Architectures for soft-decision decoding of non-binary codes

En esta tesis se estudia el dise¿no de decodificadores no-binarios para la correcci'on de errores en sistemas de comunicaci'on modernos de alta velocidad. El objetivo es proponer soluciones de baja complejidad para los algoritmos de decodificaci'on basados en los c'odigos de comprobaci'on de paridad de baja densidad no-binarios (NB-LDPC) y en los c'odigos Reed-Solomon, con la finalidad de implementar arquitecturas hardware eficientes. En la primera parte de la tesis se analizan los cuellos de botella existentes en los algoritmos y en las arquitecturas de decodificadores NB-LDPC y se proponen soluciones de baja complejidad y de alta velocidad basadas en el volteo de s'¿mbolos. En primer lugar, se estudian las soluciones basadas en actualizaci'on por inundaci 'on con el objetivo de obtener la mayor velocidad posible sin tener en cuenta la ganancia de codificaci'on. Se proponen dos decodificadores diferentes basados en clipping y t'ecnicas de bloqueo, sin embargo, la frecuencia m'axima est'a limitada debido a un exceso de cableado. Por este motivo, se exploran algunos m'etodos para reducir los problemas de rutado en c'odigos NB-LDPC. Como soluci'on se propone una arquitectura basada en difusi'on parcial para algoritmos de volteo de s'¿mbolos que mitiga la congesti'on por rutado. Como las soluciones de actualizaci 'on por inundaci'on de mayor velocidad son sub-'optimas desde el punto de vista de capacidad de correci'on, decidimos dise¿nar soluciones para la actualizaci'on serie, con el objetivo de alcanzar una mayor velocidad manteniendo la ganancia de codificaci'on de los algoritmos originales de volteo de s'¿mbolo. Se presentan dos algoritmos y arquitecturas de actualizaci'on serie, reduciendo el 'area y aumentando de la velocidad m'axima alcanzable. Por 'ultimo, se generalizan los algoritmos de volteo de s'¿mbolo y se muestra como algunos casos particulares puede lograr una ganancia de codificaci'on cercana a los algoritmos Min-sum y Min-max con una menor complejidad. Tambi'en se propone una arquitectura eficiente, que muestra que el 'area se reduce a la mitad en comparaci'on con una soluci'on de mapeo directo. En la segunda parte de la tesis, se comparan algoritmos de decodificaci'on Reed- Solomon basados en decisi'on blanda, concluyendo que el algoritmo de baja complejidad Chase (LCC) es la soluci'on m'as eficiente si la alta velocidad es el objetivo principal. Sin embargo, los esquemas LCC se basan en la interpolaci'on, que introduce algunas limitaciones hardware debido a su complejidad. Con el fin de reducir la complejidad sin modificar la capacidad de correcci'on, se propone un esquema de decisi'on blanda para LCC basado en algoritmos de decisi'on dura. Por 'ultimo se dise¿na una arquitectura eficiente para este nuevo esquemaGarcía Herrero, FM. (2013). Architectures for soft-decision decoding of non-binary codes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33753TESISPremiad

Parallelization of the interpolation process in the Koetter-Vardy soft-decision list decoding algorithm

List decoding is a decoding strategy that provides a set of codewords at the output of the channel decoder. Since this technique corrects errors beyond the correcting bound of the code, upper layers in the application or in the communications protocol can choose the appropriate candidate codeword among the elements of the set. The Koetter-Vardy algorithm is a soft-decision decoding algorithm for Reed-Solomon codes. It is based on two sequential processes: interpolation and factorization. In most applications it is interesting to efficiently decode in real time. This paper discusses some parallelization results about the interpolation process, which is the highest time-consuming part of the Koetter-Vardy algorithm.Postprint (published version

Error-correction coding for high-density magnetic recording channels.

Finally, a promising algorithm which combines RS decoding algorithm with LDPC decoding algorithm together is investigated, and a reduced-complexity modification has been proposed, which not only improves the decoding performance largely, but also guarantees a good performance in high signal-to-noise ratio (SNR), in which area an error floor is experienced by LDPC codes.The soft-decision RS decoding algorithms and their performance on magnetic recording channels have been researched, and the algorithm implementation and hardware architecture issues have been discussed. Several novel variations of KV algorithm such as soft Chase algorithm, re-encoded Chase algorithm and forward recursive algorithm have been proposed. And the performance of nested codes using RS and LDPC codes as component codes have been investigated for bursty noise magnetic recording channels.Future high density magnetic recoding channels (MRCs) are subject to more noise contamination and intersymbol interference, which make the error-correction codes (ECCs) become more important. Recent research of replacement of current Reed-Solomon (RS)-coded ECC systems with low-density parity-check (LDPC)-coded ECC systems obtains a lot of research attention due to the large decoding gain for LDPC-coded systems with random noise. In this dissertation, systems aim to maintain the RS-coded system using recent proposed soft-decision RS decoding techniques are investigated and the improved performance is presented

NASA Space Engineering Research Center for VLSI systems design

This annual review reports the center's activities and findings on very large scale integration (VLSI) systems design for 1990, including project status, financial support, publications, the NASA Space Engineering Research Center (SERC) Symposium on VLSI Design, research results, and outreach programs. Processor chips completed or under development are listed. Research results summarized include a design technique to harden complementary metal oxide semiconductors (CMOS) memory circuits against single event upset (SEU); improved circuit design procedures; and advances in computer aided design (CAD), communications, computer architectures, and reliability design. Also described is a high school teacher program that exposes teachers to the fundamentals of digital logic design

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI

Estudio e Implementación eficiente de la decodificación de lista para códigos Reed-Solomon

[ES] En este trabajo se ha realizado un estudio de la teoría asociada a la decodificación de lista y a los códigos Reed-Solomon, así como de los algoritmos que llevan a cabo esa decodificación y de la teoría asociada a ellos. Posteriormente se ha realizado una implementació de esta decodificación en la cual se ha realizado un esfuerzo por conseguir eficiencia en su ejecución.[EN] Reed-Solomon codes are widely used in current digital communication systems and its e cient decoding is interesting for practical applications. The mplemented decoding algorithm in this work is a list decoding strategy where the radius of decoding is increased so we can has a list o possible codewords in the output of the decoder. Guruswami-Sudan algorithm implements the list decoding for Reed-Solomon codes and Koetter-Vardy algorithm is an extension of the previous that incorporate soft decoding. Both are based on two sequentially processes: interpolation and factorization. The Koetter-Vardy algorithm has been implemented in <sequentially and then optimized and parallelized. At the end we discuss the results of the work.Simarro Haro, MDLA. (2012). Estudio e Implementación eficiente de la decodificación de lista para códigos Reed-Solomon. http://hdl.handle.net/10251/27275.Archivo delegad

The application of forward error correction techniques in wireless ATM

Bibliography: pages 116-121.The possibility of providing wireless access to an ATM network promises nomadic users a communication tool of unparalleled power and flexibility. Unfortunately, the physical realization of a wireless A TM system is fraught with technical difficulties, not the least of which is the problem of supporting a traditional ATM protocol over a non-benign wireless link. The objective of this thesis, titled "The Application of Forward Error Correction Techniques in Wireless ATM' is to examine the feasibility of using forward error correction techniques to improve the perceived channel characteristics to the extent that the channel becomes transparent to the higher layers and allows the use of an unmodified A TM protocol over the channel. In the course of the investigation that this dissertation describes, three possible error control strategies were suggested for implementation in a generic wireless channel. These schemes used a combination of forward error correction coding schemes, automatic repeat request schemes and interleavers to combat the impact of bit errors on the performance of the link. The following error control strategies were considered : 1. A stand alone fixed rate Reed-Solomon encoder/decoder with automatic repeat request. 2. A concatenated Reed-Solomon, convolution encoder/decoder with automatic request and convolution interleaving for the convolution codec. 3. A dynamic rate encoder/decoder using either a concatenated Reed-Solomon, convolution scheme or a Reed-Solomon only scheme with variable length Reed-Solomon words

Implementation of WiMAX physical layer baseband processing blocks in FPGA

This project thesis elaborates on designing a baseband processing blocks for Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) physical layer using an FPGA. WiMAX provides broadband wireless access and uses OFDM as the essential modulation technique. The channel performance is badly affected due to synchronization mismatches between the transmitter and receiver ends so the transmitted signal received is not reliable as the OFDM deals with high data rate. This thesis includes the theory and concepts behind OFDM, WiMAX IEEE 802.16d standard and other blocks algorithms, its architectures used for designing as well as a presentation of how they are implemented. Here Altera’s FPGA has been used for targeting to the EP4SGX70HF35C2 device of the Stratix IV family. WiMAX use sophisticated digital signal processing techniques, which typically require a large number of mathematical computations. Here Stratix IV devices are ideally suited for these kinds of complex tasks because the DSP blocks have a combination of dedicated elements that perform multiplication, addition, subtraction, accumulation, summation, and dynamic shift operations. The WiMAX physical layer baseband processing architecture consists of various major modules which were simulated block wise in order to check its giving the correct output as required. The coding style used here is VHDL. The sub-blocks have been synthesized using Altera Quartus II v11. 0 and simulated using ModelSim Altera Edition 6.6d

A Flexible BCH decoder for Flash Memory Systems using Cascaded BCH codes

NAND ash memories are widely used in consumer electronics, such as tablets, personal computers, smartphones, and gaming systems. However, unlike other standard storage devices, these ash memories suffer from various random errors. In order to address these reliability issues, various error correction codes (ECC) are employed. Bose-Chaudhuri Hocquenghem (BCH) code is the most common ECC used to address the errors in modern ash memories. Because of the limitation of the realization of the BCH codes for more extensive error correction, the modern ash memory devices use Low-density parity-check (LDPC) codes for error correction scheme. The realization of the LDPC decoders have greater complexity than BCH decoders, so these ECC decoders are implemented within the ash memory device. This thesis analyzes the limitation imposed by the state of the art implementation of BCH decoders and proposes a cascaded BCH code to address these limitations. In order to support a variety of ash memory devices, there are three main challenges to be addressed for BCH decoders. First, the latency of the BCH decoders, in the case of no error scenario, should be less than 100us. Second, there should be flexibility in supporting different ECC block size; more precisely, the solution should be able to support 256, 512, 1024, and 2048 bytes of ECC block. Third, there should be flexibility in supporting different bit errors. A recent development with Graphical Processing Units (GPUs) has attracted many researchers to use GPUs for non-graphical implementation. These GPUs are used in many consumer electronics as part of the system on chip (SOC) configuration. In this thesis we studied the limitation imposed by different implementations (VLSI, GPU, and CPU) of BCH decoders, and we propose a cascaded BCH code implemented using a hybrid approach to overcome the limitations of the BCH codes. By splitting the implementation across VLSI and GPUs, we have shown in this thesis that this method can provide flexibility over the block size and the bit error to be corrected