电力线通信中LDPC译码器的优化设计与实现.pdf
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1、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。
2、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
3、 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
4、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
5、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
6、 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
7、 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
8、 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、 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
15、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
16、 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
17、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
18、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 ) =
19、 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
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- 关 键 词:
- 电力线 通信 LDPC 译码器 优化 设计 实现
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