（通信与信息系统专业论文）无线信道可配置turbo译码组件技术研究.pdf

摘要 目前，t u r b o 码已经走向了实用化的道路，如何用硬件实现有效的t u r b o 码编 译码器成为了人们研究的重点。本文以译码时延短、资源消耗少、工作时钟频率 高为目标，设计了既适用于l t e 基带系统又适用于w i m a x 基带系统的可配置 t u r b o 译码器。 本文在分析m a p 、l o gm a p 和m a xl o g译码算法的基础上，推导出_map 了分别适用于l t e 和w i m a x 系统的基4 的l o g 、 l o g译码算法m a p m a xm a p 的计算公式。从计算复杂度和性能两个方面进行比较，本文选择基4 的增强型 m a x 译码算法作为本次译码器设计的译码算法方案。采用分块并行译码logm a p 和滑动窗译码的方案，分别设计了基于c 语言的l t e 的t u r b o 译码和w i 的 c t c 译码的仿真平台。在a w g n 信道下对影响译码器性能的关键参数如分块数、 滑动窗长度、数据位宽等进行仿真，通过仿真确定可配置t u r b o 译码器的最佳方 案。 在f p g a 硬件实现中，通过采用分块并行译码、滑动窗译码以及“乒乓操作 结构 ，有效地减少了译码器的时延；通过采用“流水线操作结构 ，提高了工作 时钟的频率；通过采用滑动窗译码，有效地减少了硬件资源的消耗。可配置t u r b o 译码器最终在a l t e r a 公司的s t r a t i xi ig xe p 2 s g x 9 0 f f l 5 0 8 c 3 芯片上实现，并分 别在l t e 和w i m a x 基带系统中完成了性能测试。本文所作的研究工作对于未来 在无线基带系统中进一步设计更高性能的t u r b o 译码器奠定了良好的基础。 关键词：m a x _ l o g _ m a pt u r b o 译码器分块并行 滑动窗流水线 a b s t r a c t n o w , t u r b oc o d eh a sb e e na p p l i e dt ot h er e a lc o m m u c a t i o ns y s t e m s ，a n dh o wt o i m p l e m e n tt h et u r b oe n c o d e ra n dd e c o d e r 、析t l lh a r d w a r ee f f e c t i v e l yh a sb e c o m ea r e s e a r c hh o ts p o t t h i st h e s i sa i m sa ti m p l e m e n t i n gat u r b od e c o d e rw i m s h o r t d e c o d e - l a t e n c y , l i t t l er e s o u r c e ，h i g hw o r k i n gc l o c kf r e q u e n c y , a n dd e s i g n sa c o n f i g u r a b l et u r b od e c o d e rw h i c hc a nb ea p p l i e db o t hi nl t eb a s e b a n ds y s t e ma n d w i m a xb a s e b a n ds y s t e m o nt h eb a s eo fa n a l y s i n gt h ed e c o d i n ga l g o r i t h m so fm 腿l o g _ m a pa n d m a x _ t ，( , gm a p , t h er a d i x - 4l o g _ m a pa n dm a x _ l o g _ m a pa l g o r i t h m sa r ed e r i v e dt o a d a p tl t ea n dw i m a xb a s e b a n ds y s t e ms e p a r a t e l y t h ee n h a n c e dm a x _ l o g _ m a p d e c o d i n ga l g o r i t h mo fr a d i x - 4i sc h o s e na st h ed e c o d i n ga l g o r i t h mo ft h i sd e c o d e r s d e s i g n ，t h r o u g hc o m p a r i n gt h ec o m p u t i n gc o m p l e x i t ya n dp e r f o r m a n c e t h i st h e s i s a d o p t sp a r a l l e ls u b b l o c kd e c o d i n ga n ds l i d i n gw i n d o wd e c o d i n g ，a n dd e s i g n st h e s i m u l a t i n gp l a t f o r mo ft u r b od e c o d e ro fl t ea n dc t c d e c o d e ro fw i m a x r e s p e c t i v e l y u s i n gcl a n g u a g e b a s e do nm a n ys i m u l a t i o n sw i t ht h ek e yp a r a m e t e r ss u c ha st h eb l o c k n u m b e r ，t h el e n g t ho fs l i d i n gw i n d o w , t h ew i d t ho fd a t aa n ds oo nw h i c hi n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h ed e c o d e r i na w g n c h a n n e l ，a no p t i m u ms c h e m eo ft h ec o n f i g u r a b l e t u r b od e c o d e ri sp r o p o s e d i nt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nb a s e do nf p g a ，t h ed e c o d i n gd e l a yh a sb e e n r e d u c e da v a i l a b l yw h e np a r a l l e ls u b - b l o c kd e c o d i n g ，s l i d i n gw i n d o wd e c o d i n ga n d p i n g - p o n go p e r a t i n gs t r u c t u r eh a db e e na d o p t e d t h eh i g h e rw o r k i n gc l o c kc a nb eu s e d i nt h es y s t e mw h e np i p e l i n i n gs t r u c t u r eh a db e e na d o p t e d a n dt h er e s o u r c ec o n s u m e d h a sb e e nd e c r e a s e de f f e c t i v e l yw h e ns l i d i n gw i n d o wd e c o d i n gh a db e e na d o p t e d t h e c o n f i g u r a b l et u r b od e c o d e rh a sb e e ni m p l e m e n t e do nt h ef p g ac h i p ( s t r a t i xi ig x e p 2 s g x 9 0 f f15 0 8 c 3 ) o fa l t e r ac o m p a n y , a n dt h ep e r f o r m a n c et e s t i n gi sf u l f i l l e d i nt h eb a s e b a n ds y s t e mo fl t ea n dw i m a xr e s p e c t i v e l y t h es t u d i e so ft h i st h e s i s p r o v i d et h ef o u n d a t i o no fd e s i g n i n gat u r b od e c o d e r 、析mb e a e rp e r f o r m a n c ei nt h e w i r e l e s sb a s e b a n ds y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d ：m a x _ l o g _ m a p t u r b od e c o d e r p a r a l l e ls u b b l o c k s l i d i n gw i n d o wp i p e l i n i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人躲蜱 导师签名：诬 日期：霉皇厶 日期：磁三：竖 第一章绪论 第一章绪论 通信的目的在于如何将信息及时可靠地传送给对方，快速和可靠是衡量一个 通信系统性能的最主要指标。为了提高系统的可靠性，对抗信道的干扰，就必须 采用差错控制技术。所以，纠错检错设备是通信系统中不可或缺的组成部分。纠 错码技术正是研究如何寻找一种在实际上易于实现，而且能够达到有效可靠通信 的编译码方法。 1 1t u r b o 码的产生背景 1 9 4 8 年，s h a n n o n 发表了题为“通信的数学理论 的著名论文【l 】，这是一篇现 代信息理论的奠基性论文，它的发表标志着信息与编码理论这一学科的成立。 s h a n n o n 提出了著名的信道编码定理：任何一个通信信道都有确定的信道容量c ， 只要信息传输速率r d 于c ，则存在一种编码方法，当码长n 充分大，并采用最大似 然译码( m l d ) 时，译码的错误概率可以达到任意小。这种无差错传输必须满足以下 3 个条件： 1 采用随机性编译码； 2 编码长度三- - o o ，即分组的码组长度无限长； 3 译码过程采用最佳的最大似然译码( m l d ) 方案。 从s h a n n o n 信道编码定理可知，在信息传输速率r 不大于信道容量c 的情况下， 从码组长度趋于无穷大的码集合中随机选取编码码字，并且在接收端译码采用最 大似然译码算法时，译码的误码率可趋于零。虽然该定理仅仅是一个存在性定理， 没有给出具体实现差错控制编码的方法，但却从理论上给出了纠错码的理论极限， 同时也指明了纠错码研究的方向和目标。正是在信道编码定理的指引下，编码理 论的学者们为了构造出好的长码和译码复杂度可接受的译码算法而提出了很多编 码方案。 1 9 4 6 年，工作于贝尔实验室的数学家r h a m m i n g 提出了第一个差错控制编码方 案码一汉明码，这个编码方法成为了分组码的基本思想 2 1 。随后g o l a y 在研究汉明 码的基础之上，提出了两个以他自己名字命名的二元g o l a y 码、三元g o l a y 码。1 9 5 4 年，m u l l e r 提出t r e e d m u l l e r 码【3 1 ，并由r e e d 提出了相应的译码算法【4 】，形成了比 汉明码和g o l a y 码更为先进、实用的分组码。1 9 5 9 年h o c g e n g h e m 和1 9 6 0 年b o s e 及 r a y c h a n d h u r i 分别提出了纠正多个随机错误的循环b c h 码；1 9 6 0 年p e t e r s o n 找到了 二元b c h 码的第一个有效算法，从而将它由理论推向实用。1 9 6 0 年r e e d 和s o l o m o n 2 无线信道可配置t u r b o 译码组件技术研究 发现了b c h 码在基于素数的有限域中的一个子类r s 码的构造方法，从而将分组码 的理论推到了一个高峰。 上面几种编码都是分组码，虽然分组码在理论分析和数学描述上已经非常成 熟，并且在实际的通信系统中也得到了广泛的应用，但是分组码存在的固有缺点 制约了它本身的进一步发展：首先，分组码是面向数据块的，译码过程中必须等 待整个码字全部接收到之后才能开始译码，特别是数据块较长时，造成系统时延 非常大；其次，分组码要求精确的帧同步，需要对接收码字或帧的起始符号时间 和相位精确同步；再次，大多数分组码的译码算法都是硬判决算法而不是对解调 器输出的未量化信息进行软译码，造成了一定程度的增益损失，尤其是在低信噪 比条件下，分组码的纠错能力表现得很差。 1 9 5 5 年，e l i a s 等人提出了卷积码，很好的解决了分组码的固有问题。由于它 的编码过程是连续进行的，并且在编码过程中充分利用了前后比特的相关性，因 此性能优于同等编码效率的分组码。而且在同等码率和相似的纠错能力下，卷积 码的实现要比分组码简单。直至j j l 9 6 7 年v i t e r b i 提出了基于似然译码的v i t e r b i 算法1 5 j 后，无论从理论还是实际应用上都大力推动了卷积码的发展。卷积码在各种通信 系统中都得到了广泛的应用。 近年来，在信道编码定理的引导下，人们一直致力于寻找能满足现代通信业 务要求、结构简单、性能优越的好码，并在分组码、卷积码等基本编码方法基础 上，提出了乘积码、代数几何码、低密度校验码( l d p c ) 、分组一卷积级联等编码方 法。其中对纠错编码发展贡献比较大的是f o m e y 在1 9 6 6 年提出了串行级联码的编码 方案【6 j ，它的基本思想是通过短码级联构造长码的方法来提高纠错码的纠错能力， 并且允许将最大似然译码分为几个较简单的译码步骤，得到一个次最优但实际可 行的译码策略，这也符合s h a n n o n 信道编码定理构造好码的思想。 传统通信系统的最佳接收机在处理接收信号的过程中，解调器首先对输入符 号做最佳判决，然后将硬判决结果送给译码器，译码器再对输入信息做最佳判决。 事实上，经过解调器对符号的硬判决，丢失了很多有利的译码信息。因此为了提 高通信系统的性能，人们又提出了软判决译码的方法【_ 7 1 ，即解调器对输出不进行判 决，送到译码器的是判决符号可能的概率值或未量化输出。在文献 7 中分析出解 调器采用软输出可以得到比硬判决输出高2 d b 左右的附加编码增益。这种仅仅输 入是软信息的译码方法在像串行级联码这种组合多个码的情况下，由于内码译码 器的输出为硬判决结果使得外码译码器不能采用软判决译码，从而限制了系统性 能的进一步提高。因此人们又提出了软输出的译码的概念和方法【3 】。这种输入输出 均为软判决的译码方法被称为软输入软输$ ( s i s o ) 译码算法。它使通信系统的性能 有了很大的改进，但是串行级联码与香农极限还存在相当一段的差距。 1 9 7 4 年，b a h l ，j e l i n e k 和r a v i v 等共同提出了最大后验概率( m a p ) 译码算法( 也 第一章绪论 称为b c 瓜算法) 【9 】，并适用于任何线性分组码和卷积码，由于计算较为复杂，当时 并未引起注意，但为t u r b o 码的产生起了奠基的作用。1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出了 t c m 概念【l 们，它将纠错码与调制技术有机结合，在不增加系统带宽要求的条件下 通过扩展符号映射空间来提高编码增益。t c m 技术奠定了限带信道上编码调制技 术的研究基础，被认为是信道编码发展中的一个重大飞跃。 虽然上述这些技术都对信道编码的设计和发展产生了重大影响，但是其增益 与s h a n n o n 理论极限始终都存在2 3 d b 左右的差距，所以，在t u 帕o 码提出以前的信 道截止速率( c u t o f f r a t e ) r 1 l l 4 直被认为是差错控制码性能的实际极限，而s h a n n o n 限仅仅是理论上的极限，实际是不可能达到的。根据s h a n n o n 信道编码定理，在信 道传输速率r 不超过信道容量c 的前提下，只有在码组长度无限长的码集合中随机 选择编码码字并且在接收端采用m l d 算法时，才能使误码率任意小。但由于m l d 的复杂度是随码字长度的增加呈指数形式加大，当编码长度趋于无穷大时，m l d 是不可能实现的。所以人们认为随机性编译码仅仅是s h a n n o n 为证明定理存在性而 引入的一种数学方法和手段，而在实际中是不可能实现的。但是在1 9 9 3 年，在瑞 士日内瓦召开的国际通信会议( i c c ) 上，c b e r r o u ，a g l a v i e u x 和p t h i t i m a j s h i m a 提 出了一种震惊整个编码界的新型信道编码方案i t l l r b o 码【1 2 】。t u r b o 码巧妙地将卷 积码和随机交织器结合起来，实现了随机编码的思想，同时采用软输出迭代译码 来逼近最大似然译码。b e r r o u 等人使用约束长度为5 的子码，长度为6 5 5 3 5 的交织器， 码率为1 2 的t u r b o 码，经过1 8 次迭代译码之后，在a w g n 信道上，采用b p s k 调制， 当e n 0 7 d b 时的误比特率b e r 1 0 。5 ，达到了近s h a n n o n 限的性能( 1 2 码率的 s h a n n o n 限为0 d b ) 。t u r b o 码的提出更新了编码理论研究的一些概念和方法：编码 理论的研究从早期的基于代数结构的构造与译码方法，变成了现在主要是基于概 率的软判决译码方法；编码方案的比较也由以前的相互比较过渡到了现在大多与 s h a n n o n 限进行比较；t u r b o 码的提出具有里程碑的意义。 1 2t u r b o 码的研究现状 自1 9 9 3 年t u r b o 码提出以来，由于其接近s h a n n o n 极限的优异译码性能在编码 界引起了轰动，成为了人们研究的热点，也取得了不少的成果。 1 9 9 5 年，r p o d e m s k i 等给出了计算汉明距离谱( h d s ) 的算法，并利用最小汉明 距离与h d s 对t u r b o 码的性能进行了分析，分析结果与模拟结果相当接近。此后， s v i r i d 弓 用分组码的性能分析方法分析了交织器的设计与t u r b o 码的性能，给出了误 比特率( b e r ) 的联合界，并指出交织器的设计原则是使t u r b o 码的最小重量尽可能 大【1 3 1 。 p e r e z 等从距离谱的观点分析了t u r b o 码在低信噪比时的优异性能，在t u r b o 码 4无线信道可配置t u r b o 译码组件技术研究 的编码器中，指出交织器起着“谱窄化 的作用，能使t u r b o 码的小重量的码字数 目减少，从而提高译码性能。p e r e z 等还通过距离谱解释了t u r b o 码译码性能中出现 的错误平层( e r r o rf l o o r ) 现象。所谓的错误平层，就是在误码率下降到一定程度以后， 再增加信噪比的情况下，误码率就下降地很慢，并趋于恒定。 1 9 9 6 年，s b e n e d e t t o 和g m o m o r s i 弓i 入了均匀交织器的概念，给出了t u r b o 码 的一个b e r 联合性能上界，并指出好的交织器是存在的1 1 4 1 。1 9 9 8 年，他们对众多 的r s c 子码进行了研究，提出了一些性能优秀的r s c 成员码 1 5 , 1 6 j 。这些研究为构造 优秀的t u r b o 码提供了参考。 t u r b o 码迭代译码的思想还逐渐被应用于其他领域，例如迭代均衡技术、迭代 与多用户检测相结合、迭代与高效调制技术的结合，此外迭代译码技术还可应用 于信道编码与有记忆调制的级联系统。t u r b o 码本身也出现了一些变体，1 9 9 6 年， m a c k a y 提出了低密度校验码【1 7 】；2 0 0 1 年，l ip i n g 提出了“t u r b o s p c ( 单校验) 码 ， 它的译码复杂度l t t u r b o 码低得多f l 引。 十几年以来，人们在t u r b o 码的理论研究方面作了大量的工作，取得了不少成 果【1 9 2 1 】。尤其是在t u r b o 码的编码结构，交织器设计和译码算法等方面取得了一定 的进展。与其它的信道编码方案相比较，t u r b o 码虽然采用了迭代译码的原理，具 有优异的译码性能，但是仍存在有待于改进的缺陷： ( 1 ) 目前，t u r b o 码的译码算法主要为m a p 【2 2 q 3 算法和s o v a 【2 4 1 算法。m a p 算 法性能很好，但复杂度太高，在实际通信系统中受到限制；s o v a 算法简单，但性 能比m a p 算法差，且译码性能不是很稳定。这两种算法都没有采用快速算法，能 否设计简单可行、性能较佳的译码算法将决定t u r b o 码的应用前景。 ( 2 ) 编译码器中交织器的引入，译码器采用级联译码和迭代译码，从而具有优 越的译码性能，但这也造成了一个较大的缺点，那就是译码时延太大，从而限制 了t u r b o 码在高速实时通信系统中的应用；如何正确估量t u r b o 中时延的影响，从而 确定最佳的编码方法还有待于进一步的研究。 ( 3 ) t u r b o 码交织方法的选择。t u r b o 码中的交织器对其性能有很大的影响，选 择恰当的交织器将使t u r b o 码的优异性能得到充分的发挥，但是什么是最佳的交织 方法一直没有定论，这是t u r b o 码所要解决的一个重要问题。 ( 4 ) 理论分析困难，目前尚未有对t u r b o 码编译码器进行完整的理论分析与估 计，一般都是通过计算机仿真模拟其性能。 虽然理论尚有欠缺，但是通过多年来学者们在降低t u r b o 码译码复杂度方面的 努力，t u r b o 码已经走向了实用化的道路。具有代表性的3 g p p 的w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和我国的t ds c d m a = 个通信标准的实施为t u r b o 码的研究提供了重 要的应用背景。3 g p p 长期演进技术l t e 系统中的信道编码也采用了t u r b o 码，它是 一个归零码，具有“尾比特”。卷积t u r b o 码( c t c ) ，自问世以来，经过广大学者 第一章绪论 的不断努力，得到了快速的发展，在短短几年内成为了一种实用的成熟技术。c t c 采纳了两种最新的t u r b o 码技术：循环递归系统卷积码( c r s c ) 做子码，不需要“尾 比特 就可以使每个分组具有相同的起始状态和终止状态；对于相同的实现复杂 度，两路信息同时输入的编码结构纠错性能优于单路信息输入。作为这种惊人进 展的结果，c t c 已经开始进入标准化系统，女n c t c 已被美国空间数据系统顾问委员 会( c c s d s ) 作为深空通讯的标准，同时它也被确定为第三代移动通讯系统 ( i m t 2 0 0 0 ) 和第四代通讯系统( w i m a x ) 的信道编码方案之一，用于高速率、高质 量的通讯业务。w i m a x 系统中的c t c 采用的是8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 标准中的卷积 t u r b o 码( c t c ) 。 就硬件实现而言，许多的科研院所和大公司都已经推出了t u r b o 码的相关芯片 和正在研究更适于现代通信系统的t u r b o 码芯片。南澳大利亚大学s m a l lw o r l d 通信 研究组最先开始开发t u r b o 编译码器并推出了t u r b o 码产品，新加坡o k i 公司推出了 用于t u r b o 编解码的专用芯片e m i k 0 7 ，a d v a n c e dh a r d w a r e 推出了单芯片t u r b o 乘积 码( t c p ) 编解码器a s t r ol e ，世界上两大著名的f p g a 供应商x i l i n x 和a l t e r a 公司都推 出了基于自己f p g a 芯片的t u r b o 码编译码器的i pc o r e 。但总的来说，推出的专用芯 片和i pc o r e 是用于特殊用途的，参数单一，缺乏灵活性，存储量大，功耗较大，而 且价格昂贵，专用芯片还有一定的起订数量要求，阻碍了t u r b o 码的实用化推广。 由于目前l t e 和w i m a x 基带系统中使用的t u r b o 译码器都是i pc o r e ，针对上面的缺 点，从事l t e 和w i m a x 技术开发的公司很有必要自己来做t u r b o 译码器。 在硬件实现中，t u r b o 码分量译码器采用的实现算法通常有s o v a 算法1 2 5 0 2 6 和 m a p 算法的简化算法l o g 算、法【2 7 。0 1 ，算法 1 。 算法具map m a xl o g m a p 3z - 3 4 s o v a 有最低的译码复杂度，但是性能也是最差，译码性能也不稳定；l o g 有硬件实现最佳的译码性能，但复杂度最大；m a xl o gm a p 算法复杂度低于 l o g 算法，高于算法，性能仅次于算法。因此，普遍采用复_ m a p s o v a l o g m a p 杂度和性能都适中的m a x 算法。l o g m a p t u r b o 码已经在实际的通信系统中得到应用，但是随着通信技术的发展和人们 对通信业务的需求仍需进行改进。目前，国内外研究t u r b o 码硬件实现，主要朝着 以下三个方向发展： 1 减小译码时延，提高数据吞吐量； 2 降低译码的复杂度，减小编译码器对硬件资源的消耗； 3 降低编译码器芯片的功耗。 1 3 本文的内容安排 本文所设计的是可配置t u r b o 译码器，它既适用于l t e 基带系统又适用于 6无线信道可配置t u r b o 译码组件技术研究 w i m a x 基带系统，既支持固定迭代次数的译码又支持动态停止迭代译码。本文主 要是针对上节提及的t u r b o 码硬件实现发展方向中的前两个方向进行研究：减少译 码时延，提高吞吐量；减少硬件资源的消耗。 本文采用的译码算法为基4 的增强型m a x 算法，硬件实现中采用logmap 了分块并行译码和滑动窗译码、“流水线操作结构和“乒乓操作结构 。短包采 用的是分块并行译码，而长包采用的是分块并行译码和滑动窗译码，不同的包长 采用不同的分块策略，分块的个数有4 、6 和8 三种。通过采用分块并行译码和滑 动窗译码以及“乒乓操作结构”，大大减少了译码器的时延；通过采用“流水线操 作结构”，提高了时钟频率；通过采用滑动窗译码，有效地减少了硬件存储资源的 消耗。 文中各章节的内容具体安排如下： 第一章首先介绍了t u r b o 码的产生背景，然后介绍了t u r b o 码的研究现状，最 后介绍了本文的内容安排。 第二章首先介绍了t u r b o 码的基本编码方案、编码器的主要组成部分；然后分 别介绍了l t e 系统中的t u r b o 码编码器结构及其交织方案、w i m a x 系统中的c t c 编码器结构及其交织方案；最后介绍了t u r b o 码的软输入软输出迭代译码器结构和 工作原理。 第三章首先详细推导了m a p 、l o g _ m a p 和m a x _ l o g _ m a p 算法；接着详细 推导出分别适合于l t e 系统和w i m a x 系统的基4 的l o g和map m a xl o gm a p 算法，并选择基4 的增强型m a x 算法作为本文的译码算法；最后以logmap w i m a x 系统为例，通过仿真分析了不同的设计参数对卷积t u r b o 码性能的影响。 第四章首先详细介绍了本文中所使用的分块并行译码和滑动窗译码的译码方 案，详细给出了前向状态度量和后向状态度量值的传递方案；接着介绍了定点化 的过程和数据位宽的选取方法；然后介绍了仿真系统的设计和固定迭代译码的流 程：最后介绍了所采用的停止迭代判决准则i h d a 准则和具体的操作过程。文中 对分块并行译码和滑动窗译码的方案、定点化、停止迭代译码分别给出了仿真性 能曲线。 第五章在前面几章的基础上提出本文硬件实现的方案，主要由逻辑控制模块、 输入缓存模块、滑窗缓存器模块、分量s i s o 译码模块、交织解交织模块、地址 发生器模块、停止迭代判决模块、硬判决模块、输出缓存模块组成。主要采用了 分块并行译码和滑动窗译码、“流水线操作结构”和“乒乓操作结构 ，然后详细 介绍了硬件方案中的几个主要模块的实现过程和框图，如分量s i s o 译码模块和地 址产生器模块等；最后给出了译码器硬件资源消耗情况和工作时钟所能达到的频 率，并给出了译码器在两种包长情况下的吞吐量。 第六章对以上完成的工作进行总结并做出展望。 第二章t u r b o 码原理 7 第二章t u r b o 码原理 t u r b o 码巧妙地将卷积码和随机交织器结合在起，在实现随机编码思想的同 时，通过交织器实现了由短码构造长码的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最 大似然译码，充分利用了s h a n n o n 信道编码定理的基本条件，得到了s h a n n o n 极 限的性能。本章主要介绍t u r b o 码的编译码原理，同时给出了l t e 系统中的t u r b o 编码和交织方案及w i m a x 系统中的卷积t u r b o 码( c t c ) 的编码和交织方案。 2 1 1t u r b o 码的编码结构 2 1t u r b o 码编码器原理 1 9 9 3 年，c b e r r o u 等人最初提出的t u r b o 码编码器结构采用的是并行级联卷 积码结构，即p c c c ( p a r a l l e lc o n c m e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ) 。典型的p c c c 编 码器结构如图2 1 所示【3 5 】，主要由两个递归系统卷积码( r s c ) 分量编码器、交织器、 删余器和复接器组成。 在t u r b o 码编码过程中，长度为n 的信息序列 ) 经过一个n 位交织器，形 成一个新序列 玩) 。序列“) 和 玩) 分别送到两个分量编码器r s c l 、r s c 2 ，生成 校验序列x 、x 加。序列x 岫与x 2 p 需要经过删余器，采用删余技术从这两个校 验序列中周期地删除一些校验位，形成校验序列x p 。x ，与未编码序列x 5 经过复 接器后形成t u r b o 码序列x 。 2 1 2r s c 递归系统卷积码 图2 1t u r b o 码编码器结构 在t u r b o 码中，为了得到更好的编码性能，一般采用递归系统卷积码( r s c ) 作 8无线信道可配置t u r b o 译码组件技术研究 为分量编码器。和传统的卷积码相比较，递归系统卷积码最大的特点是它存在着 反馈。常用的r s c 编码器一般由2 4 级移位寄存器构成，用生成多项式表示为： g ( d ) = 1 ，姜器】。1 表示系统比特，g o ( d ) 表示反馈多项式，蜀( d ) 表示前向多 项式，岛( d ) 和g i ( d ) 用八进制数表示。图2 2 所示为生成多项式为( 7 ，5 ) 的递归系 统卷积码。 图2 2 ( 7 ，5 ) 递归系统卷积码 t u r b o 码选择r s c 码作为其分量码，而不选择n s c ( 非系统卷积码) 或者其他码 的原因在于：非系统卷积码的b e r 性能在高信噪比时比约束长度相同的非递归系 统码要好，但是在低信噪比时的情况相反，递归系统卷积码( r s c ) 贝j j 综合了n s c 码和系统码的特点。而且系统码可以直接从码字中恢复信息序列，这一特点使得 t u r b o 码在译码端无需变换码字就可以直接对接收的码字序列进行译码。所以r s c 码相对于n s c 码而言译码更加简单快捷。 另外，对于一个r s c 码，总是存在一个具有完全相同栅格结构的n s c 码，反 之亦然。因此从子码的性能上来说，n s c 码并没有很大的优势。而且从性能联合 界的分析可以看出，当子码采用r s c 码时，t u r b o 码的性能随着交织长度的增加 而稳定地提高，而对于采用n s c 作子码的t u r b o 码来说基本上没有交织增益，并 且在高码率的情况下，对于任何信噪比，r s c 均比等效的n s c 要好。 2 1 3 交织器的设计及作用 在t u r b o 码系统中，交织器是非常重要的组成部件，t u r b o 码中交织器的作用主 要是用于减小校验比特之间的相关性，进而在迭代译码过程中降低误比特率。 1 ) 交织器的基本概念 交织实际上就是将数据序列中元素的位置进行重置，从而得到交织序列的过 第二章t u r b o 码原理9 程。这个过程的逆过程就是在交织序列的基础上将交织序列中的元素恢复原有顺 序，从而恢复出原始序列的过程，这个过程也称为解交织过程。实现交织和解交 织过程的设备就称为交织器和解交织器。 例如，设交织器j 的输入为 ”= ( ，u 2 ，4 )( 2 - 1 ) 其中4 r 0 ，l ，f = 1 ，2 ，n 。 交织映射输出序列为 露= ( 蟊，u 2 ，巩) ( 2 - 2 ) 其中露， o ，1 ，歹= 1 ，2 ，n 。 序列厅与序列”仅仅是元素的位置顺序的不同。如果将输入序列和交织输出序 列看成是一对含有n 个元素的集合，则交织过程可以看成从集合”到集合西的一个 一一映射过程，即 i 4 f - - 巧 ( 2 - 3 ) 2 ) 交织器的作用 首先从信息论的角度看，在t u r b o 码编码器中引入交织器的目的是实现随机性 编码，所以交织器的主要作用是利用随机化的思想将两个相互独立的短码组合而 成一个长的随机码，因为长码的性能可以逼近香农极限。其次，交织器可以用来 分散随机错误。信息序列经过交织器后被送入第二个子编码器，于是，一种基于 两个子译码器之间互相传递“不相关”信息的次优迭代译码算法得以应用。最后， 交织器还可以用来打破低重量的输入序列模式，从而增大输出码字的最小汉明距 离或者说减小低重量码字的数量。 交织器通过交织尺寸和交织规则两个方面来影响t u r b o 码的性能。当t u r b o 码采用r s c 码作子码时，t u r b o 码的性能基本上和交织长度成正比。交织规则是 t u r b o 码的错误平层( e r r o rf l o o r ) 的决定性因素。存在错误平层的原因主要是t u r b o 码的设计并不是绝对的长随机码，对于中等交织长度的情况，交织后的序列与交 织前的序列相关性越d , nt u r b o 码越接近随机码，对应的错误平层就越低。 3 ) 交织器的设计准则 交织器的主要作用是提高t u r b o 码的输出码重，因此将所设计的交织器用于具 体的编码系统并检查其输出码重来衡量其性能，这通常比较复杂。根据大量的实 验和理论分析，通常交织器的设计要遵循以下原则： 第一，通过增加交织器的长度，可以使译码性能得到提高。 第二，最大程度地置乱原数据的排列顺序，避免置换前相距较近的数据在置 换后仍相距较近，特别要避免置换前相邻数据在置换后再次相邻。 第三，尽可能避免与同一信息位直接相关的两个分量编码器中的校验位均被 l o无线信道可配置t u r b o 译码组件技术研究 删余。 第四，在满足前面三点要求的交织器中再选择一个好的交织器，使码字之间 的最小距离( 或自由距离) 尽可能大，而重量为最小距离的码字数要尽可能少，以改 善t u r b o 码在高信噪比时的性能。 2 1 4 删余器 删余的目的是为了提高编码码率，我们的目的在于尽量提高码率而且达到小 错误概率的传输。 在实现删余时，必须明确删除码元的位置，可以用删余矩阵来指定传输之前 哪些码元要被删除。针对具体的删余方案，当遇到删余矩阵中的“1 ”时将该比特 输出，当遇到删余矩阵中的“0 ”时则不输出该比特，将其丢掉。如图2 1 中的编 码结构为例，当删余矩阵分别为p l = 11 ，11 】，p 2 = 10 ，11 】，p 3 = 10 ，0l 】时，对 应的码率分别为1 3 ，2 5 ，1 2 。 2 2l t e 系统中的t u r b o 编码及交织方案 2 2 1l t e 系统中的t u r b o 码编码器结构 l t e 系统中的t u r b o 码编码器结构是由两个八状态的r s c 分量编码器组成的 并行级联卷积码和一个内交织器组成，码率为l ，3 ，结构如图2 3 所示。 输出 图2 3l t e 系统中的t u r b o 编码器结构图 图2 3 中分量编码器的生成多项式为( 1 3 ，1 5 ) ，编码器的初始状态为全零。当输 入信息序列为 x o ，五，x k 一。 ，k 为比特数，通过r s c l 生成的校验序列为 z o ，毛，z k 一。 ，内交织器输出的信息序列为 x o ，而，& 一，) ，通过r s c 2 生成的校 验序列为 z o ，毛，气一l 。编码器按序输出为x 0 ，z o ，z o ，五，毛，五，鼍- l ，z k _ l z k l 。 第二章t u r b o 码原理 2 2 2l t e 系统中t u r b o 码的归零 l t e 系统中的t u r b o 码编码器在一个数据包编码完成时，需要对两个分量编码 器进行归零处理。当编码结束时，将分量编码器r s c l 的输入端开关向反馈端( 虚 线端) 闭合，同时第二个分量编码器r s c 2 需要停止，移位寄存器移位3 次就可以 使分量编码器r s c l 回到零状态，同时输出归零尾比特吒，磊，+ l ，气+ l ，+ 2 ，磊+ 2 。然 后将分量编码器r s c 2 的输入端开关向反馈端( 虚线端) 闭合，第一个分量编码器 r s c l 停止，移位寄存器移位3 次之后，分量编码器r s c 2 回到零状态，并输出归 零尾比特t ，乙，+ l ，& + l ，+ 2 ，钆2 。最后总的发送的尾比特为，气，黾小z 七小 也+ 2 ，z i + 2 ，坼，乙，吒+ l ，乙+ l ，以+ 2 ，气+ 2 。 2 2 3l t e 系统中t u r b o 码的交织 当内交织器的输入为x o ，而9 ee 9 x k 一。时，内交织器的输出为x o ：五1 9 e e 9 砟一。，内交 织器的输入与输出之间满足的关系为薯= 矗( f ) ，i = 0 ，l ，k 一1 ，其中 z c ( i ) = ( 彳f + 五i 2 ) m o dk ，石、以和七的关系由查表得出，k 是待交织的比特数( 参 数石和五取决于交织长度七) 。 2 3w i m a x 系统中的c t c 编码及交织方案 2 3 1c t c 编码器结构和工作原理 w i m a x 系统中的卷积t u r b o 码( c t c ) ，采用循环递归系统卷积码( c r s c ) 做子 码，不需要“尾比特”就可以使每个分组具有相同的起始状态和终止状态。c t c 编码器结构如图2 4 所示，数据比特交替由a 和b 输入，数据的分组长度为k 比 特或者n 比特对( 后= 2 比特) ，其中k 是8 的整数倍，为4 的整数倍，且的 范围为：8 n 4 1 0 2 4 。 1 2无线信道可配置t u r b o 译码组件技术研究 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 4 卷积t u r b o 码编码器结构 此c r s c 编码器多项式为： 一反馈分支：0 x b ，即1 + d + d 3 一y 校验比特：0 x d ，即1 + d 2 + d 3 一w 校验比特：0 x 9 ，即1 + d 3 图2 4 的编码过程为：首