LDPC译码器的FPGA实现

应用笔记 V0.0 2015/3/17

LDPC译码器的FPGA实现

 

概述	本文将介绍LDPC译码器的FPGA实现，译码器设计对应CCSDS131x1o1s文档中提到的适用于深空通信任务的LDPC编码。本文档将简述Verilog代码的基本结构和信号说明。

修订历史	以下表格展示了本文档的修订过程 日期 版本号 修订内容 2015/03/16 V1.0 初始版本，ISim仿真基本正确

 

简介

本文中FPGA实现特指通过Verilog HDL实现LDPC译码器功能，然而对于VHDL来说也似类似的的。Verilog HDL不像MATLAB代码那样有很强的通用性，或者说我暂时编不出通用性太好的代码。因此，这里的FPGA实现仅针对CCSDS文档（06版）中1024信息位1/2码率的适用于深空通信LDPC码，采用最小和算法下的实现。由于在截位补零下最小和算法性能奇差，因此此处不做补零处理，即码率实际为0.4。 LDPC相关文档包括《程序说明：LDPC编码（CCSDS）算法概述》、《程序说明：LDPC译码算法概述》、《学习笔记：LDPC编译码基本原理》以及《CCSDS_LDPC_V1》（代码），同时与本文档同名的学习笔记将阐述编程过程和思路，均可作为本文档的参考。 译码器的输入输出至少应该包括以下信号 input clk;                //时钟 input rst;                //复位信号，高有效 input decode_start;    //开始译码信号，持续高电平一个clock有效 output output_ready;    //开始输出 output frame_error;    //输出结果不满足校验矩阵 output data_out;        //输出译码后数据 output busy;            //译码模块正在译码，此时不响应decode_start信号 对应应该有如下的状态 parameter IDLE = 5'b00001;            //空闲状态，等待译码 parameter VML_INIT = 5'b00010;        //初始化变量节点取值 parameter UML_UPDATE = 5'b00100;        //更新校验节点，同时计算校验方程 parameter VML_UPDATE = 5'b01000;        //更新变量节点 parameter DECODER_END = 5'b10000;    //输出译码结果 下文将具体叙述程序结构和信号说明。

程序结构

图 1 程序结构图   顶层模块为decoder_top，以下具体阐述各个模块和改进思路 图 2 状态机   这是decoder_top内唯一有意义的代码，输出5个状态，输入包括 decode_start vmlram_addra hrowram_addra frame_error MAX_ITER_NUM 这是状态机跳转的所有条件，第2、3个是可选择的，可以考虑替换掉，但这两个是很很方便的。   图 3 信道信息控制模块   通过state和umlram_addrb控制尝试inputram_addra对应输出不同的信息。输入umlram_addrb是必须的，因为需要控制在uml2vml中信道信息的输出。 显然这两个模块可以合成一个，不应该直接将InputRam放在decoder_top之下。 图 4 Vml寄存器写控制   vmlram写控制需要即控制vmlram_wea,dina,addra三路信号。针对不同阶段，vml的输入是不一样的，该模块起到了一个输入选择作用对inputram_douta,vmlram_updae_dina,decoded_data_check三个信号进行处理，同时根据state不同产生写入地址。模块设计较为合理。   图 5 vml2uml模块   这个模块还包括了hrowram、vml2uml_caculate和check_data三个部分。模块完成了decoded_data的校验和vmlram_doutb到变量节点的更新。输出的hrowram_addra作为了state和uml地址生成的控制（挺方便，是否合适，有无更好选择？），hrowram_douta用于生成uml的写地址。 图 6 umlram_write_control模块   umlram_write_control模块控制产生uml写地址，为什么没有写数据，因为vml2uml模块的输出直接连接到ram上面去了。写地址和使能通过hrowram_addra和hrowram_douta控制产生。 图 7 uml2vml模块 变量节点更新模块技术按vml更新值即vmlram_update_dina和decoded_data_check.

信号说明

Decoder_top顶层控制模块   表格 1 decoder_top模块信号说明 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 decode_start input 开始译码信号，持续高电平一个clock有效 optput_ready output 开始输出 frame_error output 输出结果不满足校验矩阵 data_out output 输出译码后数据 busy output,reg         译码模块正在译码，此时不响应decode_start信号 state reg[4:0] 状态寄存器 MAX_ITER_NUM reg[7:0] 最大迭代次数 vmlram_update_dina wire[7:0] vml更新过程中的数据输入 decoded_data_check wire 待校验的译码结果 inputram_addra wire[11:0] 被译码数据地址控制 inputram_douta wire[7:0] 被译码数据输出 hrowram_addra wire[12:0] 行列地址转化ROM地址 hrowram_douta wire[12:0] 作为vml_addrb的输入 vmlram_addra wire[12:0] 变量存储器写地址 vmlram_dina wire[8:0] 变量存储器写输入 vmlram_doutb wire[7:0] 变量存储器写输出 decoded_data wire 也存在变量存储器的译码结果 vmlram_wea wire 变量存储器写使能 umlram_addra wire[12:0] 校验存储器写地址 umlram_addrb wire[12:0] 校验存储器读地址 umlram_dina wire[7:0] 校验存储器写数据 umlram_doutb wire[7:0] 校验存储器读数据 umlram_wea wire 校验存储器写使能   Inputram_control：根据输入产生inputram的地址控制   表格 2 inputram_control控制模块信号说明 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 umlram_addrb input[12:0] 校验存储器读地址 state input[4:0] 状态寄存器 inputram_addra output[11:0],reg[11:0] 被译码数据地址控制 input_count reg[2:0] 地址更新计数器 input_count_max reg[2:0] 最大计数次数控制 input_init_addr reg[11:0] VML_INIT状态下inputram_addra地址 input_update_addr reg[11:0] VML_UPDATA状态下inputram_addra地址   Vmlram_write_control: vml寄存器写控制，通过输入inputram_douta, vmlram_update_dina等信息自动判断输出写地址、写使能和数据。   表格 3 vmlram_write_control模块的信号说明 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 inputram_douta input[7:0] VML下数据输入 state input[4:0] 状态 vmlram_update_dina input[7:0] vml更新过程中的数据输入 decoded_data_check input 待校验的译码结果 vmlram_addra output[12:0] ,reg[12:0] 略 vmlram_dina output[8:0], reg[8:0] 略 vmlram_wea output, reg 略 vmlram_init_addra reg[12:0] 略 addr_update_count reg[1:0] VML_UPDATE下实际上是要对地址做延迟的，这是控制延迟的寄存器 vmlram_update_addra reg[12:0] 略 vmlram_init_addratemp reg[12:0] 这个是开始数错了时钟周期，添加一个clk延时 vmlram_update_addratemp reg[12:0] 这个是开始数错了时钟周期，添加一个clk延时     Vml2uml: 接收vml读出的数据，处理后写入uml中。同时完成校验伴随式的计算 Vml2uml包含了以下几个模块： hrowram vml2uml_caculate check_data   信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 state input[4:0] 状态信息 decoded_data input   vmlram_doutb input[7:0]   hrowram_addra output[12:0], reg[12:0]   hrowram_douta output[12:0], wire[12:0]   umlram_dina output[7:0]   frame_error output 输出帧错误指示 vmltempcount reg[2:0] 计算是三个一更新还是六个   Vml2uml_calculate.v 校验节点更新的计算部分内容 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 state input[4:0] 状态信息 vmltempcount input[2:0] 计算是三个一更新还是六个 vmlram_doutb input[7:0] vmlram输出 umlram_dina output[7:0],reg[7:0] umlram输入 vmlmark reg 每组计算出符号 vmltemp reg[47:0] 缓存6个clock的vmlram输出 vmltempmark reg[5:0] 缓存6个clock的vmlram输出符号 vmlmin1 reg[7:0] 最小值计算 vmlmin2 reg[7:0] 次小值计算 vmlmin1temp reg[7:0] 缓存最小值计算结果 vmlmin2temp reg[7:0] 缓存次小值计算结果 vmltempcomp reg[7:0] 取出用于比较的vml输出（绝对值） vmlMarkcomp reg 缓存符号计算结果 vmltempmarkcomp reg 取出用于比较的vml符号 vmlram_doutb_inv wire[7:0] 负数取绝对值 check_data.v 计算是否满足校验方程 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 state input[4:0] 状态信息 vmltempcount input[2:0] 计算是三个一更新还是六个 decoded_data input 待校验数据 hrowram_addra input[12:0] 校验起始控制 frame_error output, reg 帧错误指示 sum_mod2 reg 计算模二和   Umlram_write_control.v: uml寄存器写控制 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 hrowram_douta input[12:0] hrowram输出，用于生成umlram地址 hrowram_addra input[12:0] hrowram地址，计数判断 umlram_addra output[12:0], reg[12:0] 生成的umlram地址 umlram_wea output,reg umlram使能信号 hrowram_douta_temp reg[116:0] 存储hrowram输出，延时生成umlram地址   Uml2vml.v: 校验节点到变量节点更新，同时生成译码后结果 信号 类型 功能 clk input 时钟 rst input 复位信号，高有效 state input[4:0] 略 umlram_doutb input[7:0] 略 inputram_douta input[7:0] 略 umlram_addrb output[12:0] 略 vmlram_update_dina output[7:0] 略 decoded_data_check output 略 umltempcount reg[2:0] 判断uml延迟 umltemp reg[47:0] uml输出缓存 umlsum reg[10:0] uml输出求和 umlsumtemp reg[10:0] 缓存求和结果 vmltempcount_max reg[2:0] 控制此时几个数据做一次操作 vmltempcount reg[2:0] 控制此时几个数据做一次操作 vmlram_update_dina reg[7:0] vml需要写入的数据 umltempsub reg[7:0] 做减法的uml取值 umltempsub_delay reg[2:0] uml取值延时控制 vmltempcount_maxtemp reg[2:0] uml取值延时控制

改进	模块划分是否合理？ 功能实现是否足够合适？ 存储器设计显然不够合理，都是8bit。 参考他人毕业论文的模块化方法。 了解并行、部分并行的方法 完成输入输出部分模块的设计。 完成整个硬件仿真平台的思路构想。

参考

代码