电力线通信中LDPC译码器的优化设计与实现.pdf

第 5 l卷第 2 0期 2 0 1 4年1 0月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt I n s t r u m e nt a t i o n V_o 1 5 1 N锨 2 0 0c t 2 5。 20 1 4 电力线通信 中 L D P C译码器 的优化设计与 实现 术 章谦骅， 章坚武 ( 杭州 电子科技大学 通信工程学院， 杭 州3 1 0 0 1 8 ) 摘要： 电力线信道的噪声干扰很强， 严重影响通信系统性能。文章提出了一种适于电力线通信中L D P C码的译 码器硬件结构优化方法 ， 并通过 F P G A设计实现。算法的修正过程只包含简单的算术 和逻辑运算 ， 便于 F P G A 实现。本文方案提供的结构与常用的部分并行译码结构相比， 节省 了大量硬件资源。经软硬件仿真验证 ， 硬件 B P实现结构性能接近浮点 B P算法 ， 能应用于电力线通信等信噪 比较低 的传输领域。 关键词： 电力线信道； L D P C码； F P G A； 并行译码结构； B P算法 一 中图分类号 ： T M7 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 2 0 0 1 0 5 0 4 Opt i mi z e d De c o de r De s i g n a nd I mpl e me nt f o r LDPC Co d e s i n Po we r Li ne Co mmu n i c a t i o n s Z HA N G Q i a nh u a ， Z H A N G J i a nW U ( C o l l e g e o f C o mm u n i c a t i o n E n g i n e e ri n g ， Ha n g z h o u D i a n z i U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a ) b s t r a c t ： I n a b r o a d b a n d l o w v o l ta g e p o w e r l i n e c h a n n e l ， t h e i n te rf e r e n c e f r o m c h a n n e l n o i s e i s h e a V y a n d r e s u l t s i n a p o o r c o mmu n i c a t i o n p e r f o r ma n c e T hi s pa p e r p r e s e n t s a o p t i mi z a t i o n me t h o d s o f t h e d e c o d e r o f LDPC c o de f o r p o we r l i n e c o m mu n i c a t i o n s y s t e m，a n d i mp l e me n t a t i o n t h r o u g h F P G A T h e c o r r e c t i o n p r o c e s s o f t h i s a l g o ri t h m j u s t i n c l u d e s s i mp l e a rit h me t i c a n d l o g i c o p e r a t i o n s，wh i c h i s e a s y t o b e i mp l e me n t e d b y FPGA Ex p e r ime n t h a s p r o v e d，c o mpa r e d wi t h u s u a l p a r t i a l p a r a l l e l d e c o d e s t r u c t u r e，s t ruc t u r e p r o v i d e d b y t h i s p a p e r s a v e s mu c h h a r d wa r e r e s o u r c e s S o f t wa r e a n d h ard wa r e s i mu l a t i o n s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d s c h e me a p p r o a c h e s t o t h e p e rf o r ma n c e o f a f l o a t i n g - p o i n t c a l c u l a - t i o n b a s e d t h e BP a l g o ri t h m T h e r e f o r e ，i t c a n b e wi d e l y u s e d i n p o we r l i n e c o mmu n i c a t i o n s a n d S O o n w i t h l o w s i g na lt on o i s e r a t i o t r a n s mi s s i o n Ke y wor ds： po we r l i n e c h a n n e l ，LDPC，FPGA ，para l l e l d e c o d e s t ru c t u r e，BP a l g o rit h m 0 引 言 随着物联 网技术 的蓬勃 发展 ， 使 得通信方 式 的 创新成为 目前 国内通信行业 的研究 热点。电力线通 信具有成本低、 覆盖广等优点， 使其成为智慧家居、 智慧城市的接人技术中最具潜力的方案之一 _ l 。 电力线通信系统 目前仍存在许多问题 ， 其中噪 声会严重影 响通信质量 ， 目前 尚待解决 。脉 冲噪声 是影响电力线通信 的一个重要 因素 ， 其幅度 大、 频谱 宽 、 突发性强 ， 使接收机无法正常接收。电力线通信 噪声的抑制方法主要集中在信道噪声的抑制， 如迭 代消噪方法 j ， 限幅置零消噪方法 等。 低密度奇偶校验 ( L o w D e n s i t y P a r i t y C h e c k ，L D 一 十基金项目： 国家 自 然科学基金资助项 目( 6 1 0 0 1 1 3 3 ， 6 1 1 0 2 0 6 6 ) P C ) 码是一种性能优异的差错控制码 J ， 其性能优 异 ， 具有 良好 的应用前景广 阔。 目前 国内也有 不少 学者在研 究 电力线通 信 中的 L D P C码译 码 算 法优 化 j 。其 中， 文献 6 从改进分层和积译码算法 的角 度对译码算法进行优化 ， 文献 7 根据信道差异修正 译码算法。但大多数算法都无法用 F P G A实现或者 复杂度过高 。 本文通过对置信传播 ( B P ) 算法 的优化 ， 提 出一 种低复杂度的 L D P C译码算法。该算法充分利用准 循环结构， 降低译码器中变量及校验节点索引位置 所 占存储单元 的容量 ， 减少对硬件资源 的占用 ， 更加 适合电力线通信系统中信道编码的工程实现。 1 L D P C电力线通信系统建模 信源发送的消息首先进入 L D P C编码器进行编 - 1 0 5 - - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 2 0期 2 0 1 4年l O月 2 5日 电测与仪表 El e e t r i c ai M e a s u r e me n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 51 No 2 0 oc t 2 5。 2 0 1 4 码， 再进入调制器进行调制， 这里我们可以选择 B P S K， Q P S K等调制方式 ， 之后经过 D A转换后耦合 接入电力线进行传播。接收端同样利用耦合接收信 号再经过 A D转换器恢复出数字信号 ， 最后通过解 调器送人 L D P C解码器， 得到还原信息如图 1 所示 。 图 1 系统 结构 框 图 F i g 1 S y s t e m s t r uc t u r e d i a g r a m 一 般来说， 电力线通信中的噪声共分为五种类 型， 即有色背景噪声、 窄带噪声 、 与工 频异步 的周期 性脉冲噪声 、 与工频 同步 的周期性脉冲噪声 以及突 发性噪声 j 。由此可见 ， 在电力线通 信 中存在着大 量脉冲噪声干扰， 并且这些脉冲噪声具有幅度大， 频 谱宽 ， 突发 性 强等 特点 。常见 的加 性 高斯 白噪声 ( A wG N ) 无法用来表征该类信道 中的噪声特性。 Mi d d l e t o n 的 A类噪声模型， 即 白色 A类噪声模 型( A WA N， A d d i t i v e Wh i t e Ac l a s s N o i s e ) 。该模 型经常被用来表征脉冲噪声的幅度分布， 它把噪声 看作高斯噪声和脉冲噪声相加 ， 通过对其参数 的调 整可以非常接近于实验值 ， 因此在有脉 冲噪声存在 的环境中被广泛应用 。这里采用 M i d d l e t o n A类噪声 模型来表征电力线通信信道中的近似脉冲噪声。根 据 A类噪声模型的表述 ， 其噪声幅度 的概率密度函 数( P D F ) 定义如式 ( 1 ) 所示 ： P A ( z ) f 箐 1 e x p ( 一 轰) ( 1 ) 式中 2 ： ( +，) ( 1+，)； 代表脉冲指 标 ， 即接收端在单位 时间间隔中收到的脉冲噪声 数 目、 F = 2。 表示高斯噪声与脉冲噪声的功率 比、 2 = 2 。 + 表示噪声总功率。其中 是服从高斯 分布 的背景 噪声功率， 是服从 泊松分 布， 即 ( e - A A , ) ( m )的窄带脉冲噪声功率。故脉冲系数A 的数值越大， 代表脉冲噪声出现的频度越高， 高斯噪 声与 类噪声之间的相似度就越高； 相对应的， 若 A 的数值越小， 则脉冲噪声与 A类噪声之间的相似度 就越高。 - - - - 1 0 6 - 2 改进的 B P译码算法 L D P C码的译码 采用 通用 的置 信传 播 ( B P ) 算 法 ， 或和积算法。具体该码 的译码 可通过将 L D P C校 验矩阵转换为等效 的二部 图， 然后 译码在该二部 图 中 L D P C码的变量节点与校验节点之 间用迭代 的方 式展开。该译码结构的基本实现如 图2所示。 码 图 2 L D P C码译 码 器 实现 图 Fi g 2 LDP C d e c o d e r i mp l e me n t a t i o n 如图 2中， L D P C码变量节点表示信息 比特和校 验 比特 ， L D P C码校验节点表示 L D P C码译码 的校验 方程。该译码结构从信道获得变量 节点 的信息后 ， 用 B P 算法， 将信息从变量节点传递到校验节点， 再 返 回到变量节点 ， 进行反复迭代 。当迭代结果软信 息硬判后满足校验方程或迭代次数达到一定的次数 后， 迭代结束。最后将迭代输出的软信息结果进行 硬判决 ， 得到最后 的译码输 出。这部分在具体 实现 时， 可根据实际可用的硬件资源 ， 用并行或部分并行 的方式实现 ， 以提高译码速度 ， 减少译码延迟。下面 给出了译码算法的具体实现步骤： S t e p 1 ： 初始化 ( 1 ) 根据信道观测值计算似然比信息( L L R ) ， 如 式 ( 2 ) 所示 ： R =L c。 =- - - y ( 2 ) ( r ( 2 ) 初始化变量节点到校验节点的信息如式( 3 ) 所示 ： l o g ( ) ( 3 ) 迭代次数 ： =1； ( 3 ) S t e p 2 ： 处理所有校验节点 ， 产生校验节点到变量 节点的信息 ( 4 ) 设置校验节点计数器 r o w =1； ( 5 ) 设置校验 自由度计数器 =1； ( 6 ) 计算从校验节点到变量节点信息的 t a n h函 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 2 0期 2 0 1 4年1 0月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as ur e m e nt I n s t r u m e nt a t i o n V0 I 5 1 No 20 0 c t 2 5。 2 0 1 4 数如式 ( 4 ) 所示 ： r o wDg r e e q ( r o w ， )=e x p q k r o w ， ) ( 4 ) k c j ( 7 ) 产生从校验节点到变量节点 的 L L D信息如 式( 5 ) 所示 ： m k ( r 0 ) = lo g ( ) ( 5 ) ( 8 ) 女 口 果 r o w D g r e e ， +， 返 回( 6 ) ； ( 9 ) 女 口 果 r o w r o w N u mb e r ， F O W + +， 返回( 5 ) ； S t e p 3 ： 处理每个变量节点 ， 产生变量节点到校验 节点的信息 ( 1 o ) 设置变量节点计数器 c o l=1； ( 1 1 ) 设置变量节点计数器 =1； ( 1 2 ) 计算变量节点取“ 1 ” 或“ 0 ” 的概率如式( 6 ) 所示 ： c o l De g r e e m ( c o l ,j )= ( ) + m ( ， c o 1 ) ( 6 ) J ( 1 3 ) 产生从变量节点到校验节点的 L L R信息如 式( 7 ) 所示 ： 1 m ( ， c o 1 ) q k ( c 。 ， ) 丽) ( 7 ) ( 1 4 ) 女 口 果 c o l D g r e e ， +， 返 回( 1 2 ) ； ( 1 5 ) 女 口 果 c o l c o l N u m b e r ， c o l+， 返 回( 1 1 ) ； S t e p 4： 产生 L L R输出 ( 1 6 ) 对 每个变 量节 点产 生 L L R输 出如式 ( 8 ) 所示 ： c o l De g r e e L L R ( c o 1 ) = Y k ( c o 1 ) + m ( ， c o 1 ) ( 8 ) L D P C译 码 采用 部 分 并行 结 构 ， 如 图 3所 示 。 L D P C译码器包括输入 F I F O、 前端数据处理模块 、 状 态控制模块 、 R A M存储 阵列 、 变量节点处理 阵列 、 校 验节点处理阵列和输出缓存 F I F O等模块。其中输 入 F I F O用于隔离不同速率数据对译码器的影响； 前 端处理模块主要用 于接收符号 的软解 差分、 解 同步 以及实现接收符号到译码器译码所需 的比特对数似 然比( L L R ) 信息的转换。状态控制模块用于实现状 态控制并产生各个模块所需的控制信号。R A M存储 阵列用于存储 L D P C码字的接收软信息以及迭代运 算过程中的节点 中间数据 。变量节点 阵列和校验节 点阵列分别用 于实现 L D P C迭代译 码 中的变量节点 和校验节点迭代运算。最后， 迭代译码结果输入到 输 出 F I F O进行缓存 ， 随后通过并 串转换成单 比特 码流输 出。 要 匡 垒 笪 型 l+ 巨 酾输出 图 3 L D P C码 译码 器结构 图 Fi g 3 Th e s t r uc t u r e o f LDPC d e c o d e r 3实验结果 根据前 面提出 的改进 的 L D P C码译 码器结 构。 本文设计了一个可应用于 电力线通信系统 中的 L D P C译码器。译码器实现编程语言为 V e r i l o g语言 ， 利 用 X i l i n x I S E D e s i g n S u i t e 1 3 2软件进行硬件综合与 布局布线 ， 同时采用 Mo d e l S i m S E 6 2 e进行设计仿 真 。硬件资 源为 X I L I N X V 5 L X 2 2 0芯片 配套 开发 板 。片上同时实现 了 1 2码率 的 L D P C编译码器 系 统 ， 其 中的 Mi d d l e t o n的 A类噪声加噪过程采用外部 噪声源模拟。图4为软件仿真结果与硬件实测结果 的误码率曲线。其中， 曲线 S i mu l a t i o n为 MA T L A B浮 点仿真性能曲线 ， 曲线 F P G A为硬件实测结果 曲线 。 f r 确 i f 1 l l l 1 l l l ! ： II 一S i mu l a t i o n I ：l 一F PGA I f l 图4 片上性能与 MA T L A B仿真性能对比图 Fi g 4 Th e o nc h i p p e r f o r ma n c e a n d MATL AB s i mu l a t i o n p e rf o r ma n c e c o mp a r i s o n c h a r t 从图4可 以看 出， 片上测试 所得 的性 能 曲线 与 M A T L A B仿真所得的 B E R性能大致相 同， 硬件性能损 失基本控制在0 2 d B以内。可以看出本文所设计的 L D - P C码译码器性能优异， 适合在电力线通信系统中采用。 片上的译码器吞吐量如表 1所示。译码器与编 码器的硬件资源使用情况分别如表2和表 3 所示。 表 1 译码 器吞吐量 Ta b 1 Th e d e c o de r t h r o u g h p u t 一 1 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 2 0期 2 0 1 4年1 0月 2 5日 电测与仪表 EI e c t r i c al M e as u r e me n t I n s t r u me nt a tio n Vo I 51 NO 2 O 0c t 2 5 2 01 4 表 2 译码器资源利用情况 Ta b 2 T he d e c o d e r r e s o u r c e ut i l i z a t i o n 表 3 编码 器资源利用情况 T a b 3 T h e e n c o d e r r e s o u r c e u t i l i z a t i o n 由表 1可 以 看 出， 译 码 器 的 吞 吐 量 达 到 2 7 9 M b p s ， 足够满足正常的电力线通信需求。吞吐量 的提高主要 是 由于编译码 器均采 用 了并 行结构设 计 ， 在复杂度增 加不 大的情况下 ， 大 幅度 的提高吞 吐量。 由表2可以看出， 译码器所用寄存器的数量约为 7 9 5 5 0 。芯片资源利用率约为 3 8 ， 其冗余量相对 5 0 的实际最大利用率还有较 大空间 ， 可用 于后期 加入调制解调模块。 由表 3可以看 出， 编码器模块有多种方案可以选 择 ， 可以根据实际工程需要和硬件资源情况来确定。 4结束语 电力线信道 的噪声干扰很强 ， 严重影 响通 信系 统性能。文 中提出 了一种适于 电力线通信 中 L D P C 码的译码器硬件结构优化方法， 并通过F P G A设计实 现。实际中还可根据可接受的冗余量来选择其它技 术改进该 电力线通信系统 ， 未来可考 虑加入 O F D M 等技术， 使通信系统的有效性和可靠性进一步提升。 算法的修正过程只包含简单的算术和逻辑运算， 便 于 F P G A实现。文 中方案提供的结构与常用 的部分 并行译码结构相 比， 节省 了大量硬件资源 。经软硬 件仿真验证 ， 硬件 B P实现结构性能接近浮点 B P算 法 ， 能应用于电力线通信等信噪比较低的传输领域。 参 考 文 献 1 陈吉 占 ， 袁康， 殷福亮联合 L D P C 解码的宽带电力线信道噪声抑 制迭代方法 J 信号处理， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 1 5 0 4 1 5 1 0 - 1 08 - C HEN Zh e，YUAN Ka ng ，YI N F ul i a n l t e r a t i v e No i s e S u p p r e s s i o n Me t h o d Un it e d wi t h L DP C De c o d i n g i n Bm b an d P o we r L i n e Ch a n n e l J 1 J o u r n a l o f S i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 1 5 0 4 1 5 1 0 2 A 1 一 M a w a l i K S ， H u s s a i n Z M A d a p t i v e t h r e s h o l d c l i p p i n g f o r i m p u l s i v e n o i s e r e d u c t i o n i n OFDM b a s e d p o we r l i n e c o mmu n i c a t i o n s C T h e 2 0 0 9 I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n A d v a n c e d T e c h n o l o g i e s f o r Co mmu n i c a t i o n s ，Ha i P h o n g，Vi e t n a m ，2 0 0 9：4 34 8 3 Me n gi A，V i n c k A J H S u c c e s s i v e i mp u l s i v e n o i s e s u p p r e s s i o n i n O F D M C I E E E I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n P o w e r L i n e C o mm u n i - c a t i o n s a n d I t s Ap p l i c a t i o n s ，Ri o d e J a n e i ro，B r a z i l ，2 01 0： 333 7 4 K a n g J ， Hu a n g Q， Z h ang L，e t a1 Q u a s i c y c l i c L D P C c o d e s ：a n alg e b r a i c c o n s t r u c t i o n J I E E E T r ans a c t i o n s o n C o mm u n i c a t i o n s ， 2 0 1 0 5 8 ( 5 )： 1 3 8 31 3 9 6 5 S t e f a n o G a l l i ，A n n S c a g l i o n e ，Z h i f a n g Wa n g F o r t h e g r i d and t h r o u g h t h e g rid：t h e r o l e o f p o w e r l i n e c o mmu n i c a t io n s i n t h e s ma r t g ri d J p roc e e d i n g s o f t h eI E E E， 2 0 1 1 ， 9 9 ( 6 ) ： 9 9 81 0 2 7 6蔡丽萍 ，马晓伟 ，李俊红 基于电力线通信 的 L D P C码 分层译 码 算法研究 J 微电子学与计算机， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 2 5 1 2 8 CAI L ip i n g ，MA Xi a owe i ，L 1 J u nh o n g A S t u d y o f L DPC Co d e s L a y e r e d De c o d i n g Al g o rit h m o n P o we r L i n e Co mmu n i c a t i o n s J Mi c ro E l e c t r o n i c s C o m p u t e r ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 5 ) ：1 2 51 2 8 7 宋文妙 ，张建昕 基于电力线信道 的改进 L D P C码译码算法研究 J 微 电子学与计算机 ， 2 0 0 9， 2 6 ( 2 ) ：1 7 1 1 7 3 8 R o u i s s i F ，T l i l i F ，D e g a r d i n V，G h a z e l A，L i e n a r d MI m p u l s i v e n o i s e c an c e l l a t i o n b ase d o n z e ro i n s e rti o n t e c h n i q u e f o r h i g h b i t r a t e p o w e r l in e c o mm u n i c a t i o n s y s t e m T e l e c o m mu n i c a t i o n s f C 1 E E E I n t e ma t i o n a l Co n f e r e n c e o n T e l e c o mmun i c a t i o n s ，Ma r r a k e c h 2 0 0 9：2 7 628 0 Mo r o c c o， 9 R J Mc E l i e e e ， DJ C Ma c Ka y ， J F C h e n g T u r b o d e c o d in g a s a n i n s t anc e o f P e a r l s b e l i e f p r o p a g a t i o n al g o r i t h m J I E E E S e l e c t Ar e a s C o m mu n 1 9 9 8， 1 6 ( 2 ) ：1 4 01 5 2 1 0 K i m J ， R a ma mo o rt h y A， Mc L a u g h l i n S WT h e d e s i g n o f e ffic i e n t l y e n e o d a b l e r a t e c o m p a t i b l e L D P C c o d e s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o m mu n i c a t io n s ， 2 0 0 9 ， 5 7 ( 2) ： 3 6 5 3 7 5 作者简介： 章谦骅 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕 士研究生 ， 主要从 事无线 通 信系统与高性能信道编码方面的研究 。 Ema i l ： 1 21 0 8 0 01 4 h d u e d u c n 章坚武( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 博 士后 ， 教授 ， 博导 ， 主要研究 方向为无线通信与网络信号处理。 收稿 13 期： 2 0 1 4 0 1 2 0 ； 修回日 期 ： 2 0 1 4 - 0 3 0 5 ( 杜景飞编发) 工 卫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m