Décodeur bruit contre bruit : Décodeurs itératifs de faible précision Dans cette thèse, deux décodeurs améliorés sont définis en utilisant un canal d’entrée quantifié avec seulement 3 ou 4 bits de précision pour les codes low-density parity-check (LDPC). Un algorithme de post-traitement pour les décodeurs itératifs de faible précision est également proposé. L'un des décodeurs proposés, appelé décodeur Noise-Against-Noise Min-Sum (NAN- MS), intègre une certaine quantité de perturbations aléatoires dues à une injection délibérée de bruit. L'autre des décodeurs proposés, appelé décodeur Sign-Preserving Min-Sum (SP-MS), conserve toujours le signe des messages et utilise toutes les combinaisons possibles pouvant être générées pour une précision donnée. De plus, le décodeur SP-MS peut réduire la précision de ses messages d'un bit tout en maintenant les mêmes performances de correction d'erreur. Le décodeur NAN-MS et le décodeur SP-MS présentent un gain de SNR pouvant atteindre 0,43 dB dans la région du waterfall de la courbe de performances. D'autre part, l'algorithme de post- processing proposé est très efficace et facilement adaptable aux décodeurs de faible précision. Pour le code IEEE ETHERNET, l'algorithme de post-processing implémenté dans un décodeur SP- MS de très faible précision permet de réduire le niveau d'erreur au-dessous d'un FER de 10-10. Sur un ASIC en technologie 28nm, une architecture entièrement parallèle du décodeur peut être mis en place sur une surface de 1.76 mm2, avec un débit de décodage de 319.34 Gbit/s et une efficacité matérielle de 181.44 Gbit/s/mm2.
Décodeur bruit contre bruit : Décodeurs itératifs de faible précision Dans cette thèse, deux décodeurs améliorés sont définis en utilisant un canal d’entrée quantifié avec seulement 3 ou 4 bits de précision pour les codes low-density parity-check (LDPC). Un algorithme de post-traitement pour les décodeurs itératifs de faible précision est également proposé. L'un des décodeurs proposés, appelé décodeur Noise-Against-Noise Min-Sum (NAN- MS), intègre une certaine quantité de perturbations aléatoires dues à une injection délibérée de bruit. L'autre des décodeurs proposés, appelé décodeur Sign-Preserving Min-Sum (SP-MS), conserve toujours le signe des messages et utilise toutes les combinaisons possibles pouvant être générées pour une précision donnée. De plus, le décodeur SP-MS peut réduire la précision de ses messages d'un bit tout en maintenant les mêmes performances de correction d'erreur. Le décodeur NAN-MS et le décodeur SP-MS présentent un gain de SNR pouvant atteindre 0,43 dB dans la région du waterfall de la courbe de performances. D'autre part, l'algorithme de post- processing proposé est très efficace et facilement adaptable aux décodeurs de faible précision. Pour le code IEEE ETHERNET, l'algorithme de post-processing implémenté dans un décodeur SP- MS de très faible précision permet de réduire le niveau d'erreur au-dessous d'un FER de 10-10. Sur un ASIC en technologie 28nm, une architecture entièrement parallèle du décodeur peut être mis en place sur une surface de 1.76 mm2, avec un débit de décodage de 319.34 Gbit/s et une efficacité matérielle de 181.44 Gbit/s/mm2.
Dans cette thèse, deux décodeurs améliorés sont définis en utilisant un canal d’entrée quantifié avec seulement 3 ou 4 bits de précision pour les codes low-density parity-check (LDPC). Un algorithme de post-traitement pour les décodeurs itératifs de faible précision est également proposé. L'un des décodeurs proposés, appelé décodeur Noise-Against-Noise Min-Sum (NAN- MS), intègre une certaine quantité de perturbations aléatoires dues à une injection délibérée de bruit. L'autre des décodeurs proposés, appelé décodeur Sign-Preserving Min-Sum (SP-MS), conserve toujours le signe des messages et utilise toutes les combinaisons possibles pouvant être générées pour une précision donnée. De plus, le décodeur SP-MS peut réduire la précision de ses messages d'un bit tout en maintenant les mêmes performances de correction d'erreur. Le décodeur NAN-MS et le décodeur SP-MS présentent un gain de SNR pouvant atteindre 0,43 dB dans la région du waterfall de la courbe de performances. D'autre part, l'algorithme de post- processing proposé est très efficace et facilement adaptable aux décodeurs de faible précision. Pour le code IEEE ETHERNET, l'algorithme de post-processing implémenté dans un décodeur SP- MS de très faible précision permet de réduire le niveau d'erreur au-dessous d'un FER de 10-10. Sur un ASIC en technologie 28nm, une architecture entièrement parallèle du décodeur peut être mis en place sur une surface de 1.76 mm2, avec un débit de décodage de 319.34 Gbit/s et une efficacité matérielle de 181.44 Gbit/s/mm2.
Cette thèse se consacre à l'étude de décodeurs itératifs, pour des codes correcteurd'erreurs binaires et non-binaires à faible densité (LDPC). Notre objectif est de modéliserdes décodeurs de complexité faibles et de faible latence tout en garantissantde bonne performances dans la région des très faibles taux d'erreur (error floor).Dans la première partie de cette thèse, nous étudions des décodeurs itératifssur des alphabets finis (Finite Alphabet iterative decoders, FAIDs) qui ont étérécemment proposés dans la littérature. En utilisant un grand nombre de décodeursFAIDs, nous proposons un nouvel algorithme de décodage qui améliore la capacité decorrections d'erreur des codes LDPC de degré dv = 3 sur canal binaire symétrique.La diversité des décodeurs permet de garantir une correction d'erreur minimale sousdécodage itératif, au-delà de la pseudo-distance des codes LDPC. Nous donnonsdans cette thèse un exemple detailé d'un ensemble de décodeur FAIDs, qui corrigetous les évènements d'erreur de poids inférieur ou égal à 7 avec un LDPC de petitetaille (N=155,K=64,Dmin=20). Cette approche permet de corriger des évènementsd'erreur que les décodeurs traditionnels (BP, min-sum) ne parviennent pas à corriger.Enfin, nous interprétons les décodeurs FAIDs comme des systèmes dynamiques etnous analysons les comportements de ces décodeurs sur des évènements d'erreur lesplus problématiques. En nous basant sur l'observation des trajectoires périodiquespour ces cas d'étude, nous proposons un algorithme qui combine la diversité dudécodage avec des sauts aléatoires dans l'espace d'état du décodeur itératif. Nousmontrons par simulations que cette technique permet de s'approcher des performancesd'un décodage optimal au sens du maximum de vraisemblance, et ce pourplusieurs codes.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un nouvel algorithmede décodage à complexité réduite pour les codes LDPC non-binaires. Nous avonsappellé cet algorithme Trellis-Extended Min-Sum (T-EMS). En transformant le domainede message en un domaine appelée domaine delta, nous sommes capable dechoisir les déviations ligne par ligne par rapport à la configuration la plus fiable,tandis que les décodeurs habituels comme le décodeur EMS choisissent les déviationscolonne par colonne. Cette technique de sélection des déviations ligne parligne nous permet de réduire la complexité du décodage sans perte de performancepar rapport aux approches du type EMS. Nous proposons également d'ajouter une colonne supplémentaire à la représentation en treillis des messages, ce qui résoudle problème de latence des décodeurs existants. La colonne supplémentaire permetde calculer tous les messages extrinséque en parallèle, avec une implémentationmatérielle dédiée. Nous présentons dans ce manuscrit, aussi bien les architecturesmatérielles parallèle que les architectures matérielles série pour l'exécution de notrealgorithme T-EMS. L'analyse de la complexité montre que l'approche T-EMS estparticulièrement adapté pour les codes LDPC non-binaires sur des corps finis deGalois de petite et moyenne dimensions.
Décodage itératif pour les codes LDPC au-delà de la propagation de croyances Les codes Low-Density Parity-Check (LDPC) sont au coeur de larecherche des codes correcteurs d'erreurs en raison de leur excellenteperformance de décodage en utilisant un algorithme de décodageitératif de type propagation de croyances (Belief Propagation - BP).Cet algorithme utilise la représentation graphique d'un code, ditgraphe de Tanner, et calcule les fonctions marginales sur le graphe.Même si l'inférence calculée n'est exacte que sur un graphe acyclique(arbre), l'algorithme BP estime de manière très proche les marginalessur les graphes cycliques, et les codes LDPC peuvent asymptotiquementapprocher la capacité de Shannon avec cet algorithme.Cependant, sur des codes de longueurs finies dont la représentationgraphique contient des cycles, l'algorithme BP est sous-optimal etdonne lieu à l'apparition du phénomène dit de plancher d'erreur. Leplancher d'erreur se manifeste par la dégradation soudaine de la pentedu taux d'erreur dans la zone de fort rapport signal à bruit où lesstructures néfastes au décodage sont connues en termes de TrappingSets présents dans le graphe de Tanner du code, entraînant un échec dudécodage. De plus, les effets de la quantification introduite parl'implémentation en hardware de l'algorithme BP peuvent amplifier ceproblème de plancher d'erreur.Dans cette thèse nous introduisons un nouveau paradigme pour ledécodage itératif à précision finie des codes LDPC sur le canalbinaire symétrique. Ces nouveaux décodeurs, appelés décodeursitératifs à alphabet fini (Finite Alphabet Iterative Decoders – FAID)pour préciser que les messages appartiennent à un alphabet fini, sontcapables de surpasser l'algorithme BP dans la région du plancherd'erreur. Les messages échangés par les FAID ne sont pas desprobabilités ou vraisemblances quantifiées, et les fonctions de miseà jour des noeuds de variable ne copient en rien le décodage par BP cequi contraste avec les décodeurs BP quantifiés traditionnels. Eneffet, les fonctions de mise à jour sont de simples tables de véritéconçues pour assurer une plus grande capacité de correction d'erreuren utilisant la connaissance de topologies potentiellement néfastes audécodage présentes dans un code donné. Nous montrons que sur demultiples codes ayant un poids colonne de trois, il existe des FAIDutilisant 3 bits de précision pouvant surpasser l'algorithme BP(implémenté en précision flottante) dans la zone de plancher d'erreursans aucun compromis dans la latence de décodage. C'est pourquoi lesFAID obtiennent des performances supérieures comparées au BP avecseulement une fraction de sa complexité.Par ailleurs, nous proposons dans cette thèse une décimation amélioréedes FAID pour les codes LDPC dans le traitement de la mise à jour desnoeuds de variable. La décimation implique de fixer certains bits ducode à une valeur particulière pendant le décodage et peut réduire demanière significative le nombre d'itérations requises pour corriger uncertain nombre d'erreurs fixé tout en maintenant de bonnesperformances d'un FAID, le rendant plus à même d'être analysé. Nousillustrons cette technique pour des FAID utilisant 3 bits de précisioncodes de poids colonne trois. Nous montrons également comment cettedécimation peut être utilisée de manière adaptative pour améliorer lescapacités de correction d'erreur des FAID. Le nouveau modèle proposéde décimation adaptative a, certes, une complexité un peu plus élevée,mais améliore significativement la pente du plancher d'erreur pour unFAID donné. Sur certains codes à haut rendement, nous montrons que ladécimation adaptative des FAID permet d'atteindre des capacités decorrection d'erreur proches de la limite théorique du décodage au sensdu maximum de vraisemblance.
Cette thèse se consacre à l'étude de décodeurs itératifs, pour des codes correcteurd'erreurs binaires et non-binaires à faible densité (LDPC). Notre objectif est de modéliserdes décodeurs de complexité faibles et de faible latence tout en garantissantde bonne performances dans la région des très faibles taux d'erreur (error floor).Dans la première partie de cette thèse, nous étudions des décodeurs itératifssur des alphabets finis (Finite Alphabet iterative decoders, FAIDs) qui ont étérécemment proposés dans la littérature. En utilisant un grand nombre de décodeursFAIDs, nous proposons un nouvel algorithme de décodage qui améliore la capacité decorrections d'erreur des codes LDPC de degré dv = 3 sur canal binaire symétrique.La diversité des décodeurs permet de garantir une correction d'erreur minimale sousdécodage itératif, au-delà de la pseudo-distance des codes LDPC. Nous donnonsdans cette thèse un exemple detailé d'un ensemble de décodeur FAIDs, qui corrigetous les évènements d'erreur de poids inférieur ou égal à 7 avec un LDPC de petitetaille (N=155,K=64,Dmin=20). Cette approche permet de corriger des évènementsd'erreur que les décodeurs traditionnels (BP, min-sum) ne parviennent pas à corriger.Enfin, nous interprétons les décodeurs FAIDs comme des systèmes dynamiques etnous analysons les comportements de ces décodeurs sur des évènements d'erreur lesplus problématiques. En nous basant sur l'observation des trajectoires périodiquespour ces cas d'étude, nous proposons un algorithme qui combine la diversité dudécodage avec des sauts aléatoires dans l'espace d'état du décodeur itératif. Nousmontrons par simulations que cette technique permet de s'approcher des performancesd'un décodage optimal au sens du maximum de vraisemblance, et ce pourplusieurs codes.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un nouvel algorithmede décodage à complexité réduite pour les codes LDPC non-binaires. Nous avonsappellé cet algorithme Trellis-Extended Min-Sum (T-EMS). En transformant le domainede message en un domaine appelée domaine delta, nous sommes capable dechoisir les déviations ligne par ligne par rapport à la configuration la plus fiable,tandis que les décodeurs habituels comme le décodeur EMS choisissent les déviationscolonne par colonne. Cette technique de sélection des déviations ligne parligne nous permet de réduire la complexité du décodage sans perte de performancepar rapport aux approches du type EMS. Nous proposons également d'ajouter une colonne supplémentaire à la représentation en treillis des messages, ce qui résoudle problème de latence des décodeurs existants. La colonne supplémentaire permetde calculer tous les messages extrinséque en parallèle, avec une implémentationmatérielle dédiée. Nous présentons dans ce manuscrit, aussi bien les architecturesmatérielles parallèle que les architectures matérielles série pour l'exécution de notrealgorithme T-EMS. L'analyse de la complexité montre que l'approche T-EMS estparticulièrement adapté pour les codes LDPC non-binaires sur des corps finis deGalois de petite et moyenne dimensions.
Les codes Low-Density Parity-Check (LDPC) sont au coeur de larecherche des codes correcteurs d'erreurs en raison de leur excellenteperformance de décodage en utilisant un algorithme de décodageitératif de type propagation de croyances (Belief Propagation - BP).Cet algorithme utilise la représentation graphique d'un code, ditgraphe de Tanner, et calcule les fonctions marginales sur le graphe.Même si l'inférence calculée n'est exacte que sur un graphe acyclique(arbre), l'algorithme BP estime de manière très proche les marginalessur les graphes cycliques, et les codes LDPC peuvent asymptotiquementapprocher la capacité de Shannon avec cet algorithme.Cependant, sur des codes de longueurs finies dont la représentationgraphique contient des cycles, l'algorithme BP est sous-optimal etdonne lieu à l'apparition du phénomène dit de plancher d'erreur. Leplancher d'erreur se manifeste par la dégradation soudaine de la pentedu taux d'erreur dans la zone de fort rapport signal à bruit où lesstructures néfastes au décodage sont connues en termes de TrappingSets présents dans le graphe de Tanner du code, entraînant un échec dudécodage. De plus, les effets de la quantification introduite parl'implémentation en hardware de l'algorithme BP peuvent amplifier ceproblème de plancher d'erreur.Dans cette thèse nous introduisons un nouveau paradigme pour ledécodage itératif à précision finie des codes LDPC sur le canalbinaire symétrique. Ces nouveaux décodeurs, appelés décodeursitératifs à alphabet fini (Finite Alphabet Iterative Decoders – FAID)pour préciser que les messages appartiennent à un alphabet fini, sontcapables de surpasser l'algorithme BP dans la région du plancherd'erreur. Les messages échangés par les FAID ne sont pas desprobabilités ou vraisemblances quantifiées, et les fonctions de miseà jour des noeuds de variable ne copient en rien le décodage par BP cequi contraste avec les décodeurs BP quantifiés traditionnels. Eneffet, les fonctions de mise à jour sont de simples tables de véritéconçues pour assurer une plus grande capacité de correction d'erreuren utilisant la connaissance de topologies potentiellement néfastes audécodage présentes dans un code donné. Nous montrons que sur demultiples codes ayant un poids colonne de trois, il existe des FAIDutilisant 3 bits de précision pouvant surpasser l'algorithme BP(implémenté en précision flottante) dans la zone de plancher d'erreursans aucun compromis dans la latence de décodage. C'est pourquoi lesFAID obtiennent des performances supérieures comparées au BP avecseulement une fraction de sa complexité.Par ailleurs, nous proposons dans cette thèse une décimation amélioréedes FAID pour les codes LDPC dans le traitement de la mise à jour desnoeuds de variable. La décimation implique de fixer certains bits ducode à une valeur particulière pendant le décodage et peut réduire demanière significative le nombre d'itérations requises pour corriger uncertain nombre d'erreurs fixé tout en maintenant de bonnesperformances d'un FAID, le rendant plus à même d'être analysé. Nousillustrons cette technique pour des FAID utilisant 3 bits de précisioncodes de poids colonne trois. Nous montrons également comment cettedécimation peut être utilisée de manière adaptative pour améliorer lescapacités de correction d'erreur des FAID. Le nouveau modèle proposéde décimation adaptative a, certes, une complexité un peu plus élevée,mais améliore significativement la pente du plancher d'erreur pour unFAID donné. Sur certains codes à haut rendement, nous montrons que ladécimation adaptative des FAID permet d'atteindre des capacités decorrection d'erreur proches de la limite théorique du décodage au sensdu maximum de vraisemblance.
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.