基本矩陣有24列，膨脹因子z=n／24(n為碼長),。
IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)支持碼長從576到2 304共19種碼長,。
IEEE802．16e中對于不同碼率的LDPC碼給定了不同的基本矩陣，以碼率為1／2的碼為例,，基本矩陣Hb如圖1所示,。
圖1中-1為全零陣；0為單位陣,，其余標(biāo)號為相應(yīng)右移次數(shù)的單位陣,。
2 基于IEEE802．16e的LDPC碼的快速編碼算法
高編碼復(fù)雜度是LDPC碼需要解決的主要問題，LDPC編碼器直接實現(xiàn)具有和碼長成二次方的時間復(fù)雜度,，而Turbo碼可以在線性時間內(nèi)編碼,。于是如何使得LDPC碼能夠在與碼長成線性時間內(nèi)編碼就成為一個非常關(guān)鍵的問題。
IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的LDPC碼是一種結(jié)構(gòu)性碼,，其算法大大的降低了LDPC碼的編碼復(fù)雜度,。但是如果采用傳統(tǒng)的編碼方法，其編碼復(fù)雜度仍令人難以接受,。校驗矩陣H得到的生成矩陣是一個稀疏矩陣,，所以可以根據(jù)校驗矩陣H的稀疏性以及準(zhǔn)循環(huán)特性來進行快速編碼。
IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中給出了3種LDPC快速編碼的算法,。由于第3種編碼方式是最常用的,，而且已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)只對第3種編碼方式進行說明,。
為了說明效驗矩陣結(jié)構(gòu),，現(xiàn)將其分割為6個子矩陣表示
3 LDPC編碼算法的實現(xiàn)
根據(jù)上述編碼算法，F(xiàn)PGA程序?qū)崿F(xiàn)了0．5碼率,，碼長為2 304 bit,，信息位為1 152 bit數(shù)據(jù)流的編碼。每幀送入1 152 bit原始數(shù)據(jù)流,，經(jīng)過編碼后產(chǎn)生1 152 bit效驗位,，因為是系統(tǒng)碼，所以將原始信息位后緊跟效驗位就可以合并成所要發(fā)送的編碼碼流,。編碼器的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
從圖2可以看出，LDPC編碼器中主要包含矩陣乘法模塊，前項置換模塊,，矢量加法模塊,，以及生成碼字模塊。現(xiàn)對矩陣乘法模塊,，前項置換模塊和碼字生成模塊進行介紹,。
(1)矩陣乘法器模塊：主要由循環(huán)移位器和模二加法器組成。由于FPGA運算的并行特點,，編碼器在計算矩陣乘法時可按行并行操作,。輸入的原始信息比特流與效驗矩陣Hb的每一行進行相乘運算時，首先按照RAM中存儲的非零列號找到相對應(yīng)的信息位中的矢量,，并對該矢量進行循環(huán)右移,，循環(huán)右移的次數(shù)依照IEEE802．11e標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行控制，然后把這一行中的所有非零元素和信息位相乘所得結(jié)果做一次異或操作,，這就是矩陣的一行與信息位相乘的結(jié)果,。該過程可以并行執(zhí)行，同時完成矩陣中每一行與信息位的相乘運算,。
(2)前項置換器模塊：IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,，LDPC碼的效驗矩陣r是雙對角矩陣，所以對于乘矩陣T的逆的操作采用前項置換方法,，其原理如下：
所以在FPGA中進行乘矩陣r的逆的計算,，不必進行求逆和相乘運算，僅用異或運算就能完成,。
(3)生成碼字模塊：主要作用是將原始信息位與效驗位p1和p2合成,。在IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定LDPC碼為系統(tǒng)碼，所以將原始信息位與效驗位p1和p2按順序依次拼接起來,，就是實際編碼后數(shù)據(jù),。
4 FPGA仿真結(jié)果分析
在QuartusⅡ軟件下進行編譯和綜合，器件選擇為Altera公司STRATIXII系列的EP2S90F1020C3,，整個LDPC編碼器最高工作時鐘214 MHz,，邏輯資源占用3 027 LE。LDPC碼編碼仿真結(jié)果如圖3所示,。
code_rden：編碼器使能標(biāo)志,，高電平說明LDPC編碼器正在工作。
matlab_code：LDPC編碼的Matlab仿真結(jié)果輸出,。
ldpc_code：LDPC編碼的FPGA仿真結(jié)果輸出,。
result_out：比對Matlab與FPGA仿真結(jié)果，輸出碼流進行相減一直為零,，說明仿真結(jié)果正確,。
5 結(jié)束語
文中分析了基于IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)的LDPC碼的校驗矩陣H,，然后在QuartusⅡ平臺下根據(jù)分塊矩陣的快速編碼算法設(shè)計了一種編碼器，滿足IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)的碼長為2 304,，碼率為1／2的LDPC碼的編碼要求,，并仿真驗證了LDPC編碼器的性能。仿真結(jié)果證明通過合理的構(gòu)造LDPC碼的校驗矩陣以及選擇合適的編碼算法,，可以有效降低編碼復(fù)雜度,，并實現(xiàn)了線性編碼。