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。

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。

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