接近香农极限的信道编码与FPGA实现

中图分类号TN911.2论文编号102870415-S068学科分类号081001硕士学位论文接近香农极限的信道编码与FPGA实现研究生姓名学科、专业通信与信息系统研究方向数字通信指导教师教授南京航空航天大学研究生院电子信息工程学院二О一四年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofElectronicandInformationEngineeringShannon-limit-approachingchannelcodesandImplementonFPGAAThesisinInformationandCommunicationEngineeringbyZhangShungenAdvisedbyProf.YangFengFanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2014承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文I摘要自从Shannon定理被提出以来，寻找性能能够接近甚至达到Shannon极限的信道编码一直是通信领域研究的热点之一。极化码是目前发现的性能最接近Shannon极限的一种信道编码，它是由Arikan提出的。极化码的优越性能在理论上得到了严格的证明，但在实际应用中还存在一些问题，需要进一步探索研究。而目前被广泛使用的是LDPC码，这是由Gallarger博士在1962年提出的一种信道编码，但由于实际条件所限，直到90年代才被广泛研究与应用。由于LDPC码具有非常好的性能，且实现方式简单高效，因此得到了广泛的重视与研究，并且已经成为第四代移动通信、卫星通信、网络数据传输等强有力的竞争者。QC-LDPC码是LDPC码的一个子类，由于具有准循环特性，因此它的编码与译码都可以用硬件高效实现。本文首先主要研究了信道的合并与拆分过程，然后基于此分析了信道的极化过程，并给出信道极化的示意图，以及在高斯信道下进行仿真得到的性能曲线。可以看出极化码是基于信道极化过程传输信息的，且性能优越。其次简单介绍了LDPC码通用的编码过程，并给出了针对QC-LDPC码准循环结构的块编码过程。然后进一步研究了QC—LDPC码的随机构造过程，详细介绍了消除4环与6环的过程。文章也给出了各自的性能比较，并构造了一个本文硬件实现中的码字。然后研究了LDPC码的几种软判决译码算法，并对其译码的性能进行了详细的分析，给出了不同的软件仿真结果对比，并确定了算法的修正因子。最终确定在硬件实现中采用基于归一化算法的分层译码算法，并对其中所有的软信息数据采用6bits量化处理。最后分析了LDPC码译码器的多种结构，确定本文的设计中采用分层译码结构，并详细介绍了各个子模块的实现功能，然后运用verilog硬件描述语言完成整个译码器的设计。使用Quartus软件在Alter公司的EP3SL340H1152I4芯片上完成译码器的布局布线与综合优化，并调用Modelsim软件完成译码器时序的仿真。在设定时钟频率为50MHZ，迭代5次的情况下，译码器达到了79.5Mbps的吞吐率。关键字：极化码，QC-LDPC码，分层译码器，FPGA接近香农极限的信道编码与FPGA实现IIABSTRACTSinceShannontheoremisproposed,tofindthechannelcodewhoseperformancecanapproachevenreachShannonlimithasbeennewfocuseonfieldofcommunication.PolarcodeischannelcodetobefoundwhoseperformanceisclosesttoShannonlimit,anditisproposedbyArikan.Superiorityofpolarcodecantheoreticallyobtainstrictproof,buttherearesomeproblemsinpracticalapplicationsandfurtherresearchtoneed.AndnowLDPCcodeiswidelyusedcode,whichisachannelcodepresentedbyDr.Gallargerin1962,however,duetotheactualconditions,untilthe1990sitwasonlyextensivelyresearchedandapplicated.BecauseLDPCcodehasverygoodperformanceandachieveasimpleandefficientencodingway,soithasbeenwidelyappreciatedandresearchedandhasbecamestrongcompetitorofthefourthgenerationmobilecommunications,satellitecommunications,andnetworkdatatransmission.QC-LDPCcodeisasubclassofLDPCcodes,asquasi-cyclecharacteristics,soitsencodinganddecodingcanbeefficientlyachievedonhardware.ThispaperfirstresearchestheprocessofChannelCombingandChannelSplitting,thenanalysisesthepolarizationprocessbasedonthese,andaschematicdiagramofthechannelpolarizationisgiven,aswellasperformancecurvesobtainedbysimulationunderGaussianchannel.Youcanseethatthecodeisbasedonthechannelpolarizationtoprocessinformationandhavesuperiorperformance.Secondly,thepapergivesabriefintroductionofLDPCcodeencodingprocessandtheencodingprocessforQC-LDPCcodebasedonblockquasi-cyclicstructure.ThentheprocessofrandomlyconstructedQC-LDPCcodesisfurtherresearched,detailsoftheeliminationofgrith4andgrith6isgived.Thepapergivestheircomparativeperformanceandconstructsacodewordinhardwareimplementation.Thenthepaperresearchesseveralsoft-decisiondecodingalgorithmforLDPCcodesandcarriesoutadetailedanalysisoftheperformance,givesdifferentsoftwaresimulationresults,anddeterminesthecorrectionfactor.Finalizingthelayereddecodingalgorithmbasedonnormalizationalgorithmisusedinhardwareimplementations,andalldataquantitativeissetas6bits.Finally,analysisofthevariousstructuresoftheLDPCcodedecoderdeterminesthedesignoflayereddecodingarchitectureandimplementationofeachmodule,andthenweuseveriloghardware南京航空航天大学硕士学位论文IIIdescriptionlanguagetocompletethedecoderdesign.UsingQuartussoftwarecompleteslayoutandintegratedoptimizationofthedecoderonEP3SL340H1152I4ofAlterandusingModelsimsoftwarecompletesdecodertimingsimulation.Whentheclockfrequencyis50MHzandthemaximumiterationnumberis5,thedecodingthroughputcanreach79.5Mbps.Keywords:polarcode,QC-LDPCcode,Layereddecodingarchitecture,FPGA接近香农极限的信道编码与FPGA实现IV目录第一章绪论..........................................................................................................................................11.1无线通信系统信道编码技术简介...........................................................................................11.2极化码的发展与研究现状.......................................................................................................11.3LDPC码的发展与研究现状...................................................................................................21.4LDPC码译码器的硬件实现研究现状....................................................................................21.5论文的组织结构与主要内容...................................................................................................3第二章极化码编解码技术研究...........................................................................................................42.1香农定理简介..................................................................