Este trabajo presenta el análisis de las estructuras y características de\ndesempeño de los códigos LDPC (Low-Density Parity-Check Codes), los\ncuales son una clase de códigos lineales de bloque que proporcionan un\nrendimiento cercano a la Capacidad utilizando decodificación iterativa.\nEn principio se presenta la idea general de un sistema de comunicaciones\ny por medio de un diagrama de bloques se muestra cómo está\nconformado tal sistema. Después se sigue con la explicación del concepto\nde codificación y la razón por la cual se necesita de ésta para la\ntransmisión o almacenamiento de información. Además se dan las\ndefiniciones de algunos parámetros utilizados en este campo, incluyendo\nel gran aporte de Shannon con sus teoremas.\nPosteriormente se realiza una revisión general de las familias de códigos\nde corrección de error presentes en la literatura, definiendo sus\nestructuras y diferencias. Luego de esta revisión se da una introducción a\nlos códigos LDPC, en donde se explica la forma de codificación y los\ndistintos algoritmos de decodificación para estos códigos.\nFinalmente, se realiza el análisis del tipo de códigos LDPC basados en\narreglos y se muestran los resultados de las simulaciones realizadas. Se\npresenta la definición del fenómeno de error-floor y conjuntos absorbentes\nlos cuales afectan el rendimiento de los códigos LDPC en las regiones de\nbajo BER (Bit-Error Rate). Se estudia el efecto de la cuantización en el\nrendimiento de los decodificadores de los códigos LDPC basados en\narreglos. Así mismo, basados en el estudio anterior se analiza el resultado\nde la variación de los pesos de las columnas de las matrices de\ncomprobación de paridad para dichos códigos.\nAl final de la tesis se incluyen los códigos de los programas realizados,\njunto con una breve descripción de ellos, y se detalla un programa\ninteractivo basado en MatLab para la enseñanza de comunicaciones\ndigitales.
Este trabajo presenta el análisis de las estructuras y características de\ndesempeño de los códigos LDPC (Low-Density Parity-Check Codes), los\ncuales son una clase de códigos lineales de bloque que proporcionan un\nrendimiento cercano a la Capacidad utilizando decodificación iterativa.\nEn principio se presenta la idea general de un sistema de comunicaciones\ny por medio de un diagrama de bloques se muestra cómo está\nconformado tal sistema. Después se sigue con la explicación del concepto\nde codificación y la razón por la cual se necesita de ésta para la\ntransmisión o almacenamiento de información. Además se dan las\ndefiniciones de algunos parámetros utilizados en este campo, incluyendo\nel gran aporte de Shannon con sus teoremas.\nPosteriormente se realiza una revisión general de las familias de códigos\nde corrección de error presentes en la literatura, definiendo sus\nestructuras y diferencias. Luego de esta revisión se da una introducción a\nlos códigos LDPC, en donde se explica la forma de codificación y los\ndistintos algoritmos de decodificación para estos códigos.\nFinalmente, se realiza el análisis del tipo de códigos LDPC basados en\narreglos y se muestran los resultados de las simulaciones realizadas. Se\npresenta la definición del fenómeno de error-floor y conjuntos absorbentes\nlos cuales afectan el rendimiento de los códigos LDPC en las regiones de\nbajo BER (Bit-Error Rate). Se estudia el efecto de la cuantización en el\nrendimiento de los decodificadores de los códigos LDPC basados en\narreglos. Así mismo, basados en el estudio anterior se analiza el resultado\nde la variación de los pesos de las columnas de las matrices de\ncomprobación de paridad para dichos códigos.\nAl final de la tesis se incluyen los códigos de los programas realizados,\njunto con una breve descripción de ellos, y se detalla un programa\ninteractivo basado en MatLab para la enseñanza de comunicaciones\ndigitales.
RESUMENEn esta tesis se han investigado los algoritmos de decodificación para códigos de comprobación de paridad de baja densidad (LDPC) y las arquitecturas para la implementación hardware de éstos.El trabajo realizado se centra en los algoritmos del tipo de intercambio de mensajes para códigos estructurados los cuales se incluyen en varios estándares de comunicaciones.Inicialmente se han evaluado las prestaciones de los algoritmos existentes Sum-product, Min-Sum y las principales variantes de este último (Min-Sum con escalado y Min-Sum con offset).Además, se ha realizado un análisis de precisión finita utilizando los códigos LDPC de los estándares IEEE 802.3an,IEEE 802.11n e IEEE 802.16e.Posteriormente se han propuesto dos algoritmos basados en el algoritmo Min-Sum, denominados Min-Sum entero y Min-Sum modificado con corrección.La complejidad de éstos es menor que las de los algoritmos estudiados anteriormente y además permiten una implementación hardware eficiente.Por otra parte, se han estudiado diferentes métodos de actualización de los algoritmos de decodificación: por inundación, por capas horizontales (layered) y por capas verticales (shuffled), y se ha propuesto un nuevo método por capas verticales entrelazadas (x-shuffled) que consigue mejorar la tasa de decodificación.Tras el estudio algorítmico, se han realizado implementaciones hardware con diferentes arquitecturas para los algoritmos y métodos de actualización evaluados y propuestos.En la mayoría de algoritmos implementados se requiere el cálculo de los dos primeros mínimos, por lo que inicialmente se realiza un estudio de las arquitecturas hardware para realizar este cálculo y se ha propuesto una nueva arquitectura de menor complejidad.En segundo lugar se ha realizado una comparación de las prestaciones hardware de los diferentes algoritmos con las arquitecturas de referencia: completamente paralela y parcialmente paralela basada en memorias.También se han propuesto dos arquitecturas enfocadas a la alta velocidad, la cuales se implementan con el algoritmo Sum-Product.La primera es una modificación de la arquitectura Sliced Message-Passing que consigue una reducción en el área de la implementación, y la segunda, es una arquitectura específica para el método de actualización propuesto x-shuffled que alcanza tasas de decodificación muy altas.Finalmente, se han implementado los algoritmos propuestos con la arquitectura layered obteniendo implementaciones hardware eficientes con baja área y muy alta tasa de decodificación.Estas últimas consiguen un ratio entre tasa de decodificación y área mejor que las implementa-III ciones existentes en la literatura.Por último, se ha evaluado el comportamiento de los algoritmos de decodificación estudiados en la zona de baja tasa de error, donde las prestaciones se suelen degradar debido a la aparición de un suelo de error.Para ello se ha implementado un simulador hardware usando dispositivos FPGA.La tasa de datos alcanzada con el simulador hardware diseñado es superior a la de otros simuladores documentados en la literatura.En la zona de baja tasa de error el algoritmo propuesto Min-Sum modificado con corrección presenta un mejor comportamiento que el resto de algoritmos evaluados, consiguiendo bajar el suelo de error varios órdenes de magnitud.
Este trabajo incluye las nociones y teoremas básicos de la teoría de códigos cuánticos de corrección de errores y su relación con códigos (clásicos) binarios lineales. El trabajo está dividido en cuatro partes. La primera, se trata de las definiciones y resultados de códigos lineales necesarios para ver su relación con códigos cuánticos más adelante. Después, se presentan los axiomas de la mecánica cuántica en el caso finito dimensional. La tercera parte, y una de las más importantes, presenta la definición de Knill-Laflamme de un código cuántico de corrección de errores. Además, se incluye una demostración de uno de los principales resultados de la teoría de corrección de errores, el así llamado Teorema de Knill-Laflamme. Este teorema proporciona condiciones necesarias y suficientes para determinar las correcciones de errores que el código cuántico puede realizar. Finalmente, en el último capítulo, se muestra cómo con la ayuda de códigos binarios clásicos podemos construir códigos cuánticos que corrigen errores de inversión de bit y vuelta de bit.
La corrección cuántica de errores constituye una condición esencial para construir computadores cuánticos capaces de ejecutar algoritmos largos y fiables. A diferencia de la corrección clásica, debe proteger estados cuánticos sin medir directamente ni destruir la información codificada, mediante redundancia, mediciones de síndrome y decodificación. El objetivo de este artículo es revisar el estado del arte entre 2020 y 2026, considerando códigos de superficie, códigos cuánticos de baja densidad de paridad (qLDPC), códigos bosónicos, decodificadores y circuitos dinámicos, así como su relación con aplicaciones prácticas. Se desarrolló una revisión narrativa de literatura científica y fuentes institucionales, con énfasis en resultados experimentales recientes y en las limitaciones que separan las demostraciones de memoria lógica de la ejecución de algoritmos útiles a gran escala. La literatura muestra avances en operación por debajo del umbral, reducción de errores lógicos al aumentar la distancia del código, decodificación en tiempo real y arquitecturas alternativas que buscan reducir el costo físico. Sin embargo, persisten desafíos relacionados con errores correlacionados, fuga de estados computacionales, conectividad, latencia, recursos para puertas lógicas tolerantes a fallos y escalabilidad. Las aplicaciones más prometedoras incluyen simulación cuántica, química y materiales, optimización y criptografía, aunque la corrección de errores no demuestra por sí sola una ventaja práctica en esas tareas. Se concluye que el progreso debe evaluarse por la calidad de los qubits lógicos, el costo total de recursos y la ejecución fiable de circuitos completos, no solo por el número de qubits físicos.
Les codes binaires à matrices creuses (Low-Density Parity-Check, LDPC) et les turbo-codes ont une capacité s’approchant de la limite de Shannon pour des trames de grande taille. Cependant, ces codes ont le désavantage d’être moins efficaces pour les faibles tailles. De plus, l’association de codes binaires avec des modulations d’ordre élevé oblige à une étape de marginalisation pour passer d’un symbole aux fiabilités des bits associés à ce symbole. Ce calcul s’accompagne d’une perte d’information qui peut être récupérée par démodulation itérative au prix d’une plus grande complexité. Les codes LDPC définis sur des corps de Galois d’ordre q > 2 permettent de résoudre ces problèmes. Toutefois, lesdécodeurs optimaux associés ont une complexité très importante qui rend leur utilisation problématique.L’objectif de cette thèse est de valoriser les codes LDPC non binaires en proposant d’une part une architecture d’un décodeur à complexité réduite et en montrant d’autre part l’intérêt de les associer à des modulations d’ordre élevé. Dans la première partie de notre thèse, nous proposons de simplifier l’algorithme de décodage Extended Min-Sum (EMS) en considérant un nombre limité n_α << n_m des fiabilités intrinsèques lors de la mise à jour des messages par les nœuds de variable. Cette approche permet de réduire la taille de la mémoire dédiée au stockage des messages intrinsèques. De plus, pour améliorer l’effcacité des nœuds de parité nous proposons une variante simplifiée de l’algorithme L-Bubble Check et l’architecture associée. Enfin, nous montrons par l’intermédiaire d’un prototype sur une carte FPGA (Field Programmable Gate Array) que notre décodeur possède une faible complexité en le comparant avec un ancien décodeur EMS conçu par notre laboratoire de recherche dans le cadre du projet européen DAVINCI. Dans la deuxième partie, nous étudions l’association des codes LDPC non binaires avec une modulation par décalage cyclique de code (Cyclic Code-shift Keying, CCSK) de même ordre. Nous avons choisi cette modulation pour ses propriétés qui permettent de réduire la complexité du démodulateur. En effet, nous montrons qu’il est possible dans le cas d’un système de transmission mono-porteuse avec préfixe cyclique de fusionner le démodulateur et l’égaliseur dans un même bloc comportant une seule transformée de Fourier rapide et une seule transformée de Fourier rapide inverse. Les simulations montrent que ce système possède des performances comparables à un système de transmission multiporteuses de type OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Elles montrent aussi que la modulation CCSK donne des performances meilleures que la modulation de Hadamard dans un canal en environnement intérieur sélectif en fréquence. Enfin, les simulations montrent que les codes LDPC non binaires sont nettement plus effcaces avec la modulation CCSK que les codes LDPC binaires même en considérant une démodulation itérative.
El trabajo se estructura en 6 capitulos. El capitulo 1 posee fundamentalmente un caracter de introduccion teorica a las herramientas de campo medio que se usan en los diferentes modelos que se presentan, ademas de introducirse otros conceptos que apareceran a lo largo del trabajo. El capitulo 2 tambien constituye una introduccion teorica en la que se realiza un breve analisis del concepto de la decoherencia y sus implicaciones en la Mecanica Cuantica, poniendo especial enfasis en el problema de la medida y como la introduccion del ambiente permite una posible solucion a dicho problema. En este capitulo se presentara la matriz densidad como herramienta basica de trabajo para estudiar el factor de decoherencia.El capitulo 3 se puede dividir en dos bloques. Un primer bloque dedicado la modelo vibronico U(4) y un segundo bloque dedicado a su limite 2D, el modelo U(3). En ambos bloques se expondran las propiedades algebraicas de los dos modelos asi como las diferentes cadenas de simetria que se obtienen. Estos modelos presentan una QPT y usando el formalismo de estados intrinsecos se estudiara la transicion de fase entre la fase simetrica y la fase no simetrica. Sin embargo, se sabe que este metodo es correcto unicamente en el orden mas alto en el desarrollo en potencias de N, donde N es el numero de bosones. Nosotros nos basaremos en el metodo desarrollado en [15] para ir mas alla de este orden y calcular correcciones de tamano finito a varios observables espectroscopicos. Para ello, se introducira la transformacion de Holstein-Primako_ que proporcionara un hamiltoniano en serie de potencias de N donde unicamente se consideraran los terminos en orden mas alto: N, N1/2 y N0. Despues, mediante el uso de una transformacion de Bogoliubov se conseguira la diagonalizacion del hamiltoniano, con lo que se obtendran expresiones analiticas para el estudio del sistema tanto en la fase simetrica como en la no simetrica. Dichas expresiones analiticas se compararan posteriormente con los calculos numericos obtenidos de resolver el problema exactamente en una base adecuada. Ademas, se llevara a cabo un estudio de escalado del sistema por tamano finito que nos permitira extraer los exponentes criticos de los observables espectroscopicos analizados.El capitulo 4 esta dedicado a otro sistema de dos niveles, el modelo de Lipkin. Este modelo guarda una estrecha relacion con el modelo vibronico tal y como se vera en el capitulo 3. Dicha relacion quedara mas patente con la eleccion que se realizara del estado intrinseco para estudiar el diagrama de fases del modelo vibronico. De hecho podemos afirmar que un modelo vibronico con simetria axial se comporta como un modelo de Lipkin. Por este motivo, todo el estudio que se realice en campo medio para el modelo vibronico sera aplicable al modelo de Lipkin, ya que las expresiones que se obtendran son formalmente analogas. Asi pues, en este capitulo nos centraremos en la influencia que tiene una transicion de fase cuantica sobre el fenomeno de la decoherencia. Ahora bien, se sabe que el citado modelo presenta tanto una QPT como una ESQPT, y dependiendo del valor de los parametros concretos del sistema, la ESQPT puede ser de primer o segundo orden. De modo que el analisis se realizara para ambos tipos de transicion. Para tal proposito, se presenta un sistema constituido por un qubit interactuando con un bano bosonico que vendra descrito por el modelo de Lipkin. El estudio de la decoherencia se realizara tanto empleando las tecnicas mas alla de campo medio desarrolladas en el modelo vibronico, como usando la aproximacion de Tamm-Dancoff (TDA) [28] y TDA a segundo orden. Todos los resultados se compararan una vez mas con la solucion exacta del problema y se analizara la relacion entre la transicion de fase que experimenta dicho sistema con la decoherencia. Ademas se incluira un estudio de escalado por tamano finito del factor de decoherencia.En el capitulo 5 se estudiaran tres modelos que describen un campo bosonico de un unico modo interactuando con un subsistema algebraico basado o bien en el algebra SU(1; 1) o en el SU(2). El modelo SU(1; 1) es un modelo de juguete util para la descripcion de la formacion y disociacion de moleculas diatomicas y atomos independientes [16]. El hamiltoniano SU(2) representa al modelo de Dicke [27] o al modelo de Jaynes-Cummings (JC) [17] (tambien conocido como modelo de Tavis-Cummings [29]). Estos dos ultimos modelos poseen interes en Optica Cuantica y describen a un sistema de atomos susceptibles a ocupar dos niveles interactuando con un campo de radiacion. Mientras que el modelo SU(1; 1) y el modelo de Jaynes-Cummings son integrables, el modelo de Dicke no lo es. Todos ellos son sistemas de dos niveles que presentan tanto una QPT como una ESQPT. Asi pues, en primer lugar se analizaran las transiciones de fase con una aproximacion semiclasica, en particular las relacionadas con las transiciones de fase de estados excitados. Despues se introducira el concepto de quantum quench, analizandose la influencia que tiene una ESQPT sobre este. Por ultimo, relacionaremos la presencia de caos cuantico en el modelo no integrable de Dicke con los precursores de la ESQPT en el mismo.En el ultimo capitulo se presentara un resumen y las conclusiones de los principales resultados de este trabajo.
Au cours des 15 dernières années, des progrès spectaculaires dans l'analyse et la conception des codes définis par des graphes bipartites et dé-codables par des algorithmes itératifs ont permis le développement de systèmes de correction d'erreurs, avec des performances de plus en plus proches la limite théorique de Shannon. Dans ce contexte, un rôle déterminant a été joué par la famille des codes à matrice de parité creuse, appelés codes LDPC (pour « Low-Density Parity-Check », en anglais), introduit par Gallager au début des années 60 et décrits plus tard en termes de graphes bipartites. Négligés pendant de longues années, ces codes ont été redécouverts à la fin des années 90, après que la puissance du décodage itératif a été mise en évidence grâce à l'invention des Turbo-codes. Ce n'est qu'au début des années 2000 que les techniques nécessaires à l'analyse et l'optimisation des codes LDPC ont été développées, techniques qui ont permis ensuite la construction des codes avec des performances asymptotiques proches de la limite de Shannon. Cette remarquable avancée a motivé l'intérêt croissant de la communauté scientifique et soutenu le transfert rapide de cette technologie vers le secteur industriel. Plus récemment, un intérêt tout particulier a été porté aux codes LDPC définis sur des alphabets non-binaires, grâce notamment à leur meilleure capacité de correction en « longueur finie ». Bien que Gallager ait déjà proposé l'utilisation des alphabets non-binaires, en utilisant l'arithmétique modulaire, les codes LDPC non-binaires définis sur les corps finis n'ont étés étudiés qu'à partir de la fin des années 90. Il a été montré que ces codes offrent de meilleures performances que leurs équivalents binaires lorsque le bloc codé est de longueur faible à modérée, ou lorsque les symboles transmis sur le canal sont eux-mêmes des symboles non-binaires, comme par exemple dans le cas des modulations d'ordre supérieur ou des canaux à antennes multiples.Cependant, ce gain en performance implique un coût non négligeable en termes de complexité de décodage, quipeut entraver l'utilisation des codes LDPC non binaires dans des systèmes réels, surtout lorsque le prix à payer encomplexité est plus important que le gain en performance.Cette thèse traite de l'analyse et de la conception des codes LDPC non binaires pour des canaux à évanouissements. L'objectif principal de la thèse est de démontrer que, outre le gain en performance en termes de capacité de correction, l'emploi des codes LDPC non binaires peut apporter des bénéfices supplémentaires,qui peuvent compenser l'augmentation de la complexité du décodeur. La « flexibilité » et la « diversité »représentent les deux bénéfices qui seront démontrées dans cette thèse. La « flexibilité » est la capacité d'unsystème de codage de pouvoir s'adapter à des débits (rendements) variables tout en utilisant le même encodeuret le même décodeur. La « diversité » se rapporte à sa capacité d'exploiter pleinement l'hétérogénéité du canal de communication.La première contribution de cette thèse consiste à développer une méthode d'approximation de l'évolution de densité des codes LDPC non-binaires, basée sur la simulation Monte-Carlo d'un code « infini ». Nous montrons que la méthode proposée fournit des estimations très fines des performances asymptotiques des codes LDPCnon-binaires et rend possible l'optimisation de ces codes pour une large gamme d'applications et de modèles de canaux.La deuxième contribution de la thèse porte sur l'analyse et la conception de système de codage flexible,utilisant des techniques de poinçonnage. Nous montrons que les codes LDPC non binaires sont plus robustes au poinçonnage que les codes binaires, grâce au fait que les symboles non-binaires peuvent être partialement poinçonnés. Pour les codes réguliers, nous montrons que le poinçonnage des codes non-binaires obéit à des règles différentes, selon que l'on poinçonne des symboles de