Fixed-point realization of fast nonlinear Fourier transform algorithm for FPGA implementation of optical data processing

The nonlinear Fourier transform (NFT) based signal processing has attracted considerable attention as a promising tool for fibre nonlinearity mitigation in optical transmission. However, the mathematical complexity of NFT algorithms and the noticeable distinction of the latter from the “conventional” (Fourier-based) methods make it difficult to adapt this approach for practical applications. In our work, we demonstrate a hardware implementation of the fast direct NFT operation: it is used to map the optical signal onto its nonlinear Fourier spectrum, i.e. to demodulate the data. The main component of the algorithm is the matrix-multiplier unit, implemented on field-programmable gate arrays (FPGA) and used in our study for the estimation of required hardware resources. To design the best performing implementation in limited resources, we carry out the processing accuracy analysis to estimate the optimal bit width. The fast NFT algorithm that we analyse, is based on the FFT, which leads to the O(N log^{2}_{2} N) method’s complexity for the signal consisting of N samples. Our analysis revealed the significant demand in DSP blocks on the used board, which is caused by the complex-valued matrix operations and FFTs. Nevertheless, it seems to be possible to utilise further the parallelisation of our NFT-processing implementation for the more efficient NFT hardware realisation

Conveyorized Implementation of ASWM Image Filter on PLD

The object of research is the adaptive switching weighted median image filter (ASWM) algorithm. This algorithm is one of the most effective in the field of impulse noise suppression. The computational complexity and algorithmic features of this adaptive nonlinear filter make it impossible to implement a filter that works in real time on modern PLD microcircuits. The most problematic areas of the algorithm are the weight coefficient estimation cycle, which has no limit on the number of iterations and contains a large number of division operations. This does not allow implementing the filter on PLDs with a sufficiently effective method. In the course of the research, the programming model of the filter in Python was used. The performance of the algorithm was assessed using the Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) and Structural Similarity Index Measure (SSIM) metrics. Modeling made it possible to find out empirically the number of iterations of the cycle for estimating the weight coefficients at different levels of noise density and to estimate the effect of artificial limitation of the maximum number of iterations on the filter performance. Regardless of the intensity of the noise impact, the algorithm performs less than 40 iterations of the evaluation cycle. Let's also simulate the operation of the algorithm with different variants of the division module implementation. The paper considers the main of them and offers the most optimal in terms of the ratio of accuracy/hardware costs for implementation. Thus, a modified algorithm was proposed that does not have these disadvantages. Thanks to modifications of the algorithm, it is possible to implement a pipelined ASWM image filter on modern PLDs. The filter is synthesized for the main families of Intel PLDs. The implementation, which is not inferior in terms of SSIM and PSNR metrics to the original algorithm, requires less than 65,000 FPGA logical cells and allows filtering of monochrome images with FullHD resolution at 48 frames/s at a clock frequency of 100 MHz

Модифікований алгоритм пошуку коренів полінома локаторів помилок при декодуванні БЧХ кодів

Modified algorithm for searching the roots of the error locators polynominal while decoding BCH codes / Krylova V. А., Тverytnykova, Е. Е., Vasylchenkov O. G., Kolisnyk T. P. // Radio Electronics, Computer Science, Control. – 2020. – № 3. – P. 150–157. – DOI: ttps://doi.org/10.15588/1607-3274-2020-3-14.Krylova V. А., Тverytnykova Е. Е., Vasylchenkov, O. G., & Kolisnyk, T. P. (2020). MODIFIED ALGORITHM FOR SEARCHING THE ROOTS OF THE ERROR LOCATORS POLYNOMINAL WHILE DECODING BCH CODES. Radio Electronics, Computer Science, Control, (3), 150–157. https://doi.org/10.15588/1607-3274-2020-3-14.Актуальність. У телекомунікаційних та інформаційних системах зв’язку з підвищеною шумовою складової використовуються перешкодостійкі циклічні БЧХ та коди Ріда-Соломона. Коригування та виправлення помилок в повідомленні вимагає ефективних методів декодування. Одним з етапів процедури декодування РС і БЧХ кодів для визначення позицій спотворень є пошук коренів полінома локаторів помилок. Обчислення коренів многочлена, особливо у кодів зі значною коректує здатністю, є трудомісткою завданням, що вимагає високої обчислювальної складності. Тому удосконалення методів декодування БЧХ і РС кодів, що дозволяють зменшити складність обчислень, є актуальним завданням. Мета роботи. Дослідження і синтез прискореного алгоритму пошуку коренів полінома локаторів помилок, представленого у вигляді афінного многочлена з коефіцієнтами в кінцевих полях, який дозволяє прискорити процес декодування БЧХ і РС кодів. Метод. Класичний метод пошуку коренів на базі алгоритму Ченя виконується за допомогою арифметики кінцевих полів Галуа і трудомісткість розрахунків, в даному випадку, залежить від кількості операцій додавання і множення. Для линеаризиваних поліномів процедура пошуку коренів, заснована на двійковій арифметиці та здійснюється з урахуванням значень отриманих на попередніх етапах обчислення, що забезпечує мінімальне число арифметичних операцій. Результати. Розроблено прискорений алгоритм обчислення значень полінома локаторів помилок у всіх точках кінцевого поля GF (2m) для линеаризированих многочленів на базі методу Берлекемпа-Мессі. Алгоритм містить мінімальну кількість операцій додавань, за рахунок використання на кожному етапі обчислень, значень отриманих на попередньому кроці, а також виконання складання в кінцевому полі GF(2). Запропоновано модифікований метод пошуку коренів для афінних поліномів над кінцевими полями, що дозволяє визначити позиції помилок в кодовому слові під час декодування циклічних БЧХ і РС кодів. Висновки. Наукова новизна роботи полягає в удосконаленні алгоритму обчислення коренів многочлена локаторів помилок, коефіцієнти якого належать до елементів кінцевого поля. При цьому спрощується процедура декодування циклічних БЧХ і РС кодів, за рахунок зниження обчислювальної складності одного з етапів декодування – знаходження позицій помилок з використанням модифікованого алгоритму Берлекемпа-Мессі. Дані факти підтверджені результатами програмного моделювання алгоритму пошуку коренів полінома локаторів помилок. Показано, що застосування прискореного методу дозволяє досягти виграшу по швидкодії в 1,5 рази.Context. In telecommunications and information systems with an increased noise component the noise-resistant cyclic BCH and Reed-Solomon codes are used. The adjustment and correcting errors in a message require some effective decoding methods. One of the stages in the procedure of decoding RS and BCH codes to determine the position of distortions is the search for the roots of the error locator polynomial. The calculation of polynomial roots, especially for codes with significant correction capacity is a laborious task requiring high computational complexity. That is why the improvement of BCH and RS codes decoding methods providing to reduce the computational complexity is an urgent task. Objective. The investigation and synthesis of the accelerated roots search algorithm of the error locator polynomial presented as an affine polynomial with coefficients in the finite fields, which allows accelerating the process of BCH and RS code decoding. Method. The classical roots search method based on the Chan’s algorithm is performed using the arithmetic of the Galois finite fields and the laborious calculation, in this case depends on the number of addition and multiplication operations. For linearized polynomials, the roots search procedure based on binary arithmetic is performed taking into account the values obtained at the previous stages of the calculation, which provides the minimum number of arithmetic operations. Results. An accelerated algorithm for calculating the values of the error locator polynomial at all points of the GF(2m) finite field for linearized polynomials based on the Berlekamp-Massey method has been developed. The algorithm contains a minimum number of addition operations, due to the use at each stage of the calculations the values obtained at the previous step, as well as the addition in the finite field GF(2). A modified roots search method for affine polynomials over the finite fields has been proposed to determine error positions in the code word while decoding the cyclic BCH and RS codes. Conclusions. The scientific newness of the work is to improve the algorithm of calculating the roots of the error locator polynomial, which coefficients belong to the elements of the finite field. At the same time it simplifies the procedure for cyclic BCH and RS codes decoding, due to reducing the computational complexity of one of the decoding stages, especially finding the error positions using the modified Berlekamp-Massey algorithm. These facts are confirmed by the simulation program results of the roots search of the error locator polynomial algorithm. It is shown, that the application of the accelerated method permits to reach a gain on speed of 1.5 times.Актуальность. В телекоммуникационных и информационных системах связи с повышенной шумовой составляющей используются помехоустойчивые циклические БЧХ и коды Рида-Соломона. Корректировка и исправление ошибок в сообщении требует эффективных методов декодирования. Одним из этапов процедуры декодирования РС и БЧХ кодов для определения позиций искажений является поиск корней полинома локаторов ошибок. Вычисление корней многочлена, особенно у кодов со значительной корректирующей способностью, является трудоемкой задачей, требующей высокой вычислительной сложности. Поэтому усовершенствование методов декодирования БЧХ и РС кодов, позволяющих уменьшить сложность вычислений, является актуальной задачей. Цель исследования. Исследование и синтез ускоренного алгоритма поиска корней полинома локаторов ошибок, представленного в виде аффинного многочлена с коэффициентами в конечных полях, который позволяет ускорить процесс декодирования БЧХ и РС кодов. Метод. Классический метод поиска корней на базе алгоритма Ченя выполняется с помощью арифметики конечных полей Галуа и трудоемкость расчетов, в данном случае, зависит от количества операций сложения и умножения. Для линеаризированных полиномов процедура поиска корней, основанная на двоичной арифметике, осуществляется с учетом значений полученных на предыдущих этапах вычисления, что обеспечивает минимальное число арифметических операций. Результаты. Разработан ускоренный алгоритм вычисления значений полинома локаторов ошибок во всех точках конечного поля GF(2m) для линеаризированных многочленов на базе метода Берлекэмпа-Месси. Алгоритм содержит минимальное число операций сложений, за счет использования на каждом этапе вычислений, значений полученных на предыдущем шаге, а также выполнения сложения в конечном поле GF(2). Предложен модифицированный метод поиска корней для аффинных полиномов над конечными полями, позволяющий определить позиции ошибок в кодовом слове при декодировании циклических БЧХ и РС кодов. Выводы. Научная новизна работы состоит в усовершенствовании алгоритма вычисления корней многочлена локаторов ошибок, коэффициенты которого принадлежат элементам конечного поля. При этом упрощается процедура декодирования циклических БЧХ и РС кодов, за счет снижения вычислительной сложности одного из этапов декодирования – нахождения позиций ошибок с использованием модифицированного алгоритма Берлекэмпа-Месси. Данные факты подтверждены результатами программного моделирования алгоритма поиска корней полинома локаторов ошибок. Показано, что применение ускоренного метода позволяет достичь выигрыша по быстродействию в 1,5 раза