GF(q) LDPC encoder and decoder FPGA implementation using group shuffled belief propagation algorithm

This paper presents field programmable gate array (FPGA) exercises of the GF(q) low-density parity-check (LDPC) encoder and interpreter utilizing the group shuffled belief propagation (GSBP) algorithm are presented in this study. For small blocks, non-dual LDPC codes have been shown to have a greater error correction rate than dual codes. The reduction behavior of non-binary LDPC codes over GF (16) (also known as GF(q)-LDPC codes) over the additive white Gaussian noise (AWGN) channel has been demonstrated to be close to the Shannon limit and employs a short block length (N=600 bits). At the same time, it also provides a non-binary LDPC (NB-LDPC) code set program. Furthermore, the simplified bubble check treasure event count is implemented through the use of first in first out (FIFO), which is based on an elegant design. The structure of the interpreter and the creation of the residential area he built were planned in very high speed integrated circuit (VHSIC) hardware description language (VHDL) and simulated in MODELSIM 6.5. The combined output of the Cyclone II FPGA is combined with the simulation output

Design of a GF(64)-LDPC Decoder Based on the EMS Algorithm

International audienceThis paper presents the architecture, performance and implementation results of a serial GF(64)-LDPC decoder based on a reduced-complexity version of the Extended Min-Sum algorithm. The main contributions of this work correspond to the variable node processing, the codeword decision and the elementary check node processing. Post-synthesis area results show that the decoder area is less than 20% of a Virtex 4 FPGA for a decoding throughput of 2.95 Mbps. The implemented decoder presents performance at less than 0.7 dB from the Belief Propagation algorithm for different code lengths and rates. Moreover, the proposed architecture can be easily adapted to decode very high Galois Field orders, such as GF(4096) or higher, by slightly modifying a marginal part of the design

An Improved Throughput for Non-Binary Low-Density-Parity-Check Decoder

Low-Density-Parity-Check (LDPC) based error control decoders find wide range of application in both storage and communication systems, because of the merits they possess which include high appropriateness towards parallelization and excellent performance in error correction. Field-Programmable Gate Array (FPGA) has provided a robust platform in terms of parallelism, resource allocation and excellent performing speed for implementing non-binary LDPC decoder architectures. This paper proposes, a high throughput LDPC decoder through the implementation of fully parallel architecture and a reduction in the maximum iteration limit, needed for complete error correction. A Galois field of eight was utilized alongside a non-uniform quantization scheme, resulting in fewer bits per Log Likelihood Ratio (LLR) for the implementation. Verilog Hardware Description Language (HDL) was used in the description of the non-binary error control decoder. The propose decoder attained a throughput of 10Gbps at 400-MHz clock frequency when synthesized on a ZYNQ 7000 Series FPGA

An efficient NB-LDPC decoder architecture for space telecommand links

In the framework of error correction in space telecommand (TC) links, the Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) currently recommends short block-length BCH and binary low-density parity-check (LDPC) codes. Other alternatives have been discarded due to their high decoding complexity, such as non-binary LDPC (NB-LDPC) codes. NB-LDPC codes perform better than their binary counterparts over AWGN and jamming channels, being great candidates for space communications. We show the feasibility of NB-LDPC coding for space TC applications by proposing a highly efficient decoding architecture. The proposed decoder is implemented for a (128,64) NB-LDPC code over GF(16) and the design is particularized for a space-certified Virtex-5QV FPGA. The results prove that NB-LDPC coding is an alternative that outperforms the standardized binary LDPC, with a coding gain of 0.7 dB at a reasonable implementation cost. Given that the maximum rate for TC recommended by the CCSDS is 2 Mbps, the proposed architecture achieves a throughput of 2.03 Mbps using only 9615 LUTs and 5637 FFs (no dedicated memories are used). In addition, this architecture is suitable for any regular (2,4) NB-LDPC (128,64) code over GF(16) independently of the H matrix, allowing flexibility in the choice of the code. This brief places NB-LDPC codes as the excellent candidates for future versions of the telecommand uplink standard.This work was supported by Spanish MICINN/AEI under Project TEC2017-86722-C4-3-R

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

VLSI algorithms and architectures for non-binary-LDPC decoding

Tesis por compendio[EN] This thesis studies the design of low-complexity soft-decision Non-Binary Low-Density Parity-Check (NB-LDPC) decoding algorithms and their corresponding hardware architectures suitable for decoding high-rate codes at high throughput (hundreds of Mbps and Gbps). In the first part of the thesis the main aspects concerning to the NB-LDPC codes are analyzed, including a study of the main bottlenecks of conventional softdecision decoding algorithms (Q-ary Sum of Products (QSPA), Extended Min-Sum (EMS), Min-Max and Trellis-Extended Min-Sum (T-EMS)) and their corresponding hardware architectures. Despite the limitations of T-EMS algorithm (high complexity in the Check Node (CN) processor, wiring congestion due to the high number of exchanged messages between processors and the inability to implement decoders over high-order Galois fields due to the high decoder complexity), it was selected as starting point for this thesis due to its capability to reach high-throughput. Taking into account the identified limitations of the T-EMS algorithm, the second part of the thesis includes six papers with the results of the research made in order to mitigate the T-EMS disadvantages, offering solutions that reduce the area, the latency and increase the throughput compared to previous proposals from literature without sacrificing coding gain. Specifically, five low-complexity decoding algorithms are proposed, which introduce simplifications in different parts of the decoding process. Besides, five complete decoder architectures are designed and implemented on a 90nm Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology. The results show an achievement in throughput higher than 1Gbps and an area less than 10 mm2. The increase in throughput is 120% and the reduction in area is 53% compared to previous implementations of T-EMS, for the (837,726) NB-LDPC code over GF(32). The proposed decoders reduce the CN area, latency, wiring between CN and Variable Node (VN) processor and the number of storage elements required in the decoder. Considering that these proposals improve both area and speed, the efficiency parameter (Mbps / Million NAND gates) is increased in almost five times compared to other proposals from literature. The improvements in terms of area allow us to implement NB-LDPC decoders over high-order fields which had not been possible until now due to the highcomplexity of decoders previously proposed in literature. Therefore, we present the first post-place and route report for high-rate codes over high-order fields higher than Galois Field (GF)(32). For example, for the (1536,1344) NB-LDPC code over GF(64) the throughput is 1259Mbps occupying an area of 28.90 mm2. On the other hand, a decoder architecture is implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA) device achieving 630 Mbps for the high-rate (2304,2048) NB-LDPC code over GF(16). To the best knowledge of the author, these results constitute the highest ones presented in literature for similar codes and implemented on the same technologies.[ES] En esta tesis se aborda el estudio del diseño de algoritmos de baja complejidad para la decodificación de códigos de comprobación de paridad de baja densidad no binarios (NB-LDPC) y sus correspondientes arquitecturas apropiadas para decodificar códigos de alta tasa a altas velocidades (cientos de Mbps y Gbps). En la primera parte de la tesis los principales aspectos concernientes a los códigos NB-LDPC son analizados, incluyendo un estudio de los principales cuellos de botella presentes en los algoritmos de decodificación convencionales basados en decisión blanda (QSPA, EMS, Min-Max y T-EMS) y sus correspondientes arquitecturas hardware. A pesar de las limitaciones del algoritmo T-EMS (alta complejidad en el procesador del nodo de chequeo de paridad (CN), congestión en el rutado debido al intercambio de mensajes entre procesadores y la incapacidad de implementar decodificadores para campos de Galois de orden elevado debido a la elevada complejidad), éste fue seleccionado como punto de partida para esta tesis debido a su capacidad para alcanzar altas velocidades. Tomando en cuenta las limitaciones identificadas en el algoritmo T-EMS, la segunda parte de la tesis incluye seis artículos con los resultados de la investigación realizada con la finalidad de mitigar las desventajas del algoritmo T-EMS, ofreciendo soluciones que reducen el área, la latencia e incrementando la velocidad comparado con propuestas previas de la literatura sin sacrificar la ganancia de codificación. Especificamente, cinco algoritmos de decodificación de baja complejidad han sido propuestos, introduciendo simplificaciones en diferentes partes del proceso de decodificación. Además, arquitecturas completas de decodificadores han sido diseñadas e implementadas en una tecnologia CMOS de 90nm consiguiéndose una velocidad mayor a 1Gbps con un área menor a 10 mm2, aumentando la velocidad en 120% y reduciendo el área en 53% comparado con previas implementaciones del algoritmo T-EMS para el código (837,726) implementado sobre campo de Galois GF(32). Las arquitecturas propuestas reducen el área del CN, latencia, número de mensajes intercambiados entre el nodo de comprobación de paridad (CN) y el nodo variable (VN) y el número de elementos de almacenamiento en el decodificador. Considerando que estas propuestas mejoran tanto el área comola velocidad, el parámetro de eficiencia (Mbps / Millones de puertas NAND) se ha incrementado en casi cinco veces comparado con otras propuestas de la literatura. Las mejoras en términos de área nos ha permitido implementar decodificadores NBLDPC sobre campos de Galois de orden elevado, lo cual no habia sido posible hasta ahora debido a la alta complejidad de los decodificadores anteriormente propuestos en la literatura. Por lo tanto, en esta tesis se presentan los primeros resultados incluyendo el emplazamiento y rutado para códigos de alta tasa sobre campos finitos de orden mayor a GF(32). Por ejemplo, para el código (1536,1344) sobre GF(64) la velocidad es 1259 Mbps ocupando un área de 28.90 mm2. Por otro lado, una arquitectura de decodificador ha sido implementada en un dispositivo FPGA consiguiendo 660 Mbps de velocidad para el código de alta tasa (2304,2048) sobre GF(16). Estos resultados constituyen, según el mejor conocimiento del autor, los mayores presentados en la literatura para códigos similares implementados para las mismas tecnologías.[CA] En esta tesi s'aborda l'estudi del disseny d'algoritmes de baixa complexitat per a la descodificació de codis de comprovació de paritat de baixa densitat no binaris (NB-LDPC), i les seues corresponents arquitectures per a descodificar codis d'alta taxa a altes velocitats (centenars de Mbps i Gbps). En la primera part de la tesi els principals aspectes concernent als codis NBLDPC són analitzats, incloent un estudi dels principals colls de botella presents en els algoritmes de descodificació convencionals basats en decisió blana (QSPA, EMS, Min-Max i T-EMS) i les seues corresponents arquitectures. A pesar de les limitacions de l'algoritme T-EMS (alta complexitat en el processador del node de revisió de paritat (CN), congestió en el rutat a causa de l'intercanvi de missatges entre processadors i la incapacitat d'implementar descodificadors per a camps de Galois d'orde elevat a causa de l'elevada complexitat), este va ser seleccionat com a punt de partida per a esta tesi degut a la seua capacitat per a aconseguir altes velocitats. Tenint en compte les limitacions identificades en l'algoritme T-EMS, la segona part de la tesi inclou sis articles amb els resultats de la investigació realitzada amb la finalitat de mitigar els desavantatges de l'algoritme T-EMS, oferint solucions que redueixen l'àrea, la latència i incrementant la velocitat comparat amb propostes prèvies de la literatura sense sacrificar el guany de codificació. Específicament, s'han proposat cinc algoritmes de descodificació de baixa complexitat, introduint simplificacions en diferents parts del procés de descodificació. A més, s'han dissenyat arquitectures completes de descodificadors i s'han implementat en una tecnologia CMOS de 90nm aconseguint-se una velocitat major a 1Gbps amb una àrea menor a 10 mm2, augmentant la velocitat en 120% i reduint l'àrea en 53% comparat amb prèvies implementacions de l'algoritme T-EMS per al codi (837,726) implementat sobre camp de Galois GF(32). Les arquitectures proposades redueixen l'àrea del CN, la latència, el nombre de missatges intercanviats entre el node de comprovació de paritat (CN) i el node variable (VN) i el nombre d'elements d'emmagatzemament en el descodificador. Considerant que estes propostes milloren tant l'àrea com la velocitat, el paràmetre d'eficiència (Mbps / Milions deportes NAND) s'ha incrementat en quasi cinc vegades comparat amb altres propostes de la literatura. Les millores en termes d'àrea ens ha permès implementar descodificadors NBLDPC sobre camps de Galois d'orde elevat, la qual cosa no havia sigut possible fins ara a causa de l'alta complexitat dels descodificadors anteriorment proposats en la literatura. Per tant, nosaltres presentem els primers reports després de l'emplaçament i rutat per a codis d'alta taxa sobre camps finits d'orde major a GF(32). Per exemple, per al codi (1536,1344) sobre GF(64) la velocitat és 1259 Mbps ocupant una àrea de 28.90 mm2. D'altra banda, una arquitectura de descodificador ha sigut implementada en un dispositiu FPGA aconseguint 660 Mbps de velocitat per al codi d'alta taxa (2304,2048) sobre GF(16). Estos resultats constitueixen, per al millor coneixement de l'autor, els millors presentats en la literatura per a codis semblants implementats per a les mateixes tecnologies.Lacruz Jucht, JO. (2016). VLSI algorithms and architectures for non-binary-LDPC decoding [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73266TESISCompendi

FPGA accelerator of algebraic quasi cyclic LDPC codes for NAND flash memories

In this article, the authors implement an FPGA simulator that accelerates the performance evaluation of very long QC-LDPC codes, and present a novel 8-KB LDPC code for NAND flash memory with better performance