1基于CCSDS标准的LDPC码
根据CCSDS标准，近地通信适合采用LDPC（8176，7154）基码[3]，又称7/8码率LDPC码。这是一种QC-LDPC码，其校验矩阵由32个循环子矩阵构成。生成矩阵G为阶满秩矩阵，可对7154个信息比特编码，并输出8176位码字。由于目前信息处理系统多采用32位数据长度，而基矩阵生成的码字并非32的整数倍，因此在实际应用中广泛采用的是（8160，7136）缩短码。即输入7136信息比特，通过增加18位“0”的方式补齐7154位待编码数据，并在编码输出的8176比特中去掉补充的18位“0”信息。此时码字长度为8158，为符合信息处理系统的数据格式，需在末尾增加两位“0”补齐8160位。
1.1LDPC编码器功能
LDPC编码器的主要功能是接收前端数据流，进行LDPC编码，并将处理后数据分为I、Q两路送到调制器。其中，前端输入数据为完整组帧格式的数据，待编码数据为伪随机数据，帧头为CCSDS建议的1ACFFC1D，校验位部分预留为55CC，待编码后将校验位数据回填即可。考虑实际应用需求，编码器在设计时应采取相应措施并具有以下功能：（1）通过运算关键数据G矩阵系数直接烧录方式，对单粒子翻转免疫；（2）通过对输入数据格式的判断，在前端输入数据格式错误并恢复后具有自恢复功能；（3）接收数据帧格式错误时采用透明传输方式，维持数据链路不中断，同时使地面进行错误定位判断。LDPC编码器主要由前端数据接收、输入数据格式判断、有效数据提取、并行编码、组帧加扰及输出数据切换等单元组成，如图1所示。其中，clkin为输入数据对应时钟，din为四位并行输入数据，reset全局复位信号，可使程序恢复初始状态；clkout为输出数据对应时钟，dout为编码后两位并行输出数据。
1.2核心编码模块设计
并行编码单元作为整个编码器的核心部分，负责将输入待编码数据与G矩阵数据运算，得出对应校验信息数据，如图2所示。本模块输入接口为待编码数据、时钟和复位信号，输出接口为生成校验数据。G矩阵存储单元存储的是G矩阵中28个子矩阵对应首行的511bits数据，由控制单元产生控制信号，每次读取2个子矩阵首行数据暂存在移位寄存器中，每14次为一个循环。待14次循环结束后，该帧数据完成编码，产生的相应校验数据送入缓冲器，同时校验位寄存器清零，为下帧数据编码做好准备。
1.3AX2000芯片在本设计中的应用技巧
在做LDPC编码器设计时，除了符合常用设计规则外，AX2000芯片也有其自身特点，巧妙利用这些性能和特点，可以缓解速度和面积的矛盾，也能简化设计流程，提高设计性能[4]。1.3.1G矩阵存储由于LDPC编码器特殊的准循环运算方式，如果G矩阵14Kbits数据中出现1个比特的单粒子翻转，将会造成整个编码的错误。在本设计中，为确保G矩阵数据的可靠性，将其定义成常量直接连接电源或接地，确保不会发生单粒子翻转。1.3.2双端口RAM的应用AX2000芯片有丰富的RAM资源，每块RAM存储器有两个完全独立的端口A和B，两个端口可同时进行读和写操作，根据使用者的定义，可以配置端口A和端口B的数据宽度和地址宽度。由于输入端为4位数据并行输入，为实现QPSK调制，数据需分I、Q两路输出，传统寄存器实现并串变换对两路时钟沿口关系要求较高。通过双端口RAM可配置输入输出数据宽度方式实现并串变换，可以有效解决时钟沿口问题。1.3.3全局网络资源的应用AX2000芯片有4个HCLK和4个RCLK全局网络资源，其中HCLK用于时钟信号，有极强的驱动能力，可直接驱动任何时序逻辑的时钟输入端。RCLK除了用于时钟信号外，还可以驱动时序逻辑的复位引脚、使能引脚或组合逻辑任何输入引脚，这为程序的设计大大提供了便利。本设计中，除了将复位信号约束至RCLK外，还将其余三个高扇出信号约束至RCLK。大大减少高扇出信号的BUFF复制，既节省了资源，也减少了复制路径的时延，提高运算速度。
2测试结果
本设计采用的软件开发平台为Actel公司的Libero9.1版本软件，硬件平台采用Actel系列AX2000-FG896芯片，布局布线后，芯片资源占用率75%，约束后clkin时钟最高速率可到95MHz，clkout时钟最高速率可到202MHz。在高斯白噪声信道中，接收端译码前，QPSK调制在接收数据误码率为10-7量级的信噪比为11.3dB，如图3所示。受硬件条件限制，做桌面测试验证时，在300Mbps条件下进行，测试结果显示，当Eb/N0=4.1dB时，译码后的误码率可降低至10-7量级，如图4所示。计算可知，本文设计实现的LDPC编码样机取得了7.2dB的编码增益。
3结语
本文设计的LDPC编码器，基于CCSDS推荐标准，在反熔丝FPGA平台实现。测试结果显示：LDPC编码器逻辑功能正确，当误码率在10-7量级时，具有高达7.2dB的编码增益，采用反熔丝FPGA提高了卫星数传发射机抗辐射抗单粒子翻转的能力。
作者：田瑞甫 陆卫强 韩威 单位：上海航天电子技术研究所
