該文通過對低密度校驗（LDPC）碼的編譯碼過程進(jìn)行分析，提出了一種基于FPGA 的LDPC 碼編譯碼器聯(lián)合設(shè)計方法，該方法使編碼器和譯碼器共用同一校驗計算電路和復(fù)用相同的RAM 存儲塊，有效減少了硬件資源的消耗量。該方法適合于采用校驗矩陣進(jìn)行編碼和譯碼的情況，不僅適用于全并行的編譯碼器結(jié)構(gòu)，同時也適用于目前廣泛采用的部分并行結(jié)構(gòu)，且能夠使用和積、最小和等多種譯碼算法。采用該方法對兩組不同的LDPC 碼進(jìn)行部分并行結(jié)構(gòu)的編譯碼器聯(lián)合設(shè)計，在Xilinx XC4VLX80 FPGA 上的實現(xiàn)結(jié)果表明，設(shè)計得到的編碼器和譯碼器可并行工作，且僅占用略多于單個譯碼器的硬件資源，提出的設(shè)計方法能夠在不降低吞吐量的同時有效減少系統(tǒng)對硬件資源的需求。

　　1 引言

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用前向糾錯編碼（FEC）技術(shù)可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。其中，LDPC碼憑借其優(yōu)異的糾錯性能、較低的譯碼復(fù)雜度和可并行實現(xiàn)的譯碼結(jié)構(gòu)，已被數(shù)字衛(wèi)星廣播（DVBS2）、無線局域網(wǎng)（WLAN）和全球微波互聯(lián)接入（WIMAX）等多個通信標(biāo)準(zhǔn)采納。

　　如何在大規(guī)模集成電路上實現(xiàn)高速的LDPC 編譯碼器一直是LDPC 碼應(yīng)用研究的一個焦點。理論上，可根據(jù)二部圖中的所有節(jié)點及邊線實現(xiàn)全并行結(jié)構(gòu)的LDPC 碼譯碼器，但隨著碼長的增長，過高的布線復(fù)雜度及龐大的資源需求量將導(dǎo)致全并行結(jié)構(gòu)的譯碼器難以實現(xiàn)。采用串行結(jié)構(gòu)雖然可以減少硬件資源的消耗量，但譯碼器所需的存儲空間會隨著碼長的增長而迅速增加，并且其較低的譯碼吞吐量通常不能滿足實際應(yīng)用的需求。2001 年Kou 等人［1］提出了準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的LDPC 碼，由于其校驗矩陣的準(zhǔn)循環(huán)特性，譯碼器可以采用部分并行結(jié)構(gòu)進(jìn)

　　行實現(xiàn)，從而使得基于長碼的高吞吐量LDPC 碼譯碼器得以實用化?，F(xiàn)階段部分并行結(jié)構(gòu)QC-LDPC譯碼器實現(xiàn)的研究工作已全面展開，文獻(xiàn)［2-8］給出了幾種有效的基于FPGA的譯碼器實現(xiàn)方法。在編碼器的實現(xiàn)上，如果直接采用生成矩陣編碼，那么算法復(fù)雜度將隨著碼長的增加以平方速度遞增，2001 年Richardson 等人［9］提出了一種簡化的編碼算法，但其所需的存儲和運算量依然過于龐大。此后，學(xué)者們提出了一些結(jié)構(gòu)化的編碼方法，其中一種是設(shè)計生成矩陣也具備準(zhǔn)循環(huán)性質(zhì)的LDPC 碼，利用生成矩陣進(jìn)行編碼，文獻(xiàn)［10］給出了該方法的編碼電路；另一種方法是采用特殊結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)循環(huán)校驗矩陣進(jìn)行編碼，例如IEEE 802.16e （WiMAX），IEEE 802.11n（WLAN）等標(biāo)準(zhǔn)采用了一種雙對角結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)循環(huán)校驗矩陣進(jìn)行編碼，針對該結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［11］提出了一種快速遞歸編碼算法及該算法的并行硬件實現(xiàn)架構(gòu)。但現(xiàn)有的LDPC 碼編譯碼器設(shè)計方法都只針對編碼器或譯碼器單獨設(shè)計，并各自優(yōu)化其吞吐量和FPGA資源，而實際的應(yīng)用系統(tǒng)多數(shù)屬于全雙工通信系統(tǒng)，系統(tǒng)需要編碼器和譯碼器兩者同時工作，采用分離式設(shè)計將使得編碼器和譯碼器的硬件資源無法得到有效復(fù)用，導(dǎo)致FPGA資源的利用率不高。

　　本文針對IEEE 802.16e， IEEE 802.11n 等標(biāo)準(zhǔn)建議的LDPC 碼，提出了一種編碼器與譯碼器聯(lián)合設(shè)計方法，該方法使得編碼器能夠利用譯碼器在垂直運算時閑置的校驗計算電路進(jìn)行編碼。提出的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，待編碼數(shù)據(jù)、待譯碼數(shù)據(jù)和譯碼碼字共用相同的存儲塊，編譯碼器的各處理單元共享同一組地址信息，有效減少了編譯碼系統(tǒng)對硬件資源的需求。

　　2 基于H 矩陣的LDPC 編碼

　　個矩陣與向量相乘的結(jié)果相加，且共有mb 個bi 向量需要求解，即便由于矩陣的結(jié)構(gòu)特性使得矩陣乘法可以使用向量的循環(huán)移位代替，其計算量仍然較大。而其它式子均為2~3 個向量的加和，其計算量實際較少，因此整個編碼器的計算復(fù)雜度主要集中于式（2）。通過對式（2）分析可知，bi 實際由H 矩陣每行對應(yīng)位為1 的各信息位相加得到，顯然，如果將碼字序列的校驗位部分全部置零后利用H 矩陣求解其伴隨式，那么得到的伴隨式與bi 等效。因此可以利用系統(tǒng)中現(xiàn)存且閑置的校驗計算電路，通過把校驗位置零后計算伴隨式的方法將其復(fù)用到對信息位的編碼上。本文的編譯碼器資源復(fù)用方案即利用了這種校驗計算電路編碼的思想進(jìn)行設(shè)計。