comm.gpu.LDPCDecoder

GPU を使用したバイナリ低密度パリティチェック (LDPC) 符号の復号化

このオブジェクトを使用するには、Parallel Computing Toolbox™ がインストールされており、サポートされる GPU にアクセスできなければなりません。ホストコンピューターに GPU が構成されている場合、処理には GPU が使用されます。そうでない場合、処理には CPU が使用されます。GPU の詳細については、GPU 計算 (Parallel Computing Toolbox)を参照してください。

説明

comm.gpu.LDPCDecoder System object™ は、確率伝播アルゴリズムを使用してバイナリ LDPC 符号を復号化します。この符号は、復調からの軟判定出力 (受信ビットの対数尤度比) として、オブジェクトに入力されます。このオブジェクトは、パリティチェック行列でパターンを想定しない一般バイナリ LDPC 符号を復号化します。詳細については、確率伝播復号化を参照してください。

LDPC 符号化された信号を復号化するには、以下の手順に従います。

comm.gpu.LDPCDecoder オブジェクトを作成し、そのプロパティを設定します。
関数と同様に、引数を指定してオブジェクトを呼び出します。

System object の機能の詳細については、System object とはを参照してください。

作成

構文

gpu_ldpcdecoder = comm.gpu.LDPCDecoder

gpu_ldpcdecoder = comm.gpu.LDPCDecoder(parity)

gpu_ldpcdecoder = comm.gpu.LDPCDecoder(___,Name,Value)

説明

例

gpu_ldpcdecoder = comm.gpu.LDPCDecoder は、GPU ベースのバイナリ LDPC 復号化器 System object を作成します。このオブジェクトは、指定されたパリティチェック行列に基づいて LDPC 復号化を実行します。

gpu_ldpcdecoder = comm.gpu.LDPCDecoder(parity) は、ParityCheckMatrix プロパティを parity に設定して、GPU ベースの LDPC 復号化器 System object を作成します。parity 入力は ParityCheckMatrix プロパティで記述されているように指定しなければなりません。

gpu_ldpcdecoder = comm.gpu.LDPCDecoder(___,Name,Value) は、前のいずれかの構文の入力に加えて、1 つ以上の名前と値のペアを使用してプロパティを設定します。たとえば、comm.LDPCDecoder('DecisionMethod','Soft decision') は、軟判定方式を使用してデータを復号化し、データ型 double の対数尤度比を出力する LDPC 復号化器 System object を構成します。各プロパティ名を引用符で囲みます。

プロパティ

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特に指定がない限り、プロパティは "調整不可能" です。つまり、オブジェクトの呼び出し後に値を変更することはできません。オブジェクトは呼び出すとロックされ、ロックを解除するには関数 release を使用します。

プロパティが "調整可能" の場合、その値をいつでも変更できます。

プロパティ値の変更の詳細については、System object を使用した MATLAB でのシステム設計を参照してください。

`ParityCheckMatrix` — Parity-check matrix
`dvbs2ldpc(1/2)` (既定値) | スパースバイナリ行列 | 非スパースインデックス行列

パリティチェック行列。スパースの (N – K) 行 N 列のバイナリ値行列として指定します。N は受信信号の長さで、(0, 2³¹) の範囲でなければなりません。K は符号化されていないメッセージの長さで、N 未満でなければなりません。パリティチェック行列の最後の (N – K) 列は、2 次のガロア体 gf(2) 内の可逆行列でなければなりません。

sparse(I(:,1),I(:,2),1) のように、パリティチェック行列の要素 1 の行インデックスと列インデックスを定義する 2 列の非スパースインデックス行列 I としてパリティチェック行列を指定することもできます。

このプロパティは数値データ型を受け入れます。このプロパティをスパースバイナリ行列に設定すると、このプロパティは logical データ型も受け入れます。

既定値では、関数 dvbs2ldpc を使用して、DVB-S.2 規格に規定されている、ハーフレート LDPC 符号化のスパースパリティチェック行列を構成します。

例: dvbs2ldpc(R,'indices') は、DVB-S.2 規格のインデックス行列を構成します。ここで、R は符号化率であり、'indices' は、パリティチェック行列の要素 1 の行インデックスと列インデックスを定義する 2 列の倍精度行列として dvbs2ldpc の出力形式を指定します。

データ型: double | logical

`OutputValue` — 出力値の形式
`'Information part'` (既定値) | `'Whole codeword'`

出力値の形式。以下のいずれかの値として指定します。

'Information part' — オブジェクトは、受信した対数尤度比ベクトルの情報部分のみを含む K 行 1 列の列ベクトルを出力します。K は符号化されていないメッセージの長さです。
'Whole codeword' — オブジェクトは、対数尤度比ベクトル全体を含む N 行 1 列の列ベクトルを出力します。N は受信信号の長さです。
N と K は、(N–K) 行 K 列のパリティチェック行列の次元と一致しなければなりません。

データ型: char

`DecisionMethod` — 判定方法
`'Hard decision'` (既定値) | `'Soft decision'`

復号化に使用する判定方法。以下のいずれかの値として指定します。

'Hard decision' — オブジェクトは、データ型 logical の復号化されたデータを出力します。
'Soft decision' — オブジェクトは、データ型 double の対数尤度比を出力します。

データ型: char

`IterationTerminationCondition` — 反復終了条件
`'Maximum iteration count'` (既定値) | `'Parity check satisfied'`

反復終了条件。以下のいずれかの値として指定します。

'Maximum iteration count' — MaximumIterationCount プロパティで指定された反復回数後に、復号化が終了します。
'Parity check satisfied' — すべてのパリティチェックが満たされた後、復号化が終了します。一部のパリティチェックが満たされない場合、MaximumIterationCount プロパティで指定された反復回数後に、復号化が終了します。

データ型: char

`MaximumIterationCount` — 復号化反復の最大数
`50` (既定値) | 正の整数

復号化の最大反復回数。正の整数を指定します。

データ型: double

`NumIterationsOutputPort` — 実行した反復数の出力
`false` (既定値) | `true`

実行した反復数の出力。false または true を指定します。実行された反復回数を出力するには、このプロパティを true に設定します。

データ型: logical

`FinalParityChecksOutputPort` — Output final parity checks
`false` (既定値) | `true`

最終パリティチェックの出力。false または true を指定します。計算された最終パリティチェックを出力するには、このプロパティを true に設定します。

データ型: logical

使用法

構文

y = gpu_ldpcdecoder(x)

[y,numiter] = gpu_ldpcdecoder(x)

[y,parity] = gpu_ldpcdecoder(x)

[y,numiter,parity] = gpu_ldpcdecoder(x)

説明

例

y = gpu_ldpcdecoder(x) は、既定のパリティチェック行列に基づく LDPC 符号を使用して、入力データを復号化します。

[y,numiter] = gpu_ldpcdecoder(x) は、復号化したデータ y と実行した反復回数 numiter を返します。この構文を使用するには、NumIterationsOutputPort プロパティを true に設定します。

[y,parity] = gpu_ldpcdecoder(x) は、復号化したデータ y と最終パリティチェック parity を返します。この構文を使用するには、FinalParityChecksOutputPort プロパティを true に設定します。

[y,numiter,parity] = gpu_ldpcdecoder(x) は、復号化したデータ、実行した反復回数、および最終パリティチェックを返します。この構文を使用するには、NumIterationsOutputPort および FinalParityChecksOutputPort プロパティを true に設定します。

入力引数

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`x` — 対数尤度比
列ベクトル

対数尤度比。復調からの軟判定出力を含む N 行 1 列の列ベクトルとして指定します。N は変調前の LDPC コードワードのビット数です。各要素は受信ビットの対数尤度比です。対数尤度比が正であれば、多くの場合、要素の値は 0 です。先頭 K 要素は、入力メッセージの情報部分に対応します。

データ転送のレイテンシを短縮するには、入力信号を gpuArray (Parallel Computing Toolbox) オブジェクトとして形式を整えます。詳細については、GPU ベースの System object を使用した配列処理を参照してください。

データ型: double

出力引数

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`y` — 復号化されたデータ
列ベクトル

復号化されたデータ。列ベクトルとして返されます。DecisionMethod プロパティは、オブジェクトが硬判定を出力するか軟判定 (対数尤度比) を出力するかを指定します。

OutputValue プロパティが 'Information part' に設定されている場合、出力には受信した対数尤度比ベクトルの情報部分のみが含まれます。
OutputValue プロパティが 'Whole codeword' に設定されている場合、出力には対数尤度比ベクトル全体が含まれます。

データ型: double | logical

`numiter` — 実行した復号化の反復回数
正の整数

実行した復号化の反復回数。正の整数として返されます。

依存関係

この出力を有効にするには、NumIterationsOutputPort プロパティを true に設定します。

`parity` — 最終パリティチェック
列ベクトル

入力 LDPC 符号を復号化した後の最終パリティチェック。(N-K) 行 1 列の列ベクトルとして返されます。N は変調前の LDPC コードワードのビット数です。K は符号化されていないメッセージの長さです。

依存関係

この出力を有効にするには、FinalParityChecksOutputPort プロパティを true に設定します。

オブジェクト関数

オブジェクト関数を使用するには、System object を最初の入力引数として指定します。たとえば、obj という名前の System object のシステムリソースを解放するには、次の構文を使用します。

release(obj)

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すべての System object に共通

`step`	System object のアルゴリズムの実行
`release`	リソースを解放し、System object のプロパティ値と入力特性の変更を可能にします。
`reset`	System object の内部状態のリセット

例

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GPU を使用した QPSK 変調信号の LDPC 符号化および復号化

この例では次を使用します。

ライブスクリプトを開く

comm.gpu.LDPCDecoder System Object™ を使用して信号を復号化し、LDPC 符号化され、QPSK 変調されたビットストリームを AWGN チャネル経由で送信します。AWGN を追加した後、受信した信号を復調および復号化します。符号化されていない信号および LDPC 符号化された信号の受信に対して、誤り統計を計算します。詳細については、GPU を使用したシミュレーションの高速化を参照してください。

シミュレーション変数を定義します。LDPC 符号化器構成オブジェクトと、LDPC 復号化器、QPSK 変調器、および QPSK 復調器の System object を作成します。

M = 4; % Modulation order (QPSK)
snr = [0.25,0.5,0.75,1.0,1.25];
numFrames = 10;
gpuldpcDecoder = comm.gpu.LDPCDecoder;
encoderCfg = ldpcEncoderConfig(gpuldpcDecoder.ParityCheckMatrix);
pskMod = comm.PSKModulator(M,'BitInput',true);
pskDemod = comm.PSKDemodulator(M,'BitOutput',true,...
    'DecisionMethod','Approximate log-likelihood ratio');
pskuDemod = comm.PSKDemodulator(M,'BitOutput',true,...
    'DecisionMethod','Hard decision');
errRate = zeros(1,length(snr));
uncErrRate = zeros(1,length(snr));

各 SNR 設定およびすべてのフレームに対して、符号化されていない信号および LDPC 符号化された信号の誤り統計を計算します。

for ii = 1:length(snr)
    ttlErr = 0;
    ttlErrUnc = 0;
    pskDemod.Variance = 1/10^(snr(ii)/10); % Set variance
    for counter = 1:numFrames
        data = logical(randi([0 1],32400,1));
        % Transmit and receiver uncoded signal data
        mod_uncSig = pskMod(data);
        rx_uncSig = awgn(mod_uncSig,snr(ii),'measured');
        demod_uncSig = pskuDemod(rx_uncSig);
        numErrUnc = biterr(data,demod_uncSig);
        ttlErrUnc = ttlErrUnc + numErrUnc;
        % Transmit and receive LDPC coded signal data
        encData = ldpcEncode(data,encoderCfg);
        modSig = pskMod(encData);
        rxSig = awgn(modSig,snr(ii),'measured');
        demodSig = pskDemod(rxSig);
        rxBits = gpuldpcDecoder(demodSig);
        numErr = biterr(data,rxBits);
        ttlErr = ttlErr + numErr;
    end
    ttlBits = numFrames*length(rxBits);
    uncErrRate(ii) = ttlErrUnc/ttlBits;
    errRate(ii) = ttlErr/ttlBits;
end

符号化されていないデータおよび LDPC 符号化されたデータの誤り統計をプロットします。

plot(snr,uncErrRate,snr,errRate)
legend('Uncoded','LDPC coded')
xlabel('SNR (dB)')
ylabel('BER')

Figure contains an axes object. The axes object contains 2 objects of type line. These objects represent Uncoded, LDPC coded.

制限

comm.gpu.LDPCDecoder System object を MATLAB System (Simulink) ブロックに含めることはできません。

詳細

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GPU ベースの System object を使用した配列処理

GPU ベースの System object は、一般的な MATLAB^® 配列または gpuArray (Parallel Computing Toolbox) オブジェクトを受け入れます。出力信号のデータ型は、入力信号のデータ型と一致します。

GPU ベースの System object への入力信号が gpuArray オブジェクトの場合、計算はすべて GPU で行われ、データは GPU に残り、出力信号は gpuArray オブジェクトになります。引数 gpuArray を渡すと、シミュレーションの実行時に CPU と GPU の間でデータ転送の数が制限されるため、データ転送のレイテンシが最小限に抑えられます。詳細については、GPU での配列の確立 (Parallel Computing Toolbox)を参照してください。
入力信号が MATLAB 配列の場合、GPU ベースの System object は、オブジェクト呼び出しごとに CPU と GPU の間でデータを転送します。出力信号は MATLAB 配列であり、データ転送レイテンシが発生します。

アルゴリズム

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このオブジェクトは、メッセージ伝達アルゴリズムとも呼ばれる確率伝播アルゴリズムを使用して、LDPC 復号化を実行します。

確率伝播復号化

確率伝播アルゴリズムの実装は、Gallager によって提示された復号化アルゴリズムに基づいています [2]。

LDPC 符号化されて送信されたコードワード c = c₀、c₁、...、c_n_-1 に対して、LDPC 復号化器への入力は、対数尤度比 (LLR) の値 $L (c_{i}) = \log (\frac{\Pr (c_{i} = 0 | channel output for c_{i})}{\Pr (c_{i} = 1 | channel output for c_{i})})$ になります。

各反復で、アルゴリズムの主なコンポーネントが以下の式に基づいて更新されます。

$L (r_{j i}) = 2 atanh (\prod_{i^{'} \in V_{j} \ i} \tanh (\frac{1}{2} L (q_{i^{'} j})))$ ,

$L (q_{i j}) = L (c_{i}) + \sum_{j^{'} \in C_{i} \ j} L (r_{j^{'} i})$ (最初の反復の前に $L (q_{i j}) = L (c_{i})$ として初期化される)、および

$L (Q_{i}) = L (c_{i}) + \sum_{j^{'} \in C_{i}} L (r_{j^{'} i})$ .

それぞれの反復の最後で、L(Q_i) には、送信ビット c_i に対する LLR 値の更新された推定値が含まれます。値 L(Q_i) は c_i の軟判定出力です。L(Q_i) ≤ 0 の場合、c_i の硬判定出力は 1 です。それ以外の場合、c_i の硬判定出力は 0 です。

すべてのパリティチェックが満たされた場合に停止するように復号化が設定されている場合、アルゴリズムは、各反復の終わりにパリティチェック式 (H c' = 0) を検証します。すべてのパリティチェックが満たされた場合、または最大反復回数に到達した場合、復号化は停止します。

インデックス集合 $C_{i} \ j$ と $V_{j} \ i$ は、パリティチェック行列 (PCM) に基づいています。インデックス集合 C_i と V_j はそれぞれ、PCM の列 i と行 j のすべての非ゼロ要素に対応します。

次の図は、与えられた PCM の i = 5 と j = 3 に対するインデックス集合の計算を示しています。

無限数がアルゴリズム式で使用されないように、atanh(1) は 19.07 に、atanh(–1) は –19.07 に設定されます。有限値で演算を行うために、MATLAB は tanh(19.07) に対して 1 を、tanh(-19.07) に対して –1 を返します。

参照

[1] Gallager, Robert G. Low-Density Parity-Check Codes. Cambridge, MA: MIT Press, 1963.

拡張機能

GPU 配列
Parallel Computing Toolbox™ を使用してグラフィックス処理装置 (GPU) 上で実行することにより、コードを高速化します。

この System object は GPU 配列の入力をサポートします。詳細については、GPU を使用したシミュレーションの高速化を参照してください。

バージョン履歴

R2012a で導入

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R2023b: LLR = 0 のタイブレーカーに対する GPU と CPU の整合

comm.gpu.LDPCDecoder System object によって使用される BP アルゴリズム用の CUDA カーネルは、CPU バージョンの硬判定用タイブレーカーに倣うように更新されました。具体的には、中間または最終の LLR 値が厳密に 0 の場合、CPU バージョンと GPU バージョンは常にビット 1 を選択するようになりました。

R2023b より前では、BP アルゴリズムの CUDA カーネルは、CPU バージョンで使用されるタイブレーカーとは異なる硬判定用タイブレーカーを使用します。具体的には、中間または最終の LLR 値が厳密に 0 の場合、CPU バージョンは常にビット 1 を選択し、GPU バージョンは常にビット 0 を選択します。

参考

オブジェクト

ldpcDecoderConfig | comm.BCHDecoder | gpuArray (Parallel Computing Toolbox)

comm.gpu.LDPCDecoder

説明

作成

構文

説明

プロパティ

ParityCheckMatrix — Parity-check matrix dvbs2ldpc(1/2) (既定値) | スパース バイナリ行列 | 非スパース インデックス行列

OutputValue — 出力値の形式 'Information part' (既定値) | 'Whole codeword'

DecisionMethod — 判定方法 'Hard decision' (既定値) | 'Soft decision'

IterationTerminationCondition — 反復終了条件 'Maximum iteration count' (既定値) | 'Parity check satisfied'

MaximumIterationCount — 復号化反復の最大数 50 (既定値) | 正の整数

NumIterationsOutputPort — 実行した反復数の出力 false (既定値) | true

FinalParityChecksOutputPort — Output final parity checks false (既定値) | true

使用法

構文

説明

入力引数

x — 対数尤度比 列ベクトル

出力引数

y — 復号化されたデータ 列ベクトル

numiter — 実行した復号化の反復回数 正の整数

依存関係

parity — 最終パリティ チェック 列ベクトル

依存関係

オブジェクト関数

すべての System object に共通

例

GPU を使用した QPSK 変調信号の LDPC 符号化および復号化

制限

詳細

GPU ベースの System object を使用した配列処理

アルゴリズム

確率伝播復号化

参照

拡張機能

GPU 配列 Parallel Computing Toolbox™ を使用してグラフィックス処理装置 (GPU) 上で実行することにより、コードを高速化します。

バージョン履歴

R2023b: LLR = 0 のタイブレーカーに対する GPU と CPU の整合

参考

オブジェクト

関数

ブロック

トピック

`ParityCheckMatrix` — Parity-check matrix
`dvbs2ldpc(1/2)` (既定値) | スパースバイナリ行列 | 非スパースインデックス行列

`OutputValue` — 出力値の形式
`'Information part'` (既定値) | `'Whole codeword'`

`DecisionMethod` — 判定方法
`'Hard decision'` (既定値) | `'Soft decision'`

`IterationTerminationCondition` — 反復終了条件
`'Maximum iteration count'` (既定値) | `'Parity check satisfied'`

`MaximumIterationCount` — 復号化反復の最大数
`50` (既定値) | 正の整数

`NumIterationsOutputPort` — 実行した反復数の出力
`false` (既定値) | `true`

`FinalParityChecksOutputPort` — Output final parity checks
`false` (既定値) | `true`

`x` — 対数尤度比
列ベクトル

`y` — 復号化されたデータ
列ベクトル

`numiter` — 実行した復号化の反復回数
正の整数

`parity` — 最終パリティチェック
列ベクトル

GPU 配列
Parallel Computing Toolbox™ を使用してグラフィックス処理装置 (GPU) 上で実行することにより、コードを高速化します。