（通信与信息系统专业论文）lte系统turbo编译码器的fpga设计与实现.pdf

， r f ， ， 1 j ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： s o u t h w e s tj ia o t o n gu niv e rsit y m a s t e rd e g r e et h e s is d e sig na n dim p l e m e n t a t io no ff p g at u r b o e n c o d e r d e c o d e rf o rl t es y s te m g r a d e ：2 0 0 6 c a n did a t e ：z h a n gd o n g f e i a c a d e m icd e g r e ea p pi ie df o r ：m a s t e r s p e c i a ii t y ：c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s t e m s u p e r vis o t ：f a np in g z hi f e b 2 0 ，2 0 0 9 西南交通大学曲阐爻通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密厨，在f 年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名乏麟 指导老师签名： 嗍2 州髓叩 日 期：硝弓2 7 西南交通大学学位论文创新性l 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 分析了l t e 通信系统t u r b o 码编译码算法和相关技术，并将问题定位于如 何利用有限的硬件资源实现高速编译码，并根据l t e 最新协议标准设计出 高速t u r b o 编码器。分析了各类先进的译码算法，仿真实现并比较了不同 算法的性能。 2 基于f p g a 器件的特点，提出了带滑动窗的分块并行m a x l o g m a p 译 码算法。 3 根据带滑动窗的分块算法，划分功能模块，进行了详细设计，并严格控制 接口时序，以求达到最小译码延迟。 4 对交织地址的发生，采用了实时计算的方法，极大地节省了逻辑资源和存 储资源。输入输出接口满足a l t e m 公司的a v a l o n 标准，提高了编译码核的 通用性，使其可以方便地应用于各类产品之中。 5 论文设计采用a l t e r a 公司的q u a r t u s i i 开发工具为系统平台，在此平台 上进行v e r i l o gd h l 代码设计与综合，并在采用m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m 仿真工具进行功能仿真，最后在a l t e ms t r a t i x l ig xf p g a 芯片上成功地验 证了译码器的功能和性能。 以珏弓 摘要 t u r b o 码以其优异性能，在各类无线通信系统中得到了广泛应用，也是l t e 通信系统的信道编码方案之一。然而，由于其迭代译码的复杂性，实现时必须 综合考虑复杂度、时延及性能三者之间的折中关系，尤其在信息速率高达上百 兆的情况下，高速t u r b o 码编译码尤为重要。本文在对t u r b o 码算法性能分析 的基础上，着重研究了l y e 通信系统t u r b o 码的编译码算法与f p g a 实现技术。 本文首先分析了l t e 通信系统t u r b o 码编译码算法和相关技术，然后将问 题定位于如何利用有限的硬件资源实现高速编译码，并根据l t e 最新协议标准 设计出高速t u r b o 编码器。 论文重点分析了各类先进的译码算法，仿真实现并比较了不同算法的性能。 然后，基于f p g a 器件的特点，提出了带滑动窗的分块并行m a x - l o g m a p 译码算法。然后根据该算法，划分功能模块，分别进行详细设计，并严格控制 接口时序，以求达到最小译码延迟。特别地，对交织地址的发生，采用了实时 计算的方法，极大地节省了逻辑资源和存储资源。而且，输入输出接口满足 a l t e m 公司的a v a l o n 标准，提高了编译码核的通用性，使其可以方便地应用于 各类产品之中。 整个t u r b o 编译码器的设计采用a l t e m 公司的q u a r t u s i i 开发工具为系 统平台，在此平台上进行v e r i l o gd h l 代码设计与综合，并在采用m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m 仿真工具进行功能仿真，最后在a l t e r as t r a t i x l ig xf p g a 芯 片上验证了译码器的功能和性能。 关键宇：t u r b o 码：l t e ；m a x l o g m a p 译码：f p g a ：分块并行；滑动窗： 交织地址计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hh i g hd e g r e eo f e r r o r - c o r r e c t i n gc a p a b i l i t y ，t u r b oc o d e sa r ew i d e l ya p p l i e d i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a n dc h a n n e ld e c o d i n gi nl t e h o w e v e r ，o n eh a st o b a l a n c et h ec o m p l e x i t y , d e l a ya n dp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fh i g h t h r o u g h p u to fh u n d r e d so fm e g a b i t s t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea l g o r i t h mo ft u r b o e n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，a n dt h e np r e s e n t st h ed e s i g no ff p g a f o rl t ea p p l i c a t i o n s f i r s t l y , i nt h i st h e s i s ，t h ee n c o d i n g d e c o d i n ga l g o r i t h m sa n dr e l a t e dt e c h n i q u e s a r ed i s c u s s e d ，a i m e da tt h ee f f i c i e n tu s eo ft h el i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c e st ob u i l d t u r b oe n c o d e ra n dd e c o d e r t h ed e t a i l e d d e s i g no fe n c o d e ri sa l s op r e s e n t e d a f t e r w a r d s t h et h e s i sf o c u s e so nd i f f e r e n t d e c o d i n ga l g o r i t h m s ，a n dc o m p a r e st h e i r p e r f o r m a n c et h r o u g hs i m u l a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff p g ad e v i c e s ，a n e wm a x l o g m a pa l g o r i t h mw i t hp a r a l l e la n ds l i d i n gw i n d o wa r ep r e s e n t e d t h er u l e sa n dd e t a i l so ff p g a d e s i g na r ec o n s i d e r e df o l l o w i n gt h eg u i d e ss t r i c t l yt o e n s u r et h er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e i np a r t i c u l a r , i no u rd e s i g n ，t h ei n t e r l e a v i n g a d d r e s si sn o ts t o r e d ，b u tc a l c u l a t e di nr e a lt i m e t h ei n t e r f a c eo fi n p u ta n do u t p u t a l s om e e t st h e r e q u i r e m e n t so fa v a l o ns t a n d a r dt oe n h a n c et h ec a p a b i l i t yo f t r a n s p l a n t t h ew h o l et u r b oe n c o d i n ga n dd e c o d i n gs y s t e ma r eb a s e do nq u a r t u s i i ， w h i c hi st h er & dp l a t f o r mp r o v i d e db ya l t e r a v e r i l o gd h li s t a k e na st h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o rd e s i g na n ds y n t h e s i s t h es i m u l a t i o nh a dr u nw i t h i n m o d e l s i mp r o v i d e db ym o d e lt e c h f i n a l l y , t h er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eh a v e b e e nt e s t e do nt h ec h i pa l t e r as t r a t i x l ig xf p g a k e y w o r d s ：t u r b o ，l t e m a x - l o g - m a p ) f p g a ，p a r a l l e ld e c o d i n g s l i d i n g w i n d o w , i n t e r l e a v i n ga d d r e s s 1 3 l t e 通信系统简介。4 1 4 本文的主要工作与内容安排5 第二章t u r b o 编译码算法分析与比较7 2 1 t u r b o 码编码分析7 2 1 1 分量编码器8 2 1 2 交织器9 2 1 3 删余器1 0 2 2 迭代译码算法10 2 2 1 脚算法1 2 2 2 2 l o g m a p 算：法1 5 2 2 3 m a x l o g m a p 算法1 6 2 3 适于硬件实现的改进算法1 7 2 3 1 定点化算法17 2 3 2 分块并行译码算法1 8 2 3 3 滑动窗译码算法。19 2 3 4 状态度量的归一化算法2 1 2 4 各类译码算法比较2 3 2 5 本章小结2 5 第三章m 系统t u r b o 码编码器的f p g a 实现2 6 3 1 t u r b o 码编码器结构与设计思路2 6 3 2 分量编码器的f p g a 实现2 8 3 3 交织器的f p g a 实现2 9 3 4 本章小结3 2 第四章l t e 系统t u r b o 译码器的f p g a 实现3 4 4 1 总体结构及译码流程设计3 4 4 2 输入输出数据缓存3 7 4 2 1 a v a l o n 时序介绍3 7 4 2 2 输入数据缓存。3 8 4 2 3 输出数据缓存3 9 4 2 4 连续包译码4 0 4 3 分量译码器s i s o 4 2 4 3 1 s i s o 运算单元4 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 4 3 2 外信息存储结构4 4 4 3 3 硬判决和动态停止迭代4 5 4 3 4 交织地址发生器4 7 4 4 本章小结4 9 第五章总结与展望5 1 5 1 本文工作总结5 1 5 2 未来工作展望51 参考文献j 5 2 致 射5 4 攻读硕士期间参与的科研工作和完成的论文5 8 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 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。 伴随着信息理论和数字通信技术成长起来的纠错编码技术已经历经了数十 余年的长足发展。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。如今，各种纠错编码技术已经深入到通 信、数据传输与存储等诸多领域，成为众多的业界标准。其中，前向纠错技术 ( f e c ) 能够自动的发现并且纠正接收信息中的错误，实时性好，所以，对它的研 究也最为深入和广泛。近年来随着电子技术和集成电路技术的发展，纠错编码 技术不但早已应用于实际的通信系统中，而且不断的有更高性能、更低功耗的 译码器出现。正是这种实际应用与纠错码理论研究的相互促进，使得纠错编码 技术获得了蓬勃的发展。在新一代移动通信系统和无线局域网中，为了实现高 速宽带数据的可靠传输，纠错码技术己成为关键技术环节。而且随着研究的深 入，纠错码技术已经不仅仅局限于收发双方的编译码器，而是融入整个通信系 统之中，成为涉及信道估计、均衡、映射调制方式等诸多部分的整体差错控制 技术。未来社会中，人们对高速无线宽带通信的需求，以及日益紧张的无线频 谱资源，必将导致纠错编码技术的进一步发展。 1 1 信道编码与t u r b o 码 1 9 4 8 年，s h a n n o n 提出了著名的信道编码定理，为信道编码的研究指出了 明确的方向。信道编码定理指出，每一类信道都存在着一定的信道容量c ， 代表着该信道所能承受的最大传输能力。只要实际的传输速率r _ 0 7 d b 时的 误比特率( b e r ) i o ，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 o 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，变为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：同时部分编码理论家也开始变为实验科学家。因此，t u r b o 码被认为是继1 9 8 2 年t c m 技术问世以来，信道编码理论与技术研究上所取得 的最伟大的成就，具有里程碑的意义。 1 2 t u r b o 码编译码技术研究现状 自t u r b o 码产生以来，信道编码领域迎来了一个新时代，对t u r b o 码的译 码算法、理论上对t u r b o 码进行解释及t u r b o 码的应用一直是人们研究的热点。 t u r b o 码译码算法总体上可分为s o v a 和m a p 二类主要算法【3 1 。m a p 算 法又称b c j r 算法，是一种基于码元的最大后验概率译码算法【4 】o 虽然m a p 算 法是一种最优算法，但其运算量非常大，加之运算中的非线性运算不利于硬件 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的实现，因而一般只用作理论分析，为此人们提出了次最优算法l o g m a p 算 法及m a x l o g m a p 算法即】。l o g m a p 算法利用对数函数的单调性，对m a p 算法中的变量统一取对数，将其中的乘法运算转化为加法运算并消除部分指数 运算，从而降低了译码的复杂度。另外，针对m a p 算法存储量大、译码延迟 长的缺点，受有限译码约束长度维特比算法的启发，人们提出了准最佳的滑动 窗b c j r 算法。s o v a 虽然性能不如m a p 算法，但因其有较低的计算量，便于 硬件实现的优点而颇受人们的青睐。 对t u r b o 码译码算法的改进措施还有：考虑到对于收敛性好的信息比特， 在译码时只需要很少的迭代就可以达到我们所需要的要求，因此人们提出了一 系列的迭代停止准则来降低译码的复杂度【8 。2 j ；在第三代移动通信系统中， t u r b o 码成为信道编码标准，因此需要高速率的传输信息并且功率消耗要小， 针对高码率的t u r b o 码，提出了相应的译码方法【1 3 。1 5 】，同时人们对如何减小译 码的功率损耗也提出了相应的译码算、法【。6 1 7 ；将t u r b o 码译码和图论结合起来， 利用b a y e s i a n 网络图模型描述了t u r b o 码的译码过程，及使用p e a r l 的信息传 播算法，建立了t u r b o 码的并行译码算法【l 驯等。 随着对t u r b o 码研究的不断开展，逐渐建立起一套比较完善的理论体系来 对t u r b o 码性能进行分析。s b e n e d e t t o 和gm o n t o r s i 从均匀交织的假设出发， 通过重量枚举式推导出了t u r b o 码的b e r 性能界，并提出了交织器增益和有效 自由距离等概念，找出了一些可以用作t u r b o 码子码的约束长度小于5 的r s c 好码【1 9 】。l c p e r e z 从距离谱的角度同样对t u r b o 码的性能界作出了分析，并 提出和分析了交织器在编码过程中的“谱稀释”作用【i9 】。由于标准联合界在低 于截至速率时发散，d u m a n t m 等利用g a l l a g e r 界给出了t u r b o 码更紧的性能 界【2 0 】。这些理论分析不仅对t u r b o 码提供了令人信服的理论依据，而且对t u r b o 码的设计，尤其是交织器的设计具有非常重要的指导意义。另外，人们还将人 工智能中的置性度传播( b e l i e fp r o p a g a t i o n ) 算法和贝叶斯网络( b a y e s i a nn e t w o r k ) 中的置信度传播模型用于迭代译码算法的研究【2 。2 3 】。这些理论使人们对于迭代 译码的过程有了更深入的了解，但是对t u r b o 码迭代译码算法的有力解释还是 缺乏的。 经过十多年的努力，t u r b o 码已经逐步从理论研究开始进入到实际应用。 针对不同的环境和不同的译码要求，可以将通信系统中的检测、调制等技术不 同程度的与t u r b o 码结合起来，从而达到改善通信质量的目的。将t u r b o 码与 t c m 相t u r b o 码译码算法与实现技术结合，不仅可以获得高编码增益，同时也 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在一定程度上解决t u r b o 码码率较低的缺点【2 4 0 到；将t u r b o 码与空时编码技术 相结合，既可以有效的补偿信道衰减、增加系统的容量、抑制噪声和干扰，同 时又可以获得很高的分集增益和编码增益，从而获得优异的性能【2 6 j ：将t u r b o 码迭代译码思想应用到更为广泛的检测和译码结构中可以进一步提高系统的性 能，如联合信道估计和译码、t u r b o 均衡、迭代多用户检测、联合信源与信道 译码 2 7 之9 】等。尽管t u r b o 码仍存在计算量大、译码延迟长、存在误码平层、理 论分析困难等缺点，但是随着研究的深入、迭代译码算法的改进、大规模集成 电路的发展，t u r b o 码已渐渐被用到实时通信系统中，从卫星通信到网络到广 播到个人通信等等。现在t u r b o 码已经成为3 g 以及4 g 的信道编码标准的一部 分。 1 3 l t e 通信系统简介 随着个人通信技术在过去2 0 年中不断发展成熟，人们在生活中对无线通信 的依赖也越来越强，目前，全球移动语音用户已接近2 0 亿。同时，众多的使用 者也对个人通信技术的发展提出了新的要求：通信设备的微型化，低功耗，高 带宽，快速接入和多媒体化。 随着宽带无线接入概念的出现，w i f i 和w i m a x 等无线接入方案迅猛发展。 相比之下w c d m a ，h s d 鼢l h s l 订) a 虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势， 但空中接口和网络结构过于复杂，无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显 落后。另一方面o f d m 技术为核心的新一代技术逐渐成熟，接入速率提升到了 1 0 0 m b i t s 的范畴【3 2 】，相形之下2 m b i t s 的w c d m ar 9 9 传输速率、1 4 4 m b i t s r 5 h s d p a 的峰值速率已经无法满足需求。为此，3 g p p 在2 0 0 4 年底经过认真 的讨论决定采用过去为b 3 g 或4 g 发展的技术来使用3 g 频段，以便于占有宽 带无线接入市场，并制定了长期演化计划l t e f l o n gt e r me v o l u t i o n ) p 土3 4 。 l t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体目标主 要包括： 1 ) 频谱带宽配置：实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、 2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 、和2 0 m h z 的带宽设置，从技术上 保证l t e 系统可以使用第3 代移动通信系统的频谱。 2 ) 小区边缘传输速率：提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的 体验，增强l t e 系统的覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑 制技术实现。 3 ) 数据率和频谱利用率：在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速 率1 0 0 m b s ，上行峰值速率5 0 m b s ；频谱利用率为h s p a 的2 - - - 4 倍， 用户平均吞吐量为h s p a 的2 - - 4 倍。为保证l t e 系统在频谱利用率方 面的技术优势，主要通过多天线技术、自适应调制与编码和基于信道 质量的频率选择性调度实现。 4 ) 时延：提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平 面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状 态的迁移时间小于l o o m s ，以增强对实时业务的支持。 5 ) 多媒体广播和多播业务进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持， 满足广播业务、多播业务和单播业务融合的需求，主要通过物理层帧 结构、层2 的信道结构和高层的无线资源管理实现。 6 1 全分组的包交换：取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提 高系统频谱利用率。对球语音( v o l p ) 业务的支持与低时延目标的实现 导致调度和层l 、层2 间信令设计的困难。 7 ) 共存：实现与第3 代移动通信系统和其他通信系统的共存【3 5 3 6 j 。 1 4 本文的主要工作与内容安排 本设计内容为在f p g a 上实现l t e 系统下的t u r b o 编译码方案。t u r b o 编 译码器可支持l t e 系统，芯片工作主频为1 3 3 m h z 。l t e 译码系统支持l t e 标 准要求的t u r b o 译码功能，支持动态停止迭代，支持协议规定的相应码块长度。 包长6 1 4 4 时吞吐率满足5 0 m b p s ，包长4 0 时满足1 2 m b p s ，并支持连续发包， 包长可配，接口满足a v a l o n 时序。可配置t u r b o 译码组件的设计和f p g a 开发， 采用v e r i l o gh d l 语言，开发环境为q u a r t u s l i7 1 ，硬件仿真平台采用m o d e l s i m 软件，系统硬件开发平台为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 开 发板。 整套系统模型框架如图1 1 所示，包括数据产生，输入接口，编码器输 出接口，调制，a w g n 信道，解调，译码器几个功能模块。考虑到编译码器的 可扩展性，编译码的接口需要满足a l t e r a 器件规定的a v a l o n 时序，其中输入接 口的作用就是满足a v a l o n 总线时序的条件下将数据由文件写入编码器，而输出 接口则是在满足a v a l o n 时序的条件下将译码结果写到文件中去。系统工作过程 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 为软件随机产生满足l t e 系统的数据包，经过输入接口模块进入编码器，编码 过后存入文件，软件对其进行调制，并经过a w g n 信道加噪，解调后将定点 数据通过一个输入接口模块输入译码器，译码后通过一个输出接口模块写入译 码结果文件，并用软件将其与最初的产生数据进行比较计算误码率。 一一一。一。、 i 数据l y , 较，计算 数据较，计算i 误码率! 口现口现 图1 - 1 系统模型框架 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章t u r b o 编译码算法分析与比较 t u r b o 码又称并行级联卷积码( p c c c ) ，它将卷积码与随机交织器结合在一 起，巧妙地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。模拟结果表明，采用大小为6 5 5 3 5 的随机交织器，并进行1 8 次迭代，码 率为1 2 的t u r b o 码在a w g n 信道上当e b n 岔0 7 0 时的误比特率b e r _ 1 0 ， 达到了近s h a n n o n 限的性能。正是由于t u r b o 码超乎寻常的性能，它的出现立 即引起了编码学界的极大轰动，围绕t u r b o 码的研究也成了通信系统中的一个 热点。同时，t u r b o 码的出现还对信道编码理论及技术的研究产生了深远的影 响，主要体现在以下几个方面：结束了长期以来将信道截至速率作为实际容量 限的历史：从早期的基于代数的构造与译码方法到如今更倾向于基于概率的软 判决译码方法；从以前的编码方法之间比较过渡到均与香农限进行比较。 2 1 t u r b o 码编码分析 一个常见的t u r b o 码编码器如图2 1 所示。两个分量编码器之间通过交织 器相连，分量编码器对相同的输入信息进行编码，交织器保证两个分量编码器 输出信息尽量不相关。通常输出的信息比特序列只需要从任何一个分量编码器 中选取即可，但考虑到实现问题，选取不经过交织的那一路比特序列要方便得 多。另外，为了能够提高编码速率，两个分量编码器输出的校验比特序列经删 余和复用后输出，信息比特序列一般不进行删余处理。 图2 1t u r b o 码编码器结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1 分量编码器 分量编码器可以选用递归系统卷积( r s c ) 码或非系统卷积( n s c ) 码。给定一 个r s c 码总可以找到一个生成多项式与之对应的n s c 码，反之也一样，因此 它与n s c 码具有相同的网格图结构和自由距离，故以它们构成的分量码的性能 限是一样的。而且在高码率( 艺3 ) 情况下，对任何信噪比，r s c 码性能均比 对应的n s c 码要好，因此t u r b o 码的分量码一般选用r s c 码。 图2 2 给出了编码约束度k = 3 ，生成多项式( g l ，9 2 ) = ( 7 ，5 ) o u t 的r s c 编码器 框图。 图2 - 2r s c 编码器 若k 时刻的输入比特为i l k ，则输出的码字x k 是一个二进制比特对( x k 8 ，x k p ) ， 其中，x k 8 称为信息比特，x k p 称为校验比特。记移位寄存器的输入为a k ，n - - 1 a k - - 甜i + g l ；a k 一，m o d 2 ( 2 - 1 ) 甜i + 乙 一， ( 2 。1 ) i = l 群= 9 2 ，吼一，m o d 2 ( 2 2 ) ，1 0 对k = 3 的r s c 码，它的状态转移和时间的关系可以形象的用网格图来表 示，如图2 3 所示。对于k = 3 的情况一共有4 个状态，而且每一个状态有两个 转移状态，分别对应输入为+ l ( 实线所示) 或者1 ( 虚线所示) 的情况，分支上的数 据分别表示k 时刻r s c 编码器的输入和输出。若k 1 时刻r s c 编码器处于0 状态，并输入0 时，则k 时刻编码器将仍处于0 状态，并输出0 0 ；当输入1 时， 则k 时刻编码器将转到2 状态，并输出l l 。 2 1 2 交织器 0 ( 0 0 ) 1 ( 0 1 ) 2 ( 1 0 ) 3 ( 1 1 ) 0 ( 0 0 ) l ( 0 1 ) 2 ( 1 0 ) 3 ( 1 1 ) 图2 - 3r s c 码网格图 交织器对信息序列中的n 个比特位置进行随机置换。通过随机交织，编码 序列在长为2 n 或3 n ( 不使用删除) 比特的范围内具有记忆性，从而由简单的短 码得到了近似长码。当交织器充分大时，t u r b o 码就具有随机长码的特性。所 以，t u r b o 码的性能在很大程度上是依赖于交织器获得的。设计交织器时应最 大程度地置乱原数据排列顺序，避免置换前相距较近的数据在置换后仍然相距 较近，特别要避免置换前相邻数据置换后再次相邻：应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删除。 交织器是一个单输入单输出的设备，它的输入与输出符号具有相同的字符 集，只是各符号在输入与输出序列中的排列顺序不同。即它是整数z 上的置换： 万：z z ( 2 3 ) 如果周期为t 的交织器在i 时刻的输出为兀( i ) ，则它满足下列方程： x ( i ) - t = x ( i r ) v f ( 2 4 ) 并且可以采用下列集合描述： f o 1 r - 1 1 ( 2 5 ) 互珥一l 目前，常用的t u r b o 码交织器有分组交织器( b l o c ki n t e r l e a v e r ) 、伪随机s 交织器和b g 非均匀交织器等。其中，分组交织器的一种结构如图2 - 4 所示。 由图可见，经过这种交织器的置换，信息序列中首尾比特位置在交织前后保持 不变。当分量编码器不归零时，由于分量译码器对一帧数据中的最后几比特译 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 码的可信度较低，这样如果原帧数据中的最后几比特交织后仍然处于帧数据的 尾部，则整个t u r b o 码性能的提高就受到了限制，我们称此为尾效应( t a i le f f e c t ) 。 为了避免这个问题，在交织器的设计中应该将原帧数据中的最后几比特置换到 编码器2 的输入序列的非尾部位置。当分量编码器归零时，则不存在尾效应。 o12 345 678 图2 _ 4 行写列读的分组交织器 关于伪随机交织器，目前所公认的性能较好的是伪随机s 交织器，即每一 个随机产生的置换位置兀( i ) 均与它前边的s 个值，7 c ( i 1 ) ，兀( i 一2 ) ，兀( i s ) 进行比较，如果距离1 7 c ( i ) 兀( i j ) l u k ：+ 1 表示当输入比特u k = + 1 时，所对应的状态s k - i - s 到状态s k = s 的所有分支转移，( s ，s ) = u k _ + l 以此类推，在以后的篇幅中将 p ( sk i = s ，s k = s ，y ) 简记为p ( s ，s ，y ) 。考虑到接收序列y 可以分成三部分：k 时 刻接收到的码字y k = ( y k 5 ，y k p ) ，k 时刻之前接收到的码字序列y j l n 2 ，则矫正项可以忽略，从而m a x 木( x ，y ) m a x ( x ，y ) ，采用这 种近似的l o g m a p 算法也就是所谓的m a x l o g m a p 算法，由于 m a x l o g m a p 是l o g m a p 算法的近似算法，所以它是次优的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3 适于硬件实现的改进算法 2 3 1 定点化算法 在硬件实现中，绝大部分产品只支持定点数运算。显然合理地选择定点算 法，不仅会影响到算法实现的正确性，而且还会影响到所需要的硬件资源量。 所以在任何算法的硬件实现之前，必须先确定数据的定点化方案。一般而言， 规范的定点算法方法首先需要在前期算法仿真的基础上，将相关实现算法映射 到硬件实现中，其具体步骤如图2 - 6 所示。在算法定点化过程中，所面临的一 个关键问题是如何在不影响原有算法计算的基础上，合理地确定各个变量的动 态取值范围，并进而确定该变量的定点数据位宽。 图2 6定点化算法流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 2 分块并行译码算法 随着下一代移动通信系统的飞速发展，t u r b o 码的传统译码己渐渐不能满 足其高吞吐量、低时延的要求，对t u r b o 译码算法的革新己迫在眉睫。基于这 样的情况，t u r b o 码的并行译码技术成为了研究的热点之一。将一个码块( b l o c k ) 分解成多个子码块( s u b b l o c k ) ，子码块之间完全并行地进行译码，这样既减少 了译码延时又提高了译码器的数据吞吐量。当然，这也要求具有对应的并行交 织器和解交织器，而这恰恰又是并行t u r b o 译码器的设计瓶颈。 传统的t u r b o 译码算法是串行的，即接收完一整块的数据后再进行译码， 而且前向后向计算状态度量时都是基于整块数据进行，译码延时较大。为了减 小译码计算延时，提高译码器吞吐量，文献 3 7 提出了一种新颖的译码结构， 将整个码块分解为m 个相互交迭的子块，采用m 个子译码器同时对各个子块 进行译码。这种译码结构的性能损失很小，很有竞争力。当时的方案是每个子 译码器完成所有的l 次迭代工作，为了进一步提高吞吐量，可以考虑采用流水 线结构，即l 级流水线，共有m l 个子s i s o 模块，吞吐量大致可以提高l 倍。 当然，这种流水线结构是以更多的资源消耗为代价的【3 8 3 9 j 。 设码块长度为n ，子块个数为m ，则每个子块长度w = n m 。在串行译码 中，状态度量值是在整个码块上计算的( 包括前向和后向) ，其更新时的初始状 态值都是确定值。而在并行译码结构中，我们仍然采用递推迭代的思想，在各 个子块进行的状态度量计算的时候也计算出下一之块开始时刻的状态度量的初 始值，即每个子块计算出的状态度量值个数为w + l 。这样，把前一次迭代的相 邻子块的边界值传递给下一次迭代相邻子块作为初始值，各个子块进行并行译 码。假定用i ( i - l ，2 ) 表示分量译码器l 、2 ( 即第一分量译码和第二分量译码) ，用 j 表示迭代次数。在译码器i 的第m 个子块第j 次迭代时计算出前向递推变量 w + i ( i ，j ) 的值作为第j + 1 次迭代第m + l 子块的初始值，由此可以递推w + l ( i ， j + 1 ) 、( 1 , m w + 2 ( i ，j + 1 ) 、0 【m w + 3 ( i ，j + 1 ) 。同理在译码器i 的第m + 1 个子块的第j 次 迭代时计算出后向递推变量f j _ m w f i j ) ，将其作为第m 块第j + 1 次迭代时的初始 值，从而递推计算p m w ( i ，j + 1 ) 、1 3 m w - i ( i ，j + 1 ) 、p m w - 2 ( i ，j + 1 ) 。如此进行传递递 推，即可完成前后向状态度量的计算。而对于外信息和先验信息的计算，则与 常规的t u r b o 译码算法无区别。 而对于状态度量的初始化规则为，除了第一子块的前向度量0 l o ( i ，j ) 和最后 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 一个子块的后向度量p m w + 1 ( i ，j ) 按照不分块传统译码的规则确定初值外，其他子 块的边界状态度量赋值为0 。 2 3 - 3 滑动窗译码算法 传统的m a x l o g m a p 算法需要大量的存储器来存储整个编码长度n 的 前向路径度量值