（通信与信息系统专业论文）80211n系统ldpc编解码的实现研究.pdf

摘要 摘要 为了形成在8 0 2 1 l n 系统编解码领域的自主知识产权p 核，本文重点研究了 如何设计一个低功耗、小面积、高吞吐量、低延迟的l d p c 编解码硬核p 。 本文在简要介绍了8 0 2 1 l n 物理层规范的基础上，对基带芯片的系统架构进行 了简要介绍。随后，本文对l d p c 编解码进行了算法仿真、硬件设计、硬核实现， 最终形成了自主开发的编解码硬核。 根据低功耗、小面积、高吞吐量、低延迟的目标，本文完成的主要工作如下： l 、对8 0 2 1 l n 系统的物理层进行简要分析，把握物理层过程及物理层需求。 2 、对芯片架构进行了简要分析，给出一种可用于实现的基带芯片架构。 3 、对l d p c 编解码进行算法仿真。编码利用r i c h a r d s o n 的l d p c 编码方法结 合8 0 2 1 l n 系统的特定结构进行了仿真，解码使用归一化最小和与行层间迭代相结 合的方法进行解码仿真。同时还对编解码硬件实现的复杂度进行了进一步分析。 4 、选择合理的硬件设计架构，用v c r i l o gh d l 对l d p c 编解码进行了硬件设 计。本文中的硬件设计具有以下特点：1 ) 、小面积，编解码均采用部分并行结构， 分时复用硬件单元；2 ) 、低功耗，采用当前流行的低功耗技术，有效遏制功耗；3 ) 、 高吞吐、低延迟，采用较高的工作时钟，选择恰当的并行度，实现高吞吐量和低 延迟。随后，使用v c s 工具进行了硬件仿真，并进行了代码覆盖率的检查。 5 、按照d 硬核的实现流程，对本文的硬件设计进行了硬核实现。首先，进行 代码规则的检查，采用当前成熟的t s m c4 0l p 工艺进行逻辑综合、插入扫描链、 布局布线、时钟树综合等流程。同时，利用形式验证工具对流程中每一步进行功 能验证，利用静态时序分析工具进行时序分析；随后，进行了可制造性规则等检 查。 本文最终得到了一个面积为0 5 6 1 0 7i t l l t l 2 ，功耗为1 0 1 3 m w 左右，编码延迟 在o 4 1 2 。2 3 u s 之间，解码延迟在2 0 3 5 3 6 u s 之间，编码的吞吐量最大可达1 g b p s ， 解码在2 0 次迭代下的吞吐量最大可达7 8 9 m b p s 的硬核。本文为实现具有自主知 识产权的p 核以及今后研究更加复杂的系统奠定了基础。 关键词：8 0 2 1 l n ，低密度奇偶校验码，编码，解码，硬核 重庆邮电大学硕士论文 i l a b s t r a c t a b s t ra c t h lo r d e rt of o r mai pc o r ew i mi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si nt h e e n c o d ea n dd e c o d ea r e ao f8 0 2 1l ns y s t e m ，t h ep a p e rf o c u s e so nh o wt od e s i g na h a r d c o r ei pw i t hl o w e rp o w e r , s m a l l e ra r e a , h i g h e rt h r o u g h p u ta n dl o w e rl a t e n c y t h ea r c h i t e c t u r eo fb a s e - b a n dc h i ph a sb e e nb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e rb a s e o nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e ri n8 0 2 1l ns y s t e m t h e nt h ea l g o r i t h m i c s i m u l a t i o n ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h eh a r d c o r ei m p l e m e n t a t i o nh a v eb e e nm a d ef o r t h ee n c o d e ra n dd e c o d e ro fl d p ci nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h et a r g e to fl o w e rp o w e r , s m a l l e ra r e a ，h i g h e rt h r o u g h p u ta n dl o w e r l a t e n c y , t h em a i nw o r k a sf o l l o w sh a sb e e nm a d e f i r s t l y , t h e8 0 2 1lnp h y s i c a ll a y e rh a sb e e nb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri no r d e r t og e tt h ek n o w l e d g eo ft h ep h y s i c a lp r o c e s sa n dt h er e q u i r e m e n t s s e c o n d l y , t h ea r c h i t e c t u r eo fb a s e b a n dc h i ph a sb e e nb r i e f l yi n t r o d u c e dt og i v ea n a r c h i t e c t u r ew h i c hc a nb ei m p l e m e n t e di nt h e8 0 2 1l nd i 【g i t a li ci nt h i sp a p e r t h i r d l y , t h ee n c o d ea n dd e c o d ea l g o r i t h m i cs i m u l a t i o nh a v eb e e nm a d ei nt h i s p a p e r t h ee n c o d e rh a sb e e ns i m u l a t e di naw a y w h i c hi se a s yt oi m p l e m e n ti nh a r d w a r e a n dt h ed e c o d e rw h i c hu t i l i z e st h ec o m b i n e dn o r m a l i z e dm i n i m u ms u ma n dh o r i z o n t a l l a y e ri t e r a t i o nm e t h o dh a sb e e ns i m u l a t e d f i n a l l y , t h ec o m p l e x i t yo ft h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o nh a sb e e nf u r t h e ra n a l y z e di nt h i sp a p e r f o u r t h ，ar e a s o n a b l ea r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r ed e s i g nh a sb e e ns e l e c t e d ，a n dt h e e n c o d e ra n dd e c o d e ro ft h el d p ch a v e b e e nd e s i g n e di nv e r i l o gh d li nt h i sp a p e r t h e h a r d w a r ed e s i g nh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s 1 ) s m a l l e ra r e a ，e n e o d e ra n dd e c o d e ru s e p a r t i a lp a r a l l e ls t r u c t u r e ，a n ds h a r eh a r d w a r er e s o u r c e sw h i c ha r eu s e di no r d e r s 2 ) l o w e rp o w e r , t h ec u r r e n tp o p u l a rt e c h n i q u e sh a v eb e e na d a p t e di nt h ep a p e rt or e d u c e p o w e r 3 ) h i g h e rt h r o u g h p u ta n dl o w e rl a t e n c y , t oa c h i e v eh i g ht h r o u g h p u ta n dl o w l a t e n c y , t h eh i g h e rf u n c t i o nc l o c ka n dt h er e a s o n a b l ed e g r e e so fp a r a l l e la r es e l e c t e di n t h i sp a p e r t h e r e a f t e r , b o t ht h eh a r d w a r es i m u l a t i o na n dt h ec h e c ko fc o d ec o v e r a g e h a v eb e e nd o n ei nt h ep a p e r f i f t h ，t h eh a r d c o r ei ph a sb e e ni m p l e m e n t e di nt h i sp a p e rf o l l o w st h ep r o c e s so ft h e h a r dc o r ei pd e v e l o p m e n t a tt h eb e g i n n i n g ，r u l e rc h e c ki sd o n ei nt h i sp a p e r a n dt h e n ， t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h et s m c4 0l pp r o c e s st os y n t h e s i z e ，i n s e r tt h es c a nc h a i n ， f l o o r p l a n ，p l a c e m e n t ，c l o c kt r e es y n t h e s i sa n dr o u t et h eh a r dd e s i g n a tt h es a m et i m e ， i i i 重庆邮电大学硕士论文 t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h ef o r m a lv e r i f i c a t i o nt o o l sa n dt h es t a t i ct i m ea n a l y s i st o o l st o c h e c ka n da n a l y s i st h ed e s i g n a tl a s t ，t h ea n t ) l v s ，d r ca n dd f mc h e c kh a v eb e e n d o n ei nt h i sp a p e r f i n a l l y , ah a r d c o r ei ph a sb e e nr e l e a s e di nt h i sp a p e r t h ea r e ai so 5 61 0 7 m m 2 ，t h e p o w e ri sa b o u t101 3 r o w , a n dt h ee n c o d e rd e l a yi sb e t w e e n0 41u sa n d2 2 3 u s ，t h e d e c o d e rd e l a yi sb e t w e e n2 0 3 u sa n d5 3 6 u s f u r t h e r m o r e ，t h ee n c o d e rt h r o u g h p u ti su p t oig b p s ，a n dt h ed e c o d e rt h r o u g h p u tw i m m a x i m u mi t e r a t i o n so f2 0i su pt o7 8 9 m b p s t h i sp a p e rl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f pc o r ew h i c hh a si n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dt h er e s e a r c ho fm o r ec o m p l e xs y s t e mf o rf u t u r e k e y w o r d s ：8 0 2 1ln ，l d p c ，e n c o d e ，d e c o d e ，h a r dc o r e i v 图目录 图目录 图1 1d 开发流程6 图2 1 支持2 t 2 r 的8 0 2 1 l n 系统架构9 图2 2 物理汇聚层协议数据单元帧格式1 0 图2 3 发射机处理流程概述1 0 图2 4 前导h t - g r e e n f i e l d 格式1 1 图2 5h t - g f s t f 结构组成示意图1 1 图2 6h t - l t f 结构组成示意图1 1 图2 7h t s i g 信号处理流图1 2 图2 8h t - s i g l 结构组成示意图1 2 图2 9h t s i g 2 结构组成示意图1 2 图2 1 0h t - s i g 的c r c 编码器结构。1 2 图2 1 1 发送端数据处理流程1 2 图2 1 2 接收端数据处理流程1 3 图2 1 3 加扰器结构图1 3 图2 1 4 卷积编码结构图1 3 图2 1 5 星座映射对应关系图1 5 图2 1 6f f t 运算对应关系图。1 6 图3 1 数字基带系统架构1 7 图3 2 数字基带与射频接口构架2 2 图3 3 时钟控制概图2 3 图4 1 校验矩阵2 6 图4 2l d p c 编码过程3 0 图4 3l d p c 解码过程3 1 图4 4l d p c 编解码仿真环境3 2 图4 5 不同编码块长下的仿真3 3 图4 6 不同迭代次数下的仿真3 3 图4 7 不同编码速率下的仿真3 4 图4 8 不同归一化因子下的仿真3 5 图4 9 文献 1 2 l d p c 解码性能仿真图3 6 图4 1 0 本文在q p s k 映射下的仿真图3 6 图4 1 18 0 2 1 6 e 8 0 2 1 l n 兼容的l d p c 解码p 性能曲线3 7 i x 重庆邮电大学硕士论文 图5 1 编解码p 总体框图3 9 图5 2 高效编码方法的编码流程图3 9 图5 3 编码器硬件结构图4 0 图5 4 存储器位宽配置4 3 图5 5 存储器r a m 存储格式示意图4 3 图5 6 子矩阵b 存储格式示意图4 3 图5 7 矩阵a 1 的分解示意图4 4 图5 8 子块矩阵为0 的分解示意图4 4 图5 9 矩阵a 2 的分解示意图4 4 图5 1 0 加法计算结果4 4 图5 1 1t 矩阵存储形式4 5 图5 1 2t 矩阵的逆4 5 图5 1 3 解码流程图4 7 图5 1 4 解码器硬件结构图4 7 图5 1 5 校验元计算结果存储格式5 0 图5 1 6 校验节点与信息节点的关系5 0 图5 1 7a r t i s a n 的m e m o r yc o m p i l e r 界面5 2 图5 1 8 本文中编解码口代码的顶层结构示意图5 4 图5 1 9 异步数据信号处理方法5 5 图5 2 0 代码覆盖率统计。5 8 图5 2 1 编码验证框图。5 8 图5 2 2 编码数据比较结果5 9 图5 2 3 解码验证框图5 9 图5 2 4 解码数据比较结果6 0 图5 2 5 编码输出6 0 图5 2 6 子块相乘单元6 1 图5 2 7 解码校验节点计算单元6 1 图5 2 8 解码信息节点计算单元6 2 图6 1 硬核妒的流程图6 3 图6 2l e d a 所生成的报告文件6 4 图6 3 所有代码文件的检查报告6 4 图6 4 时钟约束6 5 图6 5 门控时钟约束6 6 图6 6 功率约束6 6 x 图目录 6 7 面积约束6 6 6 8 环境约束6 6 6 9 面积报告6 7 6 1 0p o w e r 报告6 7 6 1 1c e l l 数目统计6 7 6 1 2 布局布线后f m 结果。6 8 6 1 3 插入扫描链后的f m 结果6 8 6 1 4d f t 扫描配置。6 9 6 1 5f l o o r p l a n 后的版图6 9 6 1 6p l a c e m e n t 后的版图7 0 6 1 7c t s 后的版图7 1 6 1 8r o u t i n g 后的版图7 2 6 1 9r o u t i n g 后的c e l l 数目和面积统计7 2 6 2 0p t 的时序分析结果7 3 6 2 1p t 的p o w e r 分析结果7 4 6 2 2d r c 检查结果7 4 x i 图图图图图图图图图图图图图图图图 第一章绪论 第一章绪论 1 1技术发展 1 1 1无线局域网的发展 随着有线高速局域网的出现以及笔记本电脑的流行，人们越来越关注高速无 线网络的研究。最初，很多公司发展了无线产品，试图实现高速无线网络。然而 这些产品遭遇了很多问题，包括较高制造成本，低容量，以及不能和其它类似产 品交互通信等。i e e e8 0 2 1 1 系列协议的出现就是为了解决这一系列问题。 i e e e 8 0 2 11 1 】系列协议标准是由国际电气和电子工程师联合会( i e e e ) 铜j 定的， 它以i e e e 8 0 2 1 1 标准为基础，包括与无线局域网相关的多个已经发布以及正在编 著的标准。i e e e8 0 2 1 1 是第一代无线局域网标准之一，是其他i e e e 8 0 2 1 1 系列标 准的基础标准。该标准定义了物理层和介质访问控制m a c 协议的规范，允许无线 局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。以下是8 0 2 1 1 协议 不同的物理层规范的版本。 8 0 2 1 1 ，1 9 9 7 年6 月，原始标准( 2 m b i t s ，2 4 g h z 频段) 。 8 0 2 1 l a 【2 】，1 9 9 9 年9 月，物理层补充( 5 4 m b i t s ，5 g h z 频段) 。 8 0 2 1 l b t 3 1 ，1 9 9 9 年7 月，物理层补充( 1 l m b i t s ，2 4 g h z 频段) 。 8 0 2 1 l g 4 1 ，2 0 0 3 年6 月，物理层补充( 5 4 m b i t s ，2 4 g h z 频段) 。 8 0 2 1 l n 5 1 ，2 0 0 9 年9 月，物理层引入多输入多输出( m m o ) 和4 0 m b i t 信道宽 度( h t 4 0 ) 技术，是8 0 2 1 l a g 的增强版。新兴的8 0 2 1 l n 协议将最高速度提升到 6 0 0 m b p s ，极大的提升了近距无线通信的速度，在近几年得到了很好的发展。 1 、8 0 2 1 1 协议 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准起初规定的3 个物理层包括了两个扩散频谱技术 以及一个红外传播规范。其中2 个扩散频谱技术工作在无任何授权的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 2 4 g h z 频段，由于这个频段为免费的，其它很多系 统采用了这一频段( 比如：b l u e t o o t h 等近距无线标准) ，导致了不同系统间的相互干 扰。8 0 2 1 1 协议采用扩频进行数据传输，包括跳频序列扩频传输技术( f h s s ： f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和直接序列扩频传输技术( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，采用了d b p s k 和d q p s k 调制技术) 。另1 个红外传播规范以光 波段作为其物理层，利用红外线光波传输数据流，也就是i r d a 技术。8 0 2 1 1 无线 标准支持的传输速率是1 m b p s 和2 m b p s ，这样的速度显然没有办法和有线局域网 的速度相提并论。 重庆邮电大学硕士论文 2 、8 0 2 1 l b 协议 到1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 1 l b t 3 】被加入了8 0 2 1 1 协议。该标准沿用了2 4 g h z 的频 段，信道带宽为2 0 m ，增加了2 个新的速度：5 5 m b p s 和1 1 m b p s 。d s s s ( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ：直接序列扩频) 被选作唯一的物理层传输技术，使其可 以和8 0 2 1 1 协议兼容，其速度可以达到1 1 m b p s 。同时，采用了更为先进的编码技 术，抛弃了8 0 2 1 1 中d s s s 采用的1 1 位b a r k e r 序列，采用了c c k ( c o m p l e m e n t a r y c o d ek e y i n g 补码键控) 技术，b p s k 、q p s k 的调制技术。 3 、8 0 2 1 l a 协议 尽管i e e e8 0 2 1l b 的物理层支持11m b p s 的速率，但事实上其速度却不超过 5 m b p s ，因此产生了对8 0 2 1 l a 2 】的需求。i e e e8 0 2 1 1 a 无线局域网协议采用了5 g h z 的频段，信道带宽为2 0 m ，采用了o f d m ( 正交频分复用) 的基带调制技术，将 最高速率提高到5 4 m b p s ，采用b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 的调制技术，其 中最大编码速率为3 4 。最大的缺陷在于无法与8 0 2 1 l b 设备通信。尽管8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 设备在频段分配上没有干扰，但要制造同时满足l l a 和1 1 b 物理层的设 备代价太高，很大程度上限制了l l b 设备向1 1 a 设备的过渡。同时，5 g h z 频段在 欧洲是受保护的，故造成了1 1 a 设备仅在北美受欢迎的局面。 4 、8 0 2 1 1 9 协议 为了解决1 1 a 协议存在的问题，8 0 2 1 1 9 标准诞生了。i e e e 8 0 2 1 1 9 t 4 - v _ 怍在 2 4 g h z 的频段，信道带宽为2 0 m ，物理层可选8 0 2 1 l a 的o f d m 基带调制技术和 8 0 2 1 1 b 的c c k 调制技术，支持8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 a 的各种传输速率，最高速率达 5 4 m b p s 。8 0 2 1 1 9 标准很好的兼容了l l b 标准，但是，依然不能满足人们对速度的 追求。 5 、8 0 2 1 l n 协议 8 0 2 1 i n i s 标准在2 0 0 2 年就开始制定，直到2 0 0 7 年3 月份，i e e e 才同意对 8 0 2 1 l n2 0 版草案标准产品进行认证，并保证它们能在最后升级兼容正式版标准。 2 0 0 9 年9 月1 4 日i e e e 正式批准了8 0 2 1 1 n 这一新的w i f i 标准。 新兴的8 0 2 1 l n 标准具有最大可达6 0 0m b p s 的速率，是下一代的无线网络技 术，可提供支持对带宽最为敏感应用所需的速率、范围和可靠性。8 0 2 1 l n 结合了 多种技术，其中包括s p m i a lm u l t i p l e x i n gm i m o ( m u l t i i n ，m u l t i o u t ) ( 空间多路复 用多入多出) 、l d p c 纠错码、2 0 和4 0 m h z 信道和双频带( 2 4g h z 和5g h z ) ，以 便形成很高的速率，同时又能与i e e e8 0 2 1 1 a b g 等设备通信。 8 0 2 1 l n 专注于高吞吐量的研究，传输速率相对于8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 得到了极 大提升。这样高的速率需要强有力的物理层技术支撑，而o f d m 技术、m i m o ( 多 入多出) 技术等正是其中的关键所在。8 0 2 1 l n 天线数量可以支持到4 * 4 ，比8 0 2 1 1 9 2 第一章绪论 提高了n 倍。将m i m o 与o f d m 技术相结合，就产生了m i m o o f d m 技术，它 通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，极大地提高了信号质量， 并增加了多径的容限，使无线网络的有效传输速率得到质的提升。从8 0 2 1 1 n 技术 定位看，8 0 2 1 l n 技术的定位主要是作为高速有线接入技术的补充，将来逐渐也会 成为蜂窝移动通信的补充。它可以在特定的区域和范围内发挥对3 g 的重要补充作 用，8 0 2 1i n 技术与3 g 技术，以及4 g 技术相结合将具有广阔的发展前景。 1 1 2 低密度奇偶校验码的发展 l d p c i 6 l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) 码是一类校验矩阵为稀疏矩阵的线性分组码， 最早由麻省理工学院的r g g a l l a g e r t7 】于1 9 6 2 年发明。g a l l a g e r 提出了规则l d p c 码的构造方法、编解码算法以及最小汉明距离分析和解码算法的性能分析。尽管 l d p c 码有很好的性能，但是由于受当时计算能力的限制，l d p c 码曾被认为是不 实用的码，在很长一段时间内被忽视。 1 9 8 1 年，v a n n e 9 8 】在广泛研究图码的基础上提出规范图码表示方法t a n n e r 图， 把校验矩阵约束建立在局部码元集合上。w i b e r g 8 】等人结合t u r b o 码和网格图的研 究，将t a n n e r 图推广为有隐含状态变量的w i b e r g 图。在w i b e r g 等人的研究基础 上，r o m e y 引等人又提出标准图的概念。同时，在t a n n e r 等人的研究基础上， k s c h i s c h a n g 等人在对比分析一系列图模型和响应算法之后，建立了因子 虱( f a c t o r g r a p h ) 模型，他们发现所有的图模型本质上是表达一个全局函数到一组局部函数乘 积的有效分解。1 9 9 6 年，m a c k a y 9 】和n e a l 等人随机构造的l d p c 码在码长很长的 时候性能超过了t u r b o 码，从而激起了编码界进一步研究l d p c 码的浪潮。此后， d a v e y 和m a c k a y 从减少t a n n e r 图上小环的理念出发，提出了基于g f ( q ) ，q 2 的 l d p c 码，进一步提升了l d p c 码的性能。同时，s p i l e l m a n 和s i p s e r 1 0 】提出了基 于二部扩展图的扩展码，并证明了基于随机构造的t a n n e r 图的l d p c 码以大概率 为渐近好码。g a l l a g e r 、m a c k a y 都用随机方法构造l d p c 码，用随机法构造的l d p c 码的码字参数选择灵活，但对于高码率、中短长度的l d p c 码用随机法进行构造， 要避免双向图中的四线循环是困难的，其没有一定的码结构，编码复杂度高。于 是，人们开始用代数法构造l d p c 码。l d p c 码的代数构造可采用集合方法、图论 文档、实验设计方法、置换方法来设计。m g l u b y 1 0 】等指出基于非规则图定义的 码性能优于响应的基于规则图定义的码。在非二元有限域中定义码和采用具有非 均匀行列重量的非规则码校验矩阵均可改善码的性能。m a c k a y 等提出对非规则码 采用先选择轮廓再选择结构的2 步选择方法，验证了超泊松结构具有较好性能， 并指出能快速编码的l d p c 矩阵具有下三角结构。 重庆邮电大学硕士论文 当前，对l d p c 码的研究除了上述成果之外，l d p c 码线性编码、l d p c 码为 分量的多层编码调制系统以及可变数率l d p c 码等方面都有了一些研究。l d p c 码 已经广泛应用于移动通信系统中。l d p c 码具有巨大的应用潜力，将在深空通信、 光纤通信、卫星数字视频、数字水印、磁光全息存储、移动和固定无线通信、电 缆调制解调器和数字用户线( d s l ) 中得到广泛应用。m c h i a i n 7 】等对l d p c 码用 于有记忆衰落信道时的性能进行了评估。b m y h e r t 8 】提出一种速率自适应l d p c 编 码调制的方案用于慢变化平坦衰落信道，经推广还可用于f e c a r q 系统。f l a r i o n 1 l 】 开发的集成了v - l d p c 的f l a s h - o f d m 移动无线芯片组己可用于基于p 的移动宽 带网。r - i n t e r f a c e 6 j 公司也推出了支持8 0 2 1 l n w l m a x 双系统的l d p c 解码口。 8 0 2 1 l n 系统中，l d p c 码为不规则码，采用了具有准循环移位特性的码字作 为其校验矩阵，从而尽可能地降低编解码实现的复杂度。新增的l d p c t l 2 j 码作为 一种可选f e c ( 前向纠错编码) 技术，比卷积码有更高的编码增益，同时具备了更强 的纠错性能。 1 2 研究意义和目的 当前l d p c 编解码算法研究已经非常成熟，并且已经有很多文献给出了相应 的编码、解码实现方法。 r i c h a r d s o n t 】给出了一种有效的l d p c 编码方法，在很大程度上可以减少编码 器设计的复杂度，当前很多系统的l d p c 编码方法都是基于这种方法。z h o n g ，h ，a n d z h a n g ，t 【1 4 】给出一种按照特定系统设计的l d p c 编码方法，这种方法在r i c h a r d s o n 所给出的编码方法上可以进一步降低编码器实现的难度。z c a i ，j h a 0 【1 5 】给出了一 种基于8 0 2 1 l n 系统的l d p c 编码方法，这种方法利用8 0 2 。l l n 系统l d p c 码的校 验矩阵的特殊形式来进行编码，这种方法可以进一步简化8 0 2 1 1 n 系统l d p c 编码 的复杂度。但是这种方法仅对特定的某个特殊校验矩阵来说能够有效地编码复杂 度，而对于8 0 2 1 l n 系统总共有1 2 种校验矩阵，采用此方法对整个8 0 2 1 l n 系统的 l d p c 码来说，复杂度虽然低，硬件开销依旧多。 m f r a n c e s c h i n i 1 6 】等人的文献中将l d p c 解码从大类上分为硬判决和软判决。 其中，硬判决又包括：位翻转解码算法、加权b f 算法。软判决算法大都是基于 b p ( b e l i e v ep r o p a g a t i o n ，置信，又称为和积算法) 算法，包括：概率域上的b p 算法、 对数域上的b p 算法、简化的b p 算法、归一化b p 算法、偏移b p 算法等。而硬判 决解码在小信噪比下的解码性能不及软判决解码，故当前的解码器都是基于软判 决解码的方法。对于软判决解码算法，在实现时一般有三种结构，全并行结构、 第一章绪论 串行结构、部分并行结构等。s a e e ds h a r i f it e h r a n i t l 7 】等人使用了全并行的硬件结构， 这种结构在获得较大吞吐量的同时却消耗了大量的资源。a 。d a r a b i h a 【1 8 】等人使用串 行的结构，这种方法占用的硬件开销很小，但是其吞吐量非常有限，这种口仅能 用在吞吐量要求不高的系统中。鉴于并行和串行结构各自的优点，出现了部分并 行的解码结构。j i ej i r l 1 9 】等人使用层间迭代的硬件结构，在1 8 0 n m 的工艺，最大 l o 次迭代下，吞吐量可达5 0 3 m b p s 。m o h a m m a dm m a n s o u r t 2 0 】等人采用层间迭代 的硬件部分并行结构，在1 8 0 n m 的工艺，最大1 6 次迭代下，吞吐量最大达到了 6 4 0 m b p s ，但是功耗却达到了7 8 7 m w 。c s t u d e r t 2 1 1 等人所采用的部分并行结构， 在1 8 0 n m 的工艺，最大1 6 次迭代下，吞吐量最大到达了7 8 0 m b p s 。x i n - y us h i h t 2 2 】 等人所使用的部分并行硬件结构，在1 3 0 n m 工艺下、最大8 次迭代时，吞吐量达 到了2 5 0 m b p s ，其功耗却仅为7 6 m w 。m a s s i m or o v i n i t 2 3 】等人使用最小和积算法， 硬件结构采用部分并行结构，在6 5 n m 的工艺、最大1 4 次迭代下解码的吞吐量最 大达到4 1 0 m b i t s ，但是功耗却达到了2 3 4 6 m w 。e d c ka m a d o d 2 4 j 等人的8 0 2 1 l n 与w i m a x 双系统兼容的d ，使用6 5 n m 的工艺在面积上仅为0 2 1 1 m m 2 ，但是其 吞吐量仅为1 6 2 m b p s 。t b r a c k 2 5 】等人使用水平层间迭代的部分并行结构，使用 6 5 n m 的工艺在面积为1 0 2 31 i i i l l 2 ，但是在最大2 0 次迭代下其吞吐量达到了 3 3 7 m b p s 。 ，| 当前l d p c 编码、解码硬件实现的方式有很多种，从目前的文献来看，吞吐 量、面积、功耗依然较难实现有效均衡。有些p 的吞吐量较高，但是其能支持的 迭代次数有限，影响整个p 的解码性能。有些p 的面积较小，但是其吞吐量相当 的低。有些的功耗控制比较好，但是仅能支持一个固定的校验矩阵，即固定速 率和编码长度。因此，开发一个具有低功耗、低面积、高吞吐量的p ，用在8 0 2 1 l n 系统中，并且支持8 0 2 1 l n 的各种编码速率和码长成为本文的一个研究目的。 1 3 本文的主要工作 为实现本文的目的，本文进行了如图1 1 所示的口开发。本文首先从8 0 2 1 l n 特定的系统着手，分析其物理层的基本过程，在此基础上进行8 0 2 1 l n 系统s o c 的架构分析。其次，从具体的l d p c 编码算法着手，进行l d p c 编解码的算法分 析及仿真，给出一种易于硬件实现的l d p c 编解码方法。然后，进行l d p c 编解 码的硬件结构设计、代码设计以及验证。最后，将本文中的设计进行硬核实现。 同时，由于采用通用性的接口该p 可以作为一个独立的p 使用，也可以集成到 8 0 2 1 1 n 的基带芯片中使用。本文共分为7 章，论文的结构安排如下： 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论，介绍当前无线局域网标准以及l d p c 码的发展状况，并简要介 绍了8 0 2 1 1 n 协议的部分新特性，给出本文的主要工作，并指导本文其他章节工作。 第二章8 0 2 1 1 n 物理层规范，介绍8 0 2 1 1 n 协议的物理层构成、信号处理流程， 在此基础上抽象出基带处理相关的各个功能模块，并对各模块进行简要介绍。 第三章8 0 2 1 1 n 数字基带系统，给出了一种可以实现的数字基带系统构架，在 系统层次上进行功能划分，并对各功能子区进行简要分析。 第四章l d p c 编解码算法，分析了l d p c 编解码算法原理，在此基础进行了 编解码算法的仿真，并给出硬件复杂度的分析。 第五章l d p c 编解码的硬件设计，进行编解码的硬件结构设计，代码设计和 验证。 第六章l d p c 编解码的硬核实现，对本文设计的硬件代码进行代码规则检查， 逻辑综合，形式验证，插入扫描链，布局布线，时钟树综合以及静态时序分析等， 最后做成硬核。 第七章总结与展望，总结论文，并提出下一步工作和研