（光学工程专业论文）tpc硬判决译码改进算法的研究及其fpga实现.pdf

二譬。 。 _ - c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ao is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g m o d i f i e d a l g o r i t h mo f h a r dd e c i s i o n d e c o d i n g a n df p g ar e a l i z a t i o nf o rt p c c a n d i d a t e ：z h a n gw e i w e i s u p e r v i s o t ：a s s o c p r o f e s s o rz h o n gz h i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a lit y ：o p t i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， 、一i 上 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑晕声明：本论义的所有二i 作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：纭缀始 日期： 纱秒年乡月5 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨：j ：程大学。哈尔滨 工程人学有权保留夕 ：向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨1 ：程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编奉 学位论文，可以公布沦文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论义研究课题冉撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨j r l ：程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、，r ：编等。 作者( 签字) ：认缀锄乙导师( 签字) ：矗冲痞- 日期： 沙f 口年；月侈卅口年眵月d 臼 哈尔演1 种人硕十，伊沦丈 摘要 信道编码是光纤通信系统中非常重要的组成部分。t u r b o 乘积码( t p c ) ， 作为自仃向纠错编码的一种新型纠错编码类璎，由于有着接近香农极限的纠错 能力，是编码领域近几年束研究的热点之一。 到目前为i e ，对t p c 的研究大多是基于软输入软输出( s i s o ) 进行的。 但由于软判决译码存在译码复杂度大，译码延时大等缺点，无法满足高速光 通信的需要。梢对软判决译码而言，硬判决译码具有计算复杂度低、结构简 单、实现容易、译码速度快等优点。 本课题以扩展h a m m i n g 码作为t p c 的分量码，针对t p c 传统硬判决译 码( c h d d ) 的纠错性能不理想的问题，提出了两种基于传统硬判决译码的 改进算法。 针对c h d d 算法误比特率较高的问题，根掘c h d d 对某些错误可以检 测但无法纠i f 这一特点，提出了一种新的硬判决译码算法。该算法在对c h d d 算法进行多次迭代的基础上，通过串接检错、估算错误总数、构造错码候选 码字集、选取最优码字等步骤束来实现。仿真结果表明，在误比特率为1 0 巧 时，与c h d d 算法相比，该算法能够提高o 9 d b 的增益，但译码复杂度相对 增大。 针对c h d d 算法在低信噪比卜误帧率较高的问题，根据c h d d 译码过 程中先j r 后列译码和先列后行译码这两种不同译码次序的输出码字有丁能不 一样的特点，提出另一种新的硬判决译码算法。输入数据先由两种不同译码 顺序的传统译码方式并行译码，然后应用选择器从这两个译码器的输出值中 选出最优判决码字作为最终的输出结果。仿真结果表明，当信噪比在1 d b - 4 d b 时，与c h d d 算法相比，该算法能够减少3 0 的误帧数，并且比a h a 公司 的t p c 解码芯片a h a 4 5 0 1 性能略好。 最后，对t p c 编译码电路实现了摹于f p g a 的整体设计。其中译码电路 采用针对降低误帧率的改进算法实现。该系统辛要设计了交织模块、解交织 哈尔滨i 平i l ! 人硕十学何沦丈 模块、编码模块、译码模块、选择模块、串转并模块等。经仿真验证可知， 在1 m h z 的时钟下，整个t p c 的译码工作能够在4 4 0 u s 时间内完成。 关键词：t u r b o 乘积码；扩展h a m m i n g 码；硬判决；译码算法；f p g a 哈尔滨i 稃人。硕 j 学何论文 a b s t r a c t t h ec h a n n e l c o d i n g i sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n t i n o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a san e wt y p ee r r o rc o r r e c t i n gc o d eo ff o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ( f e c ) t e c h n o l o g y , t u r b op r o d u c tc o d e s ( t p c ) h a sg o o dc a p a b i l i t yo f e r r o rc o r r e c t i o nw h i c hi sc l o s et ot h es h a n n o nl i m i t a n dt p ch a sb e c o m eah o t t o p i ci nt h ec h a n n e lc o d i n ga r e a u pt on o w , m o s tr e s e a r c h e sf o rt p ca r em o s t l yb a s e do ns o f ti n p u ta n ds o f t o u t p u t ( s i s o ) d e c o d i n g b u tc o m p a r i n gw i t hs i s od e c o d i n g ，h a r di n p u ta n dh a r d o u t p u t ( h i h o ) d e c o d i n gh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o m p l e x i t y ，s i m p l es t r u c t u r e ， e a s yr e a l i z a t i o na n dr a p i dd e c o d i n gs p e e d t h et h e s i st a k e se x t e n d e dh a m m i n gc o d e sa sc o m p o n e n tc o d e so ft p c i n o r d e rt oa v o i dt h e p r o b l e m o fu n s a t i s f a c t o r y d e c o d i n gp e r f o r m a n c e o f c o n v e n t i o n a lt p ch a r dd e c i s i o nd e c o d i n ga l g o r i t h m ，t w om o d i f i e ds c h e m e sb a s e d o nc o n v e n t i o n a lc h d d a l g o r i t h ma r ep r o p o s e d t ot h ei s s u eo fah i g hb i te r r o rr a t e ( b e r ) ，am o d i f i e dh a r dd e c i s i o n d e c o d i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r et h a ts o m ee r r o rs y m b o l s c a nb ed e t e c t e dw i t h o u tb e i n gc o r r e c t e db yc h d d t h ea l g o r i t h mb a s e do n m u l t i p l ei t e r a t i o ns t e p so fc h d da l g o r i t h mc a nc o r r e c tt h ew r o n gs y m b o l sb y d e t e c t i n gt h e m ，e s t i m a t i n gt h et o t a ln u m b e r ，c o n s t r u c t i n gt h ec a n d i d a t es e q u e n c e s a n dt h e ns e l e c t i n gt h eo p t i m u ms e q u e n c ea m o n gt h ec a n d i d a t e s t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tw i t hab e ro f10 。5t h em o d i f i e da l g o r i t h mc a ne n h a n c ea 0 9 d b g a i nc o m p a r i n g w i t ht h ec o n v e n t i o n a l a l g o r i t h m w h i l ed e c o d i n g c o m p l e x i t yi sr e l a t i v e l yi n c r e a s e d t ot h ei s s u eo fah i g hw r o n gf l a m er a t ew i t hal o ws i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) o ft h ec h d da l g o r i t h m ，a n o t h e rm o d i f i e da l g o r i t h mi sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e 哈尔演l 种人。学硕十伊论文 p o i n tt h a td u r i n gt h ec h d dd e c o d i n gt h ec o l u m n r o wa n dt h er o w - c o l u m ni s p o s s i b l ed if f e r e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tw i t ha1d b - 4 d bs n rt h e m o d i f i e d a l g o r i t h m c a nr e d u c e 3 0 w r o n gf r a m e sc o m p a r i n g w i t ht h e j c o n v e n t i o n a la l g o r i t h m ，w h i l et h ep e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt p cd e c o d e rc h i po f a h a f i n a l l y , t h et o t a ld e s i g n b a s e do nf p g ao fe n c o d e ra n dd e c o d e ri s a c c o m p l i s h e d a n dt h e d e c o d e rh a sb e e nr e a l i z e db yt h es e c o n dm o d i f i e d a l g o r i t h m t h es y s t e mm a i n l yd e s i g n se n c o d e r , d e c o d e r , s e l e c t o r ，s e r i a l - t o p a r a l l e l m o d u l ea n ds y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h et p cd e c o d e r c a nc o m p l e t ew i t h i n4 4 0 u su n d e ra1m h zc l o c k k e y w o r d s ：t u r b op r o d u c tc o d e ；e x t e n d e d h a m m i n gc o d e ；h a r dd e c i s i o n ； d e c o d i n ga l g o r i t h m ；f p g a 哈尔滨f 私人硕十学化论文 第1 章 1 1 1 2 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 目录 绪 仑1 课题的研究背景与意义1 信道纠错编码的幽内外研究现状2 1 2 1信道纠错编码的发展历程2 1 2 2t p c 译码国内外研究现状3 本文的主要内容及章节安排8 t p c 码的编码基础1o 乘积码的构造原理1 0 乘积码子码的选择1 2 2 2 1 h a m m i n g 码1 2 2 2 2b c h 码13 2 2 3r s 码( r e e d s o l o m o n 码) 14 本章小结1 5 t p c 的译码原理与算法研究16 t p c 软判决泽码理沦16 3 1 1软输出维特比算法( s o v a ) 1 6 3 1 2 基于c h a s e 算法的软判决译码算法1 7 t p c 硬判决译码理论2 0 本章小结2 3 t p c 硬判决译码改进算法2 4 降低误比特率的改进算法2 4 降低误比特率改进算法的软件仿真及性能分析2 7 降低误帧率的改进算法3 0 降低误帧率改进算法的软件仿真及性能分析3 3 本章小结3 6 哈尔滨f 种人学硕十学何论文 第5 章t p c 编译码器的f p g a 实现一3 7 5 1f p g a 简介3 7 5 2t p c 编码器的实现4 0 5 2 1编码模块4 1 5 2 2 交彭 器一4 3 5 3t p c 译码器的实现4 3 5 3 1解交织器4 5 5 3 2单元译码模块4 5 5 3 3选择器设计4 7 5 3 4 顶层模块的实现4 7 5 4 本章小结4 9 结 论5 0 参考文献5 2 攻读学位期间发表的学术论文5 8 致 射5 9 哈尔演l w 人学硕卜何论文 第1 章绪论 1 1课题的研究背景与意义 光纤通信、卫星通信以及无线通信是现代通信网的三大支柱，其中光纤 通信足主体。基于光纤技术的电信网络已发展为最主要的信息传输系统。 f 1 前，无论是陆地还是海底，都已经形成了具有巨大传输容量的光纤链路| 2 1 。 1 9 6 6 年高f - 昆( c k k a o ) 禾h 霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 发表了一篇预见低损耗 光纤能够用于通信的论文，自此敲丌了光纤通信的大门1 3 1 。从理论研究到实 际应用，光纤通信发展得 f 常迅速。技术上不断吏新换代，传输速率与中继 距离之积不断提高，应用范围也随之不断扩大l4 1 。在光通信领域中，高速光 纤通信系统足当自仃研究的一大热点，而前向纠错编码( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ，f e c ) 技术是其关键技术之一。 作为一种有效的信道纠错编码技术，f e c 已经广泛应用于各种电通信系 统，经过多年的发展，理论基础和应用技术都已相当成熟”1 。在光纤通信领 域，随着对密集型波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， d w d m ) 系统高容罱的需求，f e c 的应用也越来越多。如果系统工作在误码 率较高的信道巾，通过应用f e c 技术可以使其达到一个较低的误码率水平。 这彳i 但放宽了高速通信系统对各个器件的性能要求，降低其系统造价，而且 提高了系统对色散、非线性效应、q 值以及o s n r ( 光信噪i z ) 的容忍度，有利 于信号的高速率长距离传输1 6 j 。 t u r b o 码足同前f e c 技术中最常用的码之一，而t u r b o 乘积码( t u r b o p r o d u c tc o d e ，t p c ) 是在t u b r o 码的基础卜发展起水的。在高码率下，t p c 比相同码率的t u r b o 码更能接近香农极限，比t u r b o 码具有更好的渐进性能 r 7 1 。但鉴j ：目前高速集成电路的复杂性和工艺水平等问题，t p c 传统软译码 方法在硬件实现上还足比较复杂，其译码速率无法满足光传输系统向更长距 离，更高速度发展的趋势，因此研究设计出具有更高运行速率的t p c 译码器 哈尔演l w 人。学硕 j 学伊论文 就+ i i ! 得尤为迫剀和霞婴。 1 2 信道纠错编码的国内外研究现状 信道纠错编码理论始于2 0 实际5 0 年代，在这半个多f u = 纪的时问咀，信 道纠错编码无论在理论上还是在实际应用中都得到飞速的发展。自t p c 码f 1 9 9 4 年被提出后，一直足人们重点研究的纠错码之一。目自i f 对t p c 的研究 主要集中于如何减小译码复杂度以及提高译码速度等方面。从判决方式上分， 其译码算法有软判决译码和硬判决译码两种。 1 2 1信道纠错编码的发展历程 1 9 4 8 年，c e s h a n n o n ( 香农) 发表了一篇经典论文“a m a t h e m a t i c a l t h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n ”，该文的发表丌启了信道编码理论的人门，为信道 编码技术的发展奠定了l 簪实的理论基础1 8 j 。从此香农极限成为通信界科学j 1 二 作者们一直奋力追求的目标。下山i 简要回顾下信道编码理论的发展历程。 第一阶段( 2 0 世纪5 0 至6 0 年代) 的研究为线性分组码奠定了理论攀础。 4 0 年代未，r h a m m i n g 和m g o l a y 提出了第一个实用的差错控制编码算法 h a m m i n g 码，该码是一种完备线性分组码。它的提 h 使编码理论得到了 极大的推动。b c h 码、r s 码以及卷秘码及其序列译码方法都在这一时期被 提出。到了第二阶段( 2 0t 廿= 纪6 0 至7 0 年代) ，人们对信道编码的研究就已 彳i 再局限于纯粹的理论推导，而足逐渐重视实际的应用。这期间许多有效的 编码方法被提出，如门限译码、迭代译码、软判决译码和卷积码的维特比 ( v i t e r b i ) 译码等译码方法。其中卷积码在此期1 1 i j 已经应用到卫星通信系统中。 而日近年来备受关注的l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) 码，就是在这个时 期提f 的。第i 阶段( 2 0 世纪7 0 至8 0 年代) 时期，大规模集成电路迅速发 展，为纠错编码的进一步实用化打下了唪实基础。同时由于数宁信号处理技 术的发展，纠错编码丌始广泛的应用于实际的通信系统中。在此期问，g o p p a 等学者提出了一类g o p p a 码，该码的一个予类的性能能够达到香农信道编码 定理中的“好码”性能，这在信道纠错编码历史上具有划时代的意义。第四 2 哈尔演i ：f f 人硕1 j 化论文 阶段( 2 0 世纪9 0 年代至今) ，信道纠错编码理论卜1 益完善，逐渐步入了成熟 阶段。各种高效的纠错编码技术已渗透剑通信、数据传输和存储等众多领域 中，并扮演着越来越重要的角色1 8 j 。 目前，人们重点研究的信道纠错码有t u r b o 码、t p c 以及l d p c 码等。其 中乘积码一在1 9 5 4 年就已被提出，只是由于当时的硬件水平限制，没有得剑 足够的重视。随着t u r b o 码的提出，受其启发，p y n d i a hr 等人提f t t p c ，并 发现其有着优异的译码性能。与t u r b o 码相似，t p c 也能够逼近香农限，且译 码复杂度i ： ：t u r b o 码低，易于硬件实现，有着比t u r b o 码更为广阔的应用前景 1 9 1 。但t p c 的软判决迭代译码结构又决定了其译码延时比较大，译码速度受 到很大限制。凶此，实现t p c 的高效、快速译码，对高速通信系统的发腱有 着现实而深远的意义。 1 2 2t p c 译码国内外研究现状 由于t p c 优异的译码性能和译码复杂度相对简单等特点，使得t p c 自 提出剑现在的十几年i 日j ，众多国内外学者对其编译码技术的研究和推广始终 保持着巨大的热情，同时也取得了许多有价值的研究成果。目自仃对t p c 的研 究主要集中于如何进一步提高译码陆能、减小泽码复杂度以及提高译码速度 等方面。t p c 的译码算法有软判决译码和硬判决译码两种。 1 2 2 1t p c 的提出 1 9 9 3 年在日内瓦举行的圈际通信会议上，c b e r r o u 等学者首次提出了 t u r b o 码的概念和软输入软输出( s o f ti n p u ts o f to u t p u t ，s i s o ) 的迭代译 码算法，该码最_ 三要的思想在于使用多次简单迭代解码代替复杂的一次解码 过程l 。t u r b o 码一经提出，立即引起了编码界学者的广泛关注。而之所以 受到如此重视，是凶为其仿真结果表明码率为1 2 的t u r b o 码在a w g n 信道 中的泽码性能极佳当误码率为1 0 巧时，与香农极限只差o 7 d b ，其优异 的译码性能超越了以往任何一种编码方式。t u r b o 码的提出是信道编码领域 中一个及其重要的咀程碑，在编码理论工作者们寻找达到s h a n n o n 理论极限 哈尔滨i w 人硕十学化论文 的纠错编码方法的道路j 二迈出了跨越性的一步。此后，t u r b o 码成为了编码 界的研究热点，在取得许多重要的成果的同时也逐渐应用到各种通信系统中， 但由于存在译码复杂度高和译码延时较大等缺点，并不适用_ f 二对延时较敏感 和实时性要求高的系统，从而限制了t u r b o 码在高速通信系统中的应用【l 引。 1 9 9 4 年，r p y n d i a h 等人将t u r b o 码的s i s o 迭代译码思想应用到了乘积 码中，提出了t p c i l 3 码。1 9 9 8 年又在文献【1 4 】中针对线性分组码为子码的乘 积码提出了一种基一r - c h a s e 算法的s i s o 迭代泽码算法，进一步系统地阐述 了t p c ，并将t p c 称为分组t u r b o 码( b l o c kt u r b oc o d e s ，b t c ) 。与t u r b o 码柏比，t p c 在实际应用中具有吏力i 】优越的性能。在高码率下，t p cl t a h f r d 码率的t u r b o 码更能接近s h a n n o n 极限，其收敛速度更快，仅需迭代4 5 次 就能达到较好的译码性能，且没有t u r b o 码的“误码平层”现象，同时译码算 法实现的复杂度较低，适合并行处理，易于硬件实现5 | 。冈此，对于数据传 输速率高、数据完整性要求高、频带利用牢高、以及编码成本低的系统术说， t p c 是最佳选择之一1 1 6 】。 1 2 2 2t p c 软判决译码的国内外研究现状 围内外学者对于t p c 译码算法的研究t 要从s i s o 的角度进行展丌。其 中，文献【1 7 】讨论了基于循环2 伪最大似然( c y c l i c 2p m l ) 算法1 1 8 1 f f jt p c 在高 速移动通信系统中的译码。c y c l i c 2 算法的译码复杂度较低，且其性能与 c h a s e 算法相仿，该算法主要通过寻找可靠值序列的最小值和次最小值，束 确定硬判决译码码字的邻近码字，然后经过似然值的计算和比较实现似然值 序列的更新，最后进行行列交替等步骤完成t p c 的迭代译码l l 9 | 。 文献 2 0 1 提出了一种基于t p c 的多业务数字通信系统的编码调制算法。 在发送端将两路优先级不同的业务流分别进行t p c 编码( 以扩展b c h 码作 为t p c 的行列- 了码) ，然后将两路编码后的数据共问完成非均匀1 6 q a m 调 制后“i 射频模块完成发射，在接收端则采用分级解调和基于b c j r l 2 i l 的s i s o 的m a x l o g m a p 简化迭代译码算法1 2 2 1 。在高信噪比下该算法所获得的纠 4 哈尔滨i ：种人学硕十何沦文 错性能接近其理论下限，通过仿真也证明了对实际系统而吉，其信噪比门限 是非常容易满足的。 有些t p c 译码方法实现起来足比较复杂的。比如软输出v i t e r b i 算法 ( s o v a ) 、迭代b c j r 泽码算法等通常需要进行网格操作，难以应用到高速 通信系统中。而文献1 3 1 4 提出了基于c h a s e 算法的s i s o 迭代译码算法， 利用了代数译码器进行译码，降低了译码复杂度1 2 3 1 。t p c 的译码算法研究有 很多足基于c h a s e 算法的【2 4 粕1 。 s a h i s t 等人【2 1 7 1 提出了一种t p c 的快速c h a s e 迭代译码算法，该算法把 传统c h a s e 算法中试探、重复两个步骤的次j 进行了重组，这样做既不影响 译码性能，又大大降低了算法中的固有冗余，相对传统c h a s e 算法，这种改 进后的算法译码速率加快了许多，但在一定程度上也增加了译码的复杂度。 c a r g o n 等人【2 8 1 提出了一种t p c 的有效c h a s e 译码算法，这一算法使用了传 统有序的校验式，采， j 奇偶校验巾的偶校验米获得校币子，可以获得最少次 数的偶校验。该算法降低了泽码的复杂度，但译码性能并没有降低i l 列。 t p c 的迭代译码结构决定了其译码时间是制约通信速率的瓶颈。t p c 提 出的初期，译码器中的行译码器和列译码器是采用串联方式，每次迭代都要 等所有行泽码结束后爿能进行列译码，也只有所有列译码结束后爿能丌始下 一次的迭代译码，如果单亡译码器的译码需要时f u jf ，那么每次迭代过程中， 码字矩阵的行( 列) 译码都需要，的时i 日j ( 设为码字矩阵的行数或列数) 。 冈此这种译码器结构严重制约了t p c 的整体泽码速度。为了提高t p c 的译 码速度，近年来很多通信工作者们对并行译码进行了相天研究i | 5 1 o 2 0 0 2 年j c u e v a s 等提出了一种并行的译码结构【29 | ，其结构如图1 1 所示。 该方法足在原有的s i s o 迭代算法的基础上，利用t p c 完全并行，各行( 列) 互相独立的特点，采朋并行的迭代方法来实现的。译码单元1 到力能够i 司时 对, 行( 列) 的t p c 进行行( 列) 译码。该方法能够降低n 倍的译码延迟( 即 提高聆倍的译码速度) ，但这是以，2 倍的译码单_ 7 亡换米的。 哈尔滨f 科人。学硕f ? 学位论文 图i - 1一种并彳j ：的泽i 弓结构 2 0 0 3 年，t m i z u o c h i 等提出了一种增强的并行结构1 3 0 1 ，该方法足在并行 译码算法的基础i ：发展而来，译码器利用s i s o 中反馈数据的结构，通过采 用并行结构，主要增加延迟单元和加法器术提高行( 列) 译码的速度，从而 实现译码速度的提高，其速度最高能够达到1 0 9 b p s 。上述方法也是通过进一 步的增加逻辑单元来换取更高速度，而且需要大量的r a m 。 2 0 0 6 年，c j 6 9 0 等提出了一种伞并行结构【3 ，如图1 2 所示： 图1 - 2 一种全并i j ：结构 该方法通过增加各级译码之f h j 的连接网络，取消增强结构中的大量r a m 来节省芯片资源。但是，该方法并不利用算法中的迭代资源，从而使得各种 逻辑单元人量增加。该方法能够有效地提高译码速度，其速度最高达到 4 0 9 b p s 。 总之，人们对于如何提高t p c 的译码速度进行了大量的研究。软判决泽 码实现的复杂度很大，比如存在着软信息排序等操作，不可避免的带来了大 量的延迟，同时，也需要大量逻辑单元。因此，寻找一种快速、有效的方法 实现t p c 译码成为目前畈待解决的关键技术问题。其中采用硬判决方式进行 6 ， 产 哈尔滨l ：w 人。学硕f j 学何沦丈 译码是一和，提高译码速度行之有效的方法。 1 2 2 3t p c 硬判决译码的国内外研究现状 t p c 软判决译码存在着译码结构复杂，要求资源多，速度不如硬判决译 码快等缺点，因此硬判决译码吸引了很多学者对其展丌研究。一部分学者主 要研究了硬削决译码对t p c 译码的影响【3 2 - 3 4 i ，其中j u s t e s e nj 等对以r s 码为 分量码的乘积码的硬判决迭代译码的译码效果进行了详细的分析；s c h w a r t z m 等对乘积码硬判决迭代译码的渐进性能展丌研究；y a m a n et 等则主要通过 采样的方法术实现增加硬判决译码的数据化数，将高速光通信的信号转换成 软信息柬实现。 对t p c 硬判决译码算法性能的研究为其进一步的心用与改进提供了理 论基础。j d a n d e r s e n 3 5j 提出了一种基于光纤通信的乘积码的硬判决译码算 法，该算法实现思想简单，主要通过多次迭代来提高纠错性能，但改进效果 4 、= 明5 麦；a j a i d w e i k 等人1 3 6 j 分析了当接收码字中的错误超过该码的纠错能 力时，对这样的码宁进行译码，不但无法正确译码，还会引入新的错误。该 文献提出的硬判决译码算法能够减小这种情况的发生，从而达到降低误比特 率的 j 的。文中提出了码宁叮信度门限值y 的概念，核一t b 在于在首次迭代译 码时只对错误小于等于y 的码字译码。而b of u 等人1 37 j 设计了一种多线稃纠 错算法，将h a m m i n g 乘积码与i i 型混合a r q 相结合，实现了可靠又高性能 的s o c 链路。与基于s e c 的前向纠错码算法相比，该算法节约了3 5 的资 源消耗。a a a i s h a i k h i 等人【3 8 j 则针对传统硬判决译码( c h d d ) 算法无法解 决的“群”型错误图样，提出了一种改进的译码算法，其译码流程如图1 3 所示。 该算法通过对未译码的接收矩阵分别进行行列译码，并汜录纠错码字的个数 和位置水预定义“群”型错误图样，从而在接收矩阵的错误图样为“ ”型时，能 够对其准确判别，并对此i f 确译码。 与传统硬判决译码十h 比，应用该算法能够提高0 5 d b 的增益，但在实际 应用中，还存在着其他可以榆测而传统硬判决译码算法尤法纠i f 的错误图样。 哈尔演l 。种人乎硕十伊论文 并且该算法还存在着计算速度慢等缺点。因此寻找一种译码效果好，译码速 度快的译码方式是本文的研究日标。 图1 3 一种改进译码方法流样图 1 3 本文的主要内容及章节安排 本课题来源r 总参“8 6 3 ”项日的子项目。 f e c 技术是高速光纤通信系统的关键技术之一。t p c 足f e c 常用码型之 一。t p c 软判决译码的纠错性能优异，但其译码结构复杂，译码延时大，译 码速率无法满足光传输系统向更长距离、更高速度发展的趋势，冈此研究设 计出具有更高运行速率的t p c 译码器就显得尤为迫切和重要。 t p c 硬判决译码复杂度低，译码速度快，容易实现，但其译码性能 不理想。为了改善t p c 硬判决译码的纠错性能，本课题在t p c 码的c h d d 算法基础上展丌研究。分别针对t p c 码进行传统硬判决译码的误比特率和误 帧率较高的问题，提出了两种不问的硬判决译码改进算法，并实现了t p c 编 8 哈尔滨| 种人。学顶卜学f 节论文 译码电路的f p g a 设计。主要内容涉及t p c 码的编译码原理、改进算法的具 体阐述和m a t l a b 仿真，以及f p g a 的实现。 具体结构安排如下： 第一章为绪论，系统阐述了本课题研究的背景及意义，并对t p c 码的产 生及国内外研究现状进行了简要介绍。 第二章描述了t p c 码的编码理论，分别包括二维乘j ! 码和三维乘积码的 构造方法。此外还重点介绍了h a m m i n g 码、b c h 码以及r s 码等比较常用的 乘积码子码类型。 第三章主要介绍了t p c 的译码理论。其中t p c 软判决译码理论部分简 要i 剌述了s o v a 算法和基y - c h a s e 算法的软输入软输出迭代译码算法，而t p c 硬判决译码理论部分则论述了传统硬判决译码算法的泽码原理，并详细分析 了t p c 硬判决译码的纠错能力。 第 【 章详细地i 喇述了两种改进的t p c 硬判决译码算法及具体实现过程， 并分别对两改进算法进行了m a t l a b 软件仿真及性能分析，为下一步f p g a 实 现提供了晕要的理论依据。 第矗章先对f p g a 设计作了简要介绍，然后根据“白顶向下”的设计思 想，实现了t p c 编译码电路的f p g a 设计。其中译码电路采用降低误帧率的 改进算法进行设计。具体在q u a r t u s 1 1 8 1 环境下进行系统设计与仿真验证。 9 哈尔演i ：剃人硕十伊论丈 第2 章t p c 码的编码基础 t p c 的编码方式与乘积码完全相i 司，只是其予码必须是线性分组码。而 译码方式则采用类似t u r b o 码的s i s o 的迭代译码结构。本章卡要讲述乘积 码的构造原理，并简单介绍了几种t p c 的常见子码类型。 2 1乘积码的构造原理 乘秘码【3 9 】这一概念是e l i a s y - 1 9 5 4 年提出的，它是一种用短码构造长码 的编码组合方式，属于串行级联码，一般由两个或三个简单分组码组合而成。 其中二维乘积码的编码结构如图2 1 所示。其具体构造过程町分为以下三个 步骤： ( 1 ) 将末编码的信息比特按矩阵形式排列，设信息矩阵，的行数为k ， 列数为如； ( 2 ) 用线性分组码c 2 ( n 2 ，k 2 ，万z ) 对信息矩阵，的k l 行进行编码，从而得 到。个k 1 行门2 列的矩阵； ( 3 ) 用线性分组码c ( 玎，尼，万，) 对步骤( 2 ) 得到的矩阵的玎2 列进行编码， 最后得到一个力i 行忱列的矩阵p 。 七， r 。 ? ，7 。， ，一镀7 ? 嵌， 信息位 ? j 唉。，j ? ，证? f ，? ，- ， ， ，- 。，。，。， 、 。 。xx 。 图2 1二维乘积码的编码结构 1 0 哈尔滨i w 人7 7 ：硕f 号：1 一论文 由此得到的( 7 。，z ：) 阶矩阵p 即为所求的：二维t p c 码。上述步骤中提剑的 两个线性分组码c 和c z 称为乘秋码的两个子码或分量码，其中 t , 岛，a ( f ：1 ，2 ) 分别表示码长、信息比特数和该码的最小汉明距离4 0 l 。在构造 尸的过程中也【l 丁以先用c ，对k ，列编码，然后再用q 对f 行编码，不影响编 码结果。乘积码p 的各参数为两个子码相应参数的乘积，即玎= n l x n 2 ， k = 七一k 2 ，万= 万lx 8 2 ，r = r 1 r 2 ( r 以= 1 ，2 ) 为c 的编码效率，r ，= k ，r ，) 【1 3 1 4 l o 同理，不难得到三维乘积码尸：c 一 c z 圆c ，的编码过程，其具体编码 步骤如f ： ( 1 ) 将未编码的信息比特按立方体形式进行排列，设立方体的长为k l ， 宽为包，高为幻； ( 2 ) 在z = 0 的甲面内用线性分组码c 2 ( m ，k 2 ，万z ) 沿x 方向对k l 行进行编 码； ( 3 ) 在z = 0 的甲面内用线性分组码c ，( - ，七一，万一) 沿y 方向对( 1 ) 中所得编 码矩阵的阼2 列进行编码； ( 4 ) 类似地，重复步骤( 1 ) 至步骤( 2 ) k 3 1 次，分别完成在z = i ，z = k 3 1 共屯一1 个平面内的信息比特的行列编码； ( 5 ) 沿z 方向用线性分组码c 3 ( n 3 ，k 3 ，万3 ) 对n l x r 2 个比特构成的如个矩 阵进行编码。 这样得到三三维t p c 码的参数为：刀= n l n 2x 甩3 ，k = k lxk 2xk 3 ， 万= 瓯x6 2 蠡，r = r l r 2 r 3 。三维t p c 码的编码结构1 2 3 1 如图2 - 2 所示。 类似地可以得到维乘积码。不过本文只针对二维t p c 码展丌详细研究。 1 合尔滨i ：科人学硕 j 学伊沦文 i y x 图2 2j 维t p c 的编伊j 结构 2 2 乘积码子码的选择 构成乘积码的子码有很多种，予码的种类以及码长町以相同也呵以f i 同。 比较常见的子码类型有r s 码、b c h 码、h a m m i n g 码乘积码在构造上有 着极大的灵活性，这使得它在复杂度、编码效率以及性能上都有着很人的不 f 一。不过为了降低编伊5 器和详石f 5 器的复杂度，一般选择卡h i j 的码型作为乘积 码t - i - q 。表2 1 列出了一些使用频率比较高的乘积码组成【2 3 1 。 表2 1常见的乘积码组成 乘积码幺r 成码块总b i t 数编码效牢 ( 1 2 8 ，1 2 7 ) x ( 1 2 8 ，1 2 7 ) 1 6 3 8 3o 9 8 ( 1 2 8 ，1 2 0 ) x ( 1 2 8 ，1 2 7 ) 1 6 3 8 30 9 3 ( 6 4 ，5 7 ) x ( 6 4 ，5 7 ) 4 0 9 60 7 9 3 ( 3 2 ，2 6 ) x (