C语言实现LDPC码译码功能

基于C语言的LDPC码译码功能实现，包含位翻转算法和置信传播算法两种核心译码方法

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一、系统架构设计

1. 数据结构定义

#define MAX_ITER 100      // 最大迭代次数
#define N 1024            // 码长
#define K 512             // 信息位长度
#define R (N-K)           // 校验位长度// 稀疏矩阵存储结构（CSR格式）
typedef struct {int row_ptr[N+1];     // 行指针数组int col_ind[R];       // 非零列索引int val[R];           // 非零元素值
} LDPC_Matrix;// 消息结构体（对数域存储）
typedef struct {float LLR[N];         // 初始LLR值float VN_MSG[N][3];   // 变量节点消息（连接3个校验节点）float CN_MSG[R][3];   // 校验节点消息（连接3个变量节点）
} LDPC_Msg;

2. 矩阵构造示例

// 构造(6,3)LDPC码的稀疏矩阵（示例）
LDPC_Matrix H = {.row_ptr = {0, 2, 4, 6},.col_ind = {0, 3, 1, 4, 2, 5},.val = {1, 1, 1, 1, 1, 1}
};

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二、核心算法实现

1. 位翻转算法（Bit-Flipping）

// 综合症计算
void compute_syndrome(LDPC_Matrix *H, int *codeword, int *syndrome) {memset(syndrome, 0, H->row_ptr[H->row_ptr[H->row_ptr[0]]] * sizeof(int));for(int i=0; i<H->row_ptr[0]; i++){ // 遍历校验节点int sum = 0;for(int j=H->row_ptr[i]; j<H->row_ptr[i+1]; j++){sum ^= codeword[H->col_ind[j]]; // 模2加法}syndrome[i] = sum;}
}// 位翻转译码
int ldpc_decode_BF(int *received, int *decoded, int max_iter) {int syndrome[R] = {0};int flip_count[R] = {0};for(int iter=0; iter<max_iter; iter++){compute_syndrome(&H, received, syndrome);if(memcmp(syndrome, "\0", R*sizeof(int))==0) return 1; // 成功// 错误统计memset(flip_count, 0, R*sizeof(int));for(int i=0; i<N; i++){int synd = 0;for(int j=H->row_ptr[i]; j<H->row_ptr[i+1]; j++){synd ^= (received[H->col_ind[j]] * H->val[j]);}if(synd) flip_count[i]++;}// 选择最大错误位翻转int max_err = 0, max_idx = -1;for(int i=0; i<N; i++){if(flip_count[i] > max_err){max_err = flip_count[i];max_idx = i;}}if(max_idx == -1) return 0; // 无法收敛received[max_idx] ^= 1;    // 比特翻转}return 0; // 超时失败
}

2. 置信传播算法（Belief Propagation）

// 校验节点更新（Min-Sum近似）
void cn_update(int cn_idx, LDPC_Msg *msg) {int connected_vn[3] = {0};int cnt = 0;// 收集连接的变量节点for(int j=msg->row_ptr[cn_idx]; j<msg->row_ptr[cn_idx+1]; j++){int vn_idx = msg->col_ind[j];connected_vn[cnt++] = vn_idx;}// 计算消息float min1 = INFINITY, min2 = INFINITY;int sign_prod = 1;for(int i=0; i<cnt; i++){int idx = connected_vn[i];float val = msg->VN_MSG[idx][cn_idx%3] * msg->val[j];if(fabs(val) < fabs(min1)){min2 = min1;min1 = val;} else if(fabs(val) < fabs(min2)){min2 = val;}sign_prod *= (val > 0) ? 1 : -1;}msg->CN_MSG[cn_idx][0] = min1 * sign_prod;msg->CN_MSG[cn_idx][1] = min2 * sign_prod;
}// 变量节点更新
void vn_update(int vn_idx, LDPC_Msg *msg) {float sum = msg->LLR[vn_idx];for(int j=msg->row_ptr[vn_idx]; j<msg->row_ptr[vn_idx+1]; j++){int cn_idx = msg->col_ind[j];sum += msg->CN_MSG[cn_idx][(j-msg->row_ptr[cn_idx])%3];}msg->VN_MSG[vn_idx][0] = sum;
}

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三、主程序框架

int main() {// 初始化参数int received[N] = {0};  // 接收码字int decoded[N] = {0};   // 译码结果// 信道模拟（BSC信道）for(int i=0; i<K; i++) received[i] = rand()%2;for(int i=K; i<N; i++) received[i] = 0; // 信息位正确// 添加噪声（误码率10%）for(int i=0; i<N; i++) {if(rand()%10 == 0) received[i] ^= 1;}// 译码LDPC_Msg msg = {0};if(ldpc_decode_BF(received, decoded, MAX_ITER)){printf("Decoding Success!\n");} else {printf("Decoding Failed!\n");}return 0;
}

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四、扩展功能实现

1. LDPC码构造工具

// 生成随机构造LDPC码
void generate_ldpc(int n, int k, float density){// 初始化全零矩阵LDPC_Matrix H = {0};// 随机填充非零元素srand(time(NULL));for(int i=0; i<k; i++){for(int j=0; j<n; j++){if((float)rand()/RAND_MAX < density){H.row_ptr[i+1]++;H.col_ind[H.row_ptr[i]++] = j;H.val[H.row_ptr[i]-1] = 1;}}}H.row_ptr[k+1] = H.row_ptr[k];
}

2. 自适应迭代控制

// 动态迭代终止判断
int adaptive_termination(LDPC_Msg *msg){static int stable_count = 0;int current_syndrome = 0;for(int i=0; i<H.row_ptr[H.row_ptr[0]]; i++){current_syndrome |= msg->CN_MSG[i][0];}if(current_syndrome == 0){stable_count++;if(stable_count > 5) return 1; // 连续5次稳定} else {stable_count = 0;}return 0;
}

参考代码 C语言实现LDPC码的译码功能 www.youwenfan.com/contentcnj/71075.html

五、工程实践建议

1. 代码规范：遵循MISRA-C标准，禁用递归和动态内存
2. 调试工具：使用Valgrind检测内存泄漏，GDB进行多线程调试
3. 性能分析：ARM Cortex-M4使用DWT周期计数器，x86使用RDTSC指令
4. 安全加固：添加CRC校验和异常中断处理