Joint optimization of LDPC codes and decoders architectures, and FPGA implementation.
Optimisation conjointe de codes LDPC et de leurs architectures de décodage et mise en œuvre sur FPGA
Résumé
The introduction of Turbo-codes in the early 90's and, more generally the iterative principle, has deeply modified the methods for the design of communication systems. This breakthrough has also resurrected the Low Density Parity Check (LDPC) codes invented by R. Gallager in 1963. Advanced channel coding techniques such as Turbo-codes and LDPC, are now increasingly considered for introduction into communication systems and standards. This evolution towards industrialization motivates the definition of new flexible and efficient decoding architecture for LDPC codes. In this thesis, we focus our research on the iterative decoding of LDPC codes and their hardware implementation.
We first introduce basic concepts and notations for LDPC codes, which are necessary for a good comprehension. This introduction underlines the interest of jointly designing codes, decoding algorithm and architecture. From this perspective, a family of LDPC codes is described. We define some design rules to constrain the distance spectrum of the code. These constraints are introduced into a new algorithm for the design of the code working on a compact representation of the code graph.
A new decoding algorithm is also defined, taking advantage of the intrinsic properties of the code structure. Convergence of the decoding algorithm is increased compared to classical decoding algorithm for LDPC codes. Performance and flexibility of this algorithm is discussed. Different architectures are then described and studied. Some constraints on the codes are derived to target an architecture.
The last part of the thesis illustrates the implementation of one of the architectures discussed into a field-programmable gate array (FPGA). Performance and complexity measures are presented for various contexts, showing the interest of the concept for all these cases.
We first introduce basic concepts and notations for LDPC codes, which are necessary for a good comprehension. This introduction underlines the interest of jointly designing codes, decoding algorithm and architecture. From this perspective, a family of LDPC codes is described. We define some design rules to constrain the distance spectrum of the code. These constraints are introduced into a new algorithm for the design of the code working on a compact representation of the code graph.
A new decoding algorithm is also defined, taking advantage of the intrinsic properties of the code structure. Convergence of the decoding algorithm is increased compared to classical decoding algorithm for LDPC codes. Performance and flexibility of this algorithm is discussed. Different architectures are then described and studied. Some constraints on the codes are derived to target an architecture.
The last part of the thesis illustrates the implementation of one of the architectures discussed into a field-programmable gate array (FPGA). Performance and complexity measures are presented for various contexts, showing the interest of the concept for all these cases.
La découverte dans les années 90 des Turbo-codes et, plus généralement du principe itératif appliqué au traitement du signal, a révolutionné la manière d'appréhender un système de communications numériques. Cette avancée notable a permis la re-découverte des codes correcteurs d'erreurs inventés par R. Gallager en 1963, appelés codes Low Density Parity Check (LDPC). L'intégration des techniques de codage dites avancées, telles que les Turbo-codes et les codes LDPC, se généralise dans les standards de communications. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier de nouvelles structures de codage de type LDPC associées à des architectures de décodeurs alliant performances et flexibilité.
Dans un premier temps, une large présentation des codes LDPC est proposée incluant les notations et les outils algorithmiques indispensables à la compréhension. Cette introduction des codes LDPC souligne l'intérêt qu'il existe à concevoir conjointement le système de codage/décodage et les architectures matérielles. Dans cette optique, une famille de codes LDPC particulièrement intéressante est décrite. En particulier nous proposons des règles de construction de codes pour en contraindre le spectre des distances de Hamming. Ces contraintes sont intégrées dans la définition d'un nouvel algorithme de définition de codes travaillant sur une représentation compressée du code par un graphe.
Les propriétés structurelles du code sont ensuite exploitées pour définir l'algorithme de décodage. Cet algorithme, caractérisé par le fait qu'il considère une partie du code comme un code convolutif, converge plus rapidement que les algorithmes habituellement rencontrés tout en permettant une grande flexibilité en termes de rendements de codage. Différentes architectures de décodeurs sont alors décrites et discutées. Des contraintes sur les codes sont ensuite exposées pour exploiter pleinement les propriétés des architectures.
Dans un dernier temps, une des architectures proposées est évaluée par l'intégration d'un décodeur sur un composant programmable. Dans différents contextes, des mesures de performances et de complexité montrent l'intérêt de l'architecture proposée.
Dans un premier temps, une large présentation des codes LDPC est proposée incluant les notations et les outils algorithmiques indispensables à la compréhension. Cette introduction des codes LDPC souligne l'intérêt qu'il existe à concevoir conjointement le système de codage/décodage et les architectures matérielles. Dans cette optique, une famille de codes LDPC particulièrement intéressante est décrite. En particulier nous proposons des règles de construction de codes pour en contraindre le spectre des distances de Hamming. Ces contraintes sont intégrées dans la définition d'un nouvel algorithme de définition de codes travaillant sur une représentation compressée du code par un graphe.
Les propriétés structurelles du code sont ensuite exploitées pour définir l'algorithme de décodage. Cet algorithme, caractérisé par le fait qu'il considère une partie du code comme un code convolutif, converge plus rapidement que les algorithmes habituellement rencontrés tout en permettant une grande flexibilité en termes de rendements de codage. Différentes architectures de décodeurs sont alors décrites et discutées. Des contraintes sur les codes sont ensuite exposées pour exploiter pleinement les propriétés des architectures.
Dans un dernier temps, une des architectures proposées est évaluée par l'intégration d'un décodeur sur un composant programmable. Dans différents contextes, des mesures de performances et de complexité montrent l'intérêt de l'architecture proposée.
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