LDPC碼屬于前向糾錯(cuò)碼的一類，用于在噪聲傳輸信道中發(fā)送信息。這些碼可以用一個(gè)奇偶校驗(yàn)矩陣來(lái)描述，該矩陣主要包含0和少量的1。因此，與其他代碼結(jié)構(gòu)相比，譯碼復(fù)雜度較小。解碼器采用了一種非常高效的迭代譯碼算法——置信傳播算法。LDPC碼可分為兩組:規(guī)則LDPC碼，PC矩陣的列重和行重是常量且相等；不規(guī)則的LDPC碼，所在的行重和列重不是常數(shù)和相等，這意味著每行和列1的數(shù)量是不同的。

LDPC碼以不同的方式表示。與所有線性分組碼相似，可以用相應(yīng)的生成矩陣G或PC矩陣H表示矩陣。如果輸入信息比特?cái)?shù)是K，輸出比特?cái)?shù)是N，PC矩陣H表示為M×N矩陣，其中M=N-K。碼率K/N定義了PC矩陣的大小。LDPC碼可以用Tanner圖進(jìn)一步圖形化表示，Tanner圖是LDPC碼最常見(jiàn)的圖形表示之一。它提供了代碼的完整表示，并有助于描述解碼算法。Tanner圖是二分圖，即有兩種不相交的節(jié)點(diǎn)集。這兩種變量節(jié)點(diǎn)（VND）和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)（CND）。VND表示碼字bit，矩陣H的N列的每個(gè)值代表一個(gè)VND。CND代表碼約束條件。矩陣H的列M的每個(gè)元素，代表一個(gè)CND。如果hij=1,一個(gè)VND vi連接到一個(gè)CND cj。對(duì)于下例PC矩陣H，其Tanner圖如下圖所示。

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H矩陣對(duì)應(yīng)的Tanner圖
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準(zhǔn)循環(huán)(QC)LDPC碼屬于結(jié)構(gòu)化碼的一類，在不顯著降低代碼性能的情況下相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。QC-LDPC碼可以使用簡(jiǎn)單的基于其生成矩陣的線性復(fù)雜度的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)良好的QC-LDPC碼已被證明在BER、BLER性能和錯(cuò)誤平層方面優(yōu)于計(jì)算機(jī)生成的隨機(jī)LDPC碼。這些碼在解碼器硬件實(shí)現(xiàn)方面具有循環(huán)對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的規(guī)則互連和模塊化結(jié)構(gòu)。在包括3GPP NR在內(nèi)的大多數(shù)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中，LDPC碼的定義都采用了基本圖u。然而，u需要使用提升因子Z轉(zhuǎn)換為PC矩陣H。提升意味著基本圖u的每一個(gè)(整數(shù))項(xiàng)都被一個(gè)置換的Z×Z單位矩陣所取代。我們從一個(gè)單位矩陣I開(kāi)始，并根據(jù)基圖項(xiàng)uij循環(huán)移動(dòng)該矩陣的元素以得到所需的矩陣H。例如，假設(shè)有一個(gè)2×2的基圖矩陣u和提升因子Z=3。從u到H的變換可以這樣進(jìn)行：

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LDPC碼通常由它們的PC矩陣確定。本文給出了一個(gè)QC-LDPC碼的PC矩陣，它是一組相同大小的稀疏循環(huán)矩陣。循環(huán)矩陣是一個(gè)方陣，其中每一行是其上一行的循環(huán)移位，第一行是最后一行的循環(huán)移位。對(duì)于循環(huán)矩陣，每一列是左列向右的循環(huán)移位，第一列是最后一列的循環(huán)移位。循環(huán)矩陣的行重和列重是相同的。如果行/列權(quán)重等于1，那么循環(huán)矩陣也是一個(gè)置換矩陣。循環(huán)矩陣的第一行(或第一列)是其完整的特征，稱為循環(huán)矩陣的生成器。對(duì)于一個(gè)在GF(2)域的m×m的循環(huán)矩陣A，如果它的秩為r=m，那么它所有的行都是線性無(wú)關(guān)的。然而，如果它的秩r

一個(gè)LDPC碼通過(guò)PC矩陣H定義。對(duì)于每個(gè)碼字v，可以表示為HvT=0。另一方面，一個(gè)非碼字（損壞碼字），將產(chǎn)生一個(gè)非零向量。在數(shù)學(xué)上，一個(gè)LDPC碼是PC矩陣H的零空間。一個(gè)規(guī)則的LDPC塊碼（dv,dc）有VND度dv和CND度dc，度等于H的列（或行）重。PC矩陣表示一個(gè)線性方程組，其中每一行都可以由CND的線性組合表示。任何由H生成的行空間張成的向量集合都可以作為PC矩陣的行。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度是Tanner圖中連接到它的邊(線)的數(shù)量。

LDPC碼的譯碼算法是獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，它們有不同的名稱。最常見(jiàn)的是BP算法、消息傳遞算法(MPA)和和積算法。在BP算法中，概率消息在變量和檢查節(jié)點(diǎn)之間迭代交換，直到找到有效碼字或超過(guò)最大迭代次數(shù)。LDPC碼可以使用消息傳遞或二分Tanner圖上的BP進(jìn)行解碼，CND和VND相互通信，在每次解碼迭代中依次傳遞相關(guān)LLR的修正估計(jì)。Bit的可靠性度量被定義為：LLR(bi)=log(bi=0)-log(bi=1)。

其中，bi 代表接收碼字的第i比特。如果LLR>0，意味著更有可能bi=0，當(dāng)LLR<0，意味著更有可能bi=1。

舉個(gè)例子，假設(shè)發(fā)射的碼字（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0），譯碼器接收到的碼字為（0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0）。11bit有效碼字c=(c0,c1..,c10)，所有比特應(yīng)該等于0（mod 2）。接收向量不滿足此約束，表明接收碼字出現(xiàn)了錯(cuò)誤。進(jìn)一步，假設(shè)解碼器具有比特級(jí)可靠性度量，其形式為正確概率(接收值的置信度)為（0.9，0.8，0.86，0.7，0.55，1，1，0.8，0.98，0.68，0.99）。這些軟信息中，比特c4可靠性最低，應(yīng)翻轉(zhuǎn)以帶來(lái)符合代碼約束的接收碼字。使用LLR作為消息，與消息傳遞算法相比，硬件實(shí)現(xiàn)變得容易得多。通過(guò)簡(jiǎn)化消息傳遞算法中最復(fù)雜的CND更新過(guò)程，進(jìn)一步降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。這種算法被稱為最小和算法（min-sum algorithm）。

LDPC解碼器可以使用串行、并行或部分并行架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LDPC解碼器的性能取決于解碼器的算法、架構(gòu)、LLR的定點(diǎn)量化和最大譯碼迭代次數(shù)等因素。譯碼過(guò)程中使用的最大譯碼迭代次數(shù)決定了LDPC譯碼器的數(shù)據(jù)速率和延遲。在執(zhí)行最大譯碼迭代次數(shù)之后，然后估計(jì)碼字。為了節(jié)省解碼器功耗和減少延遲，需要在每次迭代后驗(yàn)證碼字，并在估計(jì)的碼字正確時(shí)停止解碼過(guò)程的解碼器設(shè)計(jì)。如果在下次迭代開(kāi)始時(shí)，估計(jì)碼字奇偶校驗(yàn)得到滿足，則譯碼過(guò)程停止。

LDPC碼與常見(jiàn)的幾種糾錯(cuò)碼相比，其性能有較大優(yōu)勢(shì)，因而可滿足5G高數(shù)據(jù)率、低延時(shí)和高可靠等應(yīng)用需求。

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LDPC碼與其他糾錯(cuò)碼性能對(duì)比

上面介紹了LDPC碼的基本原理，重點(diǎn)把握幾個(gè)概念：

什么是變量節(jié)點(diǎn)？

什么是校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)？

校驗(yàn)矩陣H與Tanner圖之間的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程。

QC-LDPC碼的基本特點(diǎn)是什么？

LLR的具體求解方法。

LDPC譯碼算法有哪些？譯碼算法各自的特點(diǎn)，以及硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度評(píng)估。

影響LDPC譯碼性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素是什么？

如何有效提升LDPC譯碼性能？（BLER、吞吐率）

對(duì)于LDPC碼在DVB-S2、WLAN和5G NR中的具體應(yīng)用，其碼率和碼塊長(zhǎng)度有所不同。特別是在5G NR中，將支持低至1/5、高至8/9的多種碼率，在Sub-6GHz頻段100M帶寬下，下行需滿足1~3Gbps、上行幾百M(fèi)bps~Gbps的數(shù)據(jù)速率需求。而在毫米波頻段，需要更高的吞吐率需求。

關(guān)于LDPC譯碼算法，可閱讀前期文章《5G通信算法：LDPC譯碼算法詳解》。

從通信系統(tǒng)角度看，除高速接口外，基帶的信道編解碼器和射頻前端的AD/DA的設(shè)計(jì)，是最難的部分，然而這在很大程度上決定一款產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)然，各種濾波器、功放、MIMO估計(jì)與均衡器，也是影響性能的重要部件。

那么，我們?cè)撊绾尾捎?a target="_blank">FPGA自行設(shè)計(jì)一款LDPC編解碼器呢？在設(shè)計(jì)之前，我們需要基于某一標(biāo)準(zhǔn)或自定義LDPC碼，完成相應(yīng)的算法分析和資源評(píng)估，同時(shí)對(duì)其中的關(guān)鍵模塊要有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。在具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，RTL模塊設(shè)計(jì)高內(nèi)聚、低耦合，同時(shí)參數(shù)和控制邏輯應(yīng)友好靈活，并以較少的資源實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能，并盡可能提升時(shí)鐘運(yùn)行頻率。


審核編輯：劉清