（通信与信息系统专业论文）高速无线系统中的编解码技术及硬件实现.pdf

东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 阻日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 摘要 摘要 3 g 之后的高速无线通信系统要求能够支持峰值传输速率不低于2 0 胁筇的高效分组 数据传输。根据8 6 3f u t u r e 研究计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标 以及国内外研究发展的状况和趋势，东南大学移动通信实验室提出广义多载波时分双工 混合多址蜂窝移动通信传输技术，并开发演示系统的以验证算法的性能。 依托项目组的支持，论文对编解码理论进行了研究、并对基于可配置逻辑结构的电 路实现方法进行了学习。在此基础上参与验证系统的编解码、交织解交织、调制解调以 及接口模块的功能开发，时序验证、上板调试和系统联测，最终实现了基带链路的畅通。 高速率和芯片占用面积的要求导致了实现2 0 脚以上的2 5 6 状态维特比译码器的 困难。论文在总结多种结构和实现算法的基础上，对译码器的主要模块采用了全并行结 构，并进行了溢出优化处理和存贮优化管理。后仿真结果表明经过优化后的译码器在 4 0 坳p s 的传输速率下占用的芯片资源也能达到系统要求。 最后论文建立了浮点和v e r i l o g 定点的仿真平台，比较了维特比译码在高斯白噪声 信道下浮点和定点实现的误码率性能。结果表明在相同的误码率下v e m o g 定点实现的 维特比译码器柏对浮点的译码器性能损失在1 拙以内。 【关键词】卷积码维特比译码并行结构溢出优化处理存贮优化管理 a b s t r a c t a bs t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n sw i r e l e s ss y s t e mb e y o n d3gs h o u l ds u p p o r th i g h e m c i e n tp a c k e td a t at r a n s m i s s i o nw i t hp e a kd a t ar a t en ol e s st h a n2 0 肋西p 苫a c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c ho fn e wg e n e r a t i o nc e l l u l a rm o b i l ec o m m u i l i c a t i o n ss y s t e ma r o u n dt 1 1 ew o r l d ， n a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n si 沁s e a r c hl a b o r a t o 巧( n c i o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yi s i n v e s t i g a t i n gg e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e rt i m ed i v i s i o nd u p l e xx - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( g m c t d d x d m a ) c e l l u l a rm o b i l ec o 删m u n i c a t i o n s 仃a n s m i s s i o nt e c h n i q u e a n dt h e f i r s t s t a g eo fd e m os y s t e mb a s e do ng m c t d d x d m ah a sb e e na l m o s tc o m p l e t e dy e t t h ef e s e a r c hi nc o d i n gt h e o r ya n dm es t u d yi nt h ef p g ad e s i g nl e a dt ot h es u c c e s s m l d e s i g no fc h a n n e lc o d i n g ，d e c o d i n g ，m a p p i n g ，d e m a p p i n g ，i n t e r l e a v i n g ，d e i n t e r l e a v i n g ， a i l dt h e i n t e r f a c em o d u l ei nb a s e b a j l do ft h i sd e m os y s t e m a r e r 如n c t i o nd e s i g n ，t i m i n g v e r i f l c a t i o n ，o nb 0 2 u r da n ds y s t e m 1 e v e lt e s t i n gm a k es 汜t h a tt h eb a s e b a j l dl i m ( c a nw o r k s t a b l y d u et ot h eh i g hs p e e da n d 1 0 wa r e ad e m a n d ，m ef p g ad e s i g no f2 5 6 s t a t e t e r b id e c o d e r s h o u l db eo p t i m i z e d t h ep a r a l l e ls t r u c n l r e ，o v e r n o wp r o t e c t i o na j l dt h em e m o r ym a n a g e m e n t c a ne n h a n c et h e t e r b id e c o d e rs p e e da j l dr e d u c et h ea r e an o t a b l y p o s ts i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a t t e r b id e c o d e rc a n r u nu n d e r4 0 坳a r e rs t n l c t u r eo p t i m i z a t i o n f i n a l l y ，f l o a t ( m a t l a b ) a n df i x e d ( v e r i l o g ) s i m u l a t i o np l a n t - f o n na r es e tu pt oc o m p a r em e p e r f o n n a n c eb e 铆e e nf l o a ta n df i x e d t e r b id e c o d e ru 1 1 d e ra w g n c h a i l e lm o d e l t h er e s u l t s h o w st h a tt h ep e o m a n c er e d u c ei s1 e s st h a nl 棚； k e y w o r d s ：c o n v o l u t i o n a lc o d e ，t e r b id e c o d e r ，p a r e l l e ls t m c t u r e ，o v e m o wp r o t e c t ， m e m o r ) ，m a n a g e m e n t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 背景1 1 2 基于g m c 技术的b 3 g 验证系统l 1 3 课题工作和进展2 1 4 本论文内容安排3 第二章无线通信系统中的编解码技术4 2 1 信道编译码的原理4 2 2 卷积码的基本原理5 2 3 卷积码的性能7 2 4v i t e r b i 译码的原理8 第三章g m c 中的编解码技术1 2 3 1g m c 基带系统介绍1 2 3 2g m c 基带系统中的编解码1 2 3 2 1 物理层的分块传输1 2 3 2 2 下行专用物理信道( d d p c h ) 的编解码流程1 5 3 2 3 同步信道和主公共控制信道( s y n c ha n dp c c p c h ) 的编解码流程2 4 3 2 4 随机接入信道( p r a c h ) 的编解码流程2 5 3 2 5 上行专用物理信道( u d p c h ) 编解码流程2 6 第四章编解码的f p g a 实现2 7 4 1g m c 基带演示系统介绍2 7 4 2f p g a 实现方法：2 9 4 2 1f p g a 原理和发展2 9 4 2 2x i l i n xf p g a 的结构和特点3 0 4 2 3f p g a 的设计规则和流程3 3 4 2 4 开发与仿真软件3 4 4 3 编解码技术的f p g a 实现3 5 4 3 1 编码器f p g a 设计3 5 4 3 2 并串转换模块的f p g a 设计3 7 4 3 3 交织模块的f p g a 设计3 8 4 3 4 映射模块的f p g a 设计4 0 4 3 4 发送接口转换模块的f p g a 设计4 0 4 3 5 接收接口转换模块的f p g a 设计4 2 4 3 6 接收解调和解交织的f p g a 设计4 2 4 3 7 接收串并转换模块的f p g a 设计4 2 4 3 8 接收端v i t e r b i 译码模块的f p g a 设计4 3 4 4 编解码f p g a 模块的仿真、下载和调试4 3 i i i 目录， 4 4 1 编解码f p g a 模块的联合仿真4 3 4 4 2 编解码f p g a 模块的下载4 3 4 4 3 编解码f p g a 模块的测试4 4 第五章高速v i t e r b i 译码器的设计4 8 5 1v i t e r b i 译码器的实现原理和性能4 8 5 2v i t e r b i 译码器的实现背景和方法4 8 5 2 1v i t e r b i 译码器的实现背景4 8 5 2 2v i t e r b i 译码器的实现方法4 9 5 2 3v i t e r b i 译码器的实现模块介绍5 0 5 3b m u 子模块5 0 5 3 1b m u 结构5 0 5 3 2b m u 时序5 1 5 4a c s u 子模块5 1 5 4 1a c s 的实现原理和运算量5 1 5 4 2a c s 模块的优化算法5 4 5 4 3a c s 时序5 7 5 5s m u 子模块5 7 5 5 1s m u 实现原理5 7 5 5 2s m u 的运算量和优化算法5 8 5 5 3s m u 结构和时序6 0 5 6v i t e r b i 译码器性能分析6 2 5 6 1 占用资源6 2 5 6 2 优化效果6 2 5 6 3 译码性能分析6 3 第六章结论6 6 6 1 论文工作总结6 6 6 2 改进和下一步工作6 6 致谢6 7 参考文献6 8 i v 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是将在新世纪 对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。随着移动通信技术与市场的蓬 勃发展，在第三代移动通信市场起步之际，国际间已纷纷成立相关研究组织探讨b 3 g ( b e y o n d3g e n e r a t i o n ) 技术与发展趋势，例如i t u - t “i m t - 2 0 0 0a i l db e y o n d ”s s g 与 w i r e l e s sw b r l dr e s e a r c hf o m m ( w w r f ) 等【。另外，3 g p p 、i e e e 、i e t f 、e t s i 等国际 标准制定组织，也积极的参与b 3 g 技术的研讨。相对于i m 2 0 0 0 定义的第三代移动通 信系统，未来的b 3 g 移动通信系统应该具有以下特点：高速率( 峰值业务速率大于 2 0 坳筇或更高) 、大业务动态范围( 8 脚s 2 0 蚴筘动态可变) 和多种q o s ( q u a l 埘o f s e i c e ) 需求；必须研究能更好支持非对称业务、宽带多媒体、i n t e m e t 及其综合业务 的高速移动无线通信技术，提供高速率、高频谱效率、大容量和低成本的无线多媒体通 信系统【2 1 。 为了达到上述的要求，b 3 g 系统大多采用多载波技术来提高系统传输速率、抵抗高 速传输下多径传播带来的性能损失。g m c ( g e n e r a l i z e dm u l t i c a 圩i e r ) 技术作为多载波技 术的一种，具有支持高速率、支持高质量传输、同时具有高效的频谱利用率、低传输功 率以及能够灵活的配置系统资源等特点【2 】，已成为b 3 g 实现方案的关键技术之一。 1 2 基于g m c 技术的b 3 g 验证系统 对b 3 g 的研究以3 g 演进技术为出发点，充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼容 性，以基于多天线环境的网络结构为构架，以联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技 术为提高系统性能的主要手段，以高效的多相分解滤波器组( f i l t e rb a n k ) 实现方式为 降低系统实现复杂性的主要方法，并借鉴o f d m ( o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 系统易于f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o m ) 实现的优点，研究开放式的、能够灵 活地吸收其它技术优点的新一代蜂窝移动通信系统传输技术，使之具有高频谱利用率、 低发射功率和支持大动态范围分组数据传输的能力。基于上述考虑，东南大学移动通信 实验室b 3 g 项目组提出可以快速实现的g m c - t d d - x d m a ( g e n e r a l i z e dm u l t ic a r r i e r t i m ed i v i s i o nd u p l e xx d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术做为b 3 g 验证 系统的基本实现技术。辅以自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结 构和多天线技术，实现支持高速传输且具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动态范 围分组数据传输的能力的下一代移动通信验证系统l j j 。 开发g m c t d d x d m a 的演示系统可以验证算法能否达到预期的目标，同时也能 1 东南大学硕士学位论文， 指导进行进一步的研究和开发。目前整个演示系统主要由一个接入点( a p ) 和两个移动 终端( m t ) 组成。其中a p 由固定台和接口组成，能够接入外部的因特网。移动终端由 移动台和终端计算机组成，它可以通过a p 接入外部因特网，且移动终端之间具备直接 通信的能力。 。 1 3 课题工作和进展 b 3 g 课题组经过一年多的工作，已经初步完成了系统基带硬件工作。基带机框见图 1 1 【4 1 ，由1 x - - d m s 、r xa m s 、i 选一s p 以及m p u 四块基带板插在背板上组成【5 1 。前面三 块基带处理板分别完成编码、调制、扩频、多载波综合滤波器、d a 发送、a d 接收、 多载波分析滤波器、定时同步、信道估计和均衡、解扩和解调、解码等功能。m p u 板目 前提供各板需要的时钟以及承担流媒体业务通道功能。 图1 1 基带系统机框 目前基带系统可以传输p c 机通过u s b 接入的流媒体业务。演示时通过摄像头采集 的实时数据经u s b 接入m p u 板，再送入基带各板处理，最后再通过m p u 板接收回到p c 机回放。经过试验，在基带a d 、d a 自环和基带与射频电路联合自环的情况下能够完 成正确的图象和文件传输。传输速率在目前使用3 个子载波和q p s k 的映射方式下能够 到达l 坳筇以上速率。 本论文相关的实现工作主要是完成基带系统的编解码、调制解调、交织解交织、数 据速率匹配和转换以及和m p u 板数据接口等模块的功能设计、时序验证、性能仿真和 优化、下载、单板调试等。最后还包括系统联测工作。 2 第一章绪论 1 4 本论文内容安排 本论文共包括六章，第一章简述了课题背景，讲述了课题进展以及论文相关工作。 第二章详细讲解了信道编码译码算法，特别是卷积编码和t e r b i 译码的算法。第三章介 绍了g m c 基带系统，详细描述了系统中不同物理信道中的编解码、交织解交织、调制 解调等技术。第四章具体介绍系统使用的f p g a 实现方法和参与完成的各个模块的 f p g a 实现结构。第五章针对实现中的重点模块t e r b i 译码模块展开进行了介绍。给出 了定点实现中的优化方法，比较了优化方法带来的速率提高和复杂度的降低。最后比较 了定点实现的译码器和浮点仿真的性能。第六章给出论文工作总结和下一步将要进行的 工作。 东南大学硕士学位论文， 第二章无线通信系统中的编解码技术 2 1 信道编译码的原理 数字信号在信道传输过程中，总会遇到各种干扰而使信号失真，为了减少传输过程 中的各种干扰，往往要人为的增加一些多余度，使其具有自动检错或纠错能力，这种功 能由信道编码器即纠错编码器完成。当包含有错误的信息序列到达接收端后，经过信道 译码器即纠错译码器，对其中的错误进行纠正，再恢复成原来的信息送给用户。这在一 定程度上保证了通信的可靠性。 信道编码定理指出，每个信道具有确定的信道容量c ，对于任何小于c 的码率r ， 总存在有一种速率为r 的码，若采用最佳译码方法，随着码长门的增加，其译码错误概 率p 可任意小【6 】，即 p 彳6 p 一”毛m( 2 1 ) 毛 ) 为正实函数，称为误差指数，它与r 的关系如图2 1 所示。图中c l 、c 2 为信 道容量，且c 1 c 。在高斯白噪声信道时，信道容量为 p c = 眦9 2 【1 + 赢k - - ( 2 2 ) 2 2 式中矽为信道所能提供的带宽，只= e ，丁为信号的功率，e 。为信号能量，丁是 分块的码信号的持续时间即信号宽度，只形是单位频带的信号功率，n 是单位频带的 噪声功率，只( 形0 ) 是信噪比。 e ( r 图2 1e ( 尺) 与尺的关系图 r 从图中可以看出如果增加信道容量c ，从而增加e ( 尺) ，根据式2 1 ，可以降低误码 率。这种方法需要通过加大系统的带宽或者增加信噪比的方法来实现( 根据式2 2 ) 。但 是同时也存在另外一种方法，在r 一定的条件下，增加每块码长，z ( 也就是增加了码元的 持续时间丁) ，也可以使得译码的错误概率随着即的增加而减小( 根据式2 1 ) 。当然这种 4 第二章无线通信系统中的编解码技术 增加会导致译码器的复杂度增加，但是它为减少误码率指明了一个基本的方向。在此 础上科研人员进行了大量的信道编码译码算法的研究，提出了许多新的编解码算法， 动了信道编码译码算法理论的发展。在众多的码中，卷积码和对应的t e r b i 译码因其 身的优越性能而受到广泛的关注，理论日趋成熟，应用越加广泛。下面将详细介绍它 的算法原理。 2 2 卷积码的基本原理 卷积码是1 9 5 5 年由e l i a s 提出的，又由f o m e y 完成其代数理论基础研究工作【6 1 。卷 积码就是把信源输出的信息序列，以后个码元为一段，通过编码器编码，输出每段长为 以的码段。也就是每尼个码元编码后输出，z 个码元，其中尼个为信息元，疗一七个为按一 定规则由信息元生成的校验元，它不仅与本段中的信息元有关，而且也与前m 段的信息 元有关，称脚为编码存贮长度。因此卷积码可以用( ，z ，七，聊) 表示【6 j 。 按照不同的分类准则，卷积码可分为系统码和非系统码；二进制码和多进制码( q 进制) 。将尼个信息元放在最左边，玎一尼个校验元放在右边，组成一个码字，这就是系 统码的形式。本章只讨论二进制卷积码，当然所讨论的结果可推广到q 进制情况。 图2 2 给出了( 3 ，l ，2 ) 二进制卷积码编码器【7 】。在每一时间单位，输入一个比特 信息砚，同时存贮器内的数据向右移一位，产生3 个比特的输出c 。，其中一个是输入 比特，两个是校验比特p p ， 由图可知： 图2 2 ( 3 ，1 ，2 ) 的卷积编码结构图 只l 硼三。 ( 2 3 ) b 2 = 聊o 坼一lo 一2 、。 因为校验比特是输入信息元的模2 和，它们是线性关系，所以这类卷积码是线性码。 称c ，为卷积码的一个子码或码段，它不仅与当前输入信息有关，还与前2 个( m 个) 时 东南大学硕士学位论文， 间单位的输入信息有关，即和前2 个子码有关；而且m 。要经过2 个时间单位才能移出存 贮器，所以c ，也参与了后2 个子码中的校验运算，称= 所+ 1 为编码约束度，说明编码 过程中互相约束的码段个数。本例的编码约束度为3 。朋或是表示卷积码编码器复杂 性的一个重要参数。川或越大，编码器和译码器越复杂，但卷积码的纠错能力也越强。 因此这是一对矛盾，在具体设计时要根据应用要求进行折衷处理，选择适当的码型。 编码过程还可以用矩阵乘法表示【6 】，如果用延迟算子d 表示卷积码编码过程中一个 时间单位的延迟，那么输入信息序列m 和生成的卷积码码序列c 都可写成d 的函数 m ( d ) 和c ( d ) ，由此得到l 6 1 c ( d ) = m ( d ) g ( d ) ( 2 4 ) 其中，c ( d ) 和m ( d ) 是c 和m 的多项式表示，g ( d ) 称为( 玎，尼，朋) 卷积码的生成多 项式矩阵，由生成多项式g ( d ) 组成，g ( d ) 可由移位寄存器的抽头决定。( 3 ，1 ，2 ) 卷 积码的生成多项式为岛( d ) = 1 ，g l ( d ) = 1 + d 2 ，9 2 ( d ) = l + d + d 2 。 g ( d ) = 9 0 - o ( d ) 9 1 o ( d ) - 1 o ( d ) 岛1 ( d ) g l - l ( d ) & - 1 1 ( d ) 岛+ l ( d ) 蜀川( d ) _ 1 川( d ) 月= 七丹称为卷积码的码率。它是衡量卷积码传输信息有效性的一个重要参数。图 中编码器的码率为1 3 。r 越大，即校验比特( 信息比特的冗余) 越少，传输信息的效 率越高。r 越小，即信息的冗余比特越多，这样编解码的纠错性能越好，当然代价是实 现复杂度的提高和有效传输信息率的下降。 卷积码编码器的工作过程可用编码器状态图【8 】表示，如图2 3 。编码寄存器中任一时 刻的存贮数称为编码器的一个状态，以表示。本例中两个寄存器共有四种可能状态： o o ，0 1 ，1 0 和1 1 ，随着信息序列的不断输入，不断地从一个状态转换到另一个状态， 同时输出编码后的码段。图中虚线表示l 输入，实线表示。输入时的状态转换。 码字中非零码元的个数称为码字的汉明重量，简称重量，用w 表示。任两个码字之 间，对应位取值不同的个数，称为它们之间的汉明距离d 。例如x ：( 1 0 1 0 1 ) ，y ：( 1 1 0 0 0 ) ， 则d ( x ，) ，) = 3 。任两个码字之间距离的最小值，称为该码的最小汉明距离吃，简称最小 距离，成= 血n d ( x ，y ) 。卷积码的最小自由距离d r 定义为编码器从( 全o ) 状态出 发，又回到该状态时，所有可能非全o 路径重量的最小值，也就是所有可能非全0 码字 到全0 码字的最小汉明距离。瓯或d ，是卷积码的另一个重要参数，它表明了卷积码抗 干扰能力的大小。( n ，k ，m ) 卷积码在连续m + 1 段内能纠正f i ( 矾一1 ) 2 1 个随机错误， 能检测p 。一1 ) 个错误【6 】。玩或d ，越大，码的抗干扰能力越强，在同样的译码方法下它 6 第二章无线通信系统中的编解码技术 的译码错误概率越小。 o o o 图2 3( 3 ，l ，2 ) 卷积码编码器状态图 编码器从全o 状态出发，又回到状态所输出的码序列，称为结尾码字【9 1 。在输 入完一段信息序列后，为了明确此段信息序列的结束状态，或者说明确下一段信息序列 的开始状态，通常要求产生结尾码字。因此，在输入完信息序列后，般还要再向编码 器输入彤尼个零信息元，以迫使编码器回到全零状态【9 1 。 2 3 卷积码的性能 卷积码的性能体现在距离特性和差错概率性能，这些都可以从其状态图中得出，但 是需要先由状态图中求得卷积码的转移函数i l0 。 对图2 3 的状态图修改以后可以得到图2 4 的修正状态图： a 、断开全零状态作为状态图的开始状态和结束状态。 b 、对修正状态图的每个分支，用符号d 的指数表示该分支输出比特的汉明距离。 c 、修正状态图的每个分支用符号j 来标识。 d 、如果修正状态图的某个分支的输入比特为1 ，则用来标识。 图2 4 ( 3 ，1 ，2 ) 卷积码编码器修正状态图 由上图中可以得出状态方程是： 7 东南大学硕士学位论文， s c = j n 掺s o 七j n d s b 詈5 黑2 十鼍忡a ( 2 6 ) s d = j n 黟s c 七j n 黟s d 、 s e = j 萨s b 由上述的方程可以得到转移函数为： 邶m = 嬲= 妾 rn d 6 = 一 1 一以，d 2 ( 1 + ，) + ，7 3 d 1 0 = j 3 d 6 + j 4 2 d 8 + ，5 3 d 8 + 2 ，6 3 d 1 0 ( 2 7 ) 转移函数给出了卷积码中所有的路径特性。r ( d ，j ) 展开式中的第一项表明距离 d = 6 的路径长度( 分支数) 为3 ，有3 个输入的信息比特，其中一个比特是1 。 由状态转移函数可以得出卷积码的自由距离。卷积码中的自由距离如同分组码的汉 明距离，最小距离越大则其纠错性能越好。在转移函数中卷积码的自由距离就等于d 的 最小幂。如上例中可以由式子( 2 7 ) 得出卷积码的自由距离d 触= 6 。 在对卷积码译码中定义了两种错误概率，一种是首次差错事件概率。将与全零路 径汇合路径的度量首次超过全零路径度量的概率定义为首次差错事件的概率。另一种是 比特错误概率只，是指译码序列出现比特错误的平均个数。 对于硬判决： 丁( d ，) i d = 而，：l ：l 咒 等芦k 厕肛v - 1 2 名 式中p 为二进制对称信道的比特差错率。 对于软判决： 丁( d ，) l d 互。m ，- l ，：l 忍 2 ) 进制符号，就是寻找与r 有最小软( 判决) 距离的路径，即寻找 m i n 以( r ，g ) f = 1 ，2 ，2 地( 2 1 8 ) 式中，足与c j ，是接收序列尺和e 序列的q 进制表示。这个过程称为软判决译码【l 3 1 。 次性的计算、比较所有可能路径的度量是不现实的，针对这个困难提出了t e r b i 算法，它是接收一段，计算、比较一段，选择一段最可能的码段( 分支) ，从而达到整 个码序列是一个有最大似然函数的序列。其算法的步骤如下【1 2 j ： 1 ) 从某一时间单位，= 聊开始，计算进入每一状态的所有部分路径的部分路径度量，选 取度量值最大的部分路径作为留存路径，存贮它及其度量值。 2 ) ，= ，+ 1 ，计算此时刻进入每一状态的所有分支的分支度量，与和这些分支相连的前 一时刻留存路径的度量相加，选取并存贮具有最大度量值的路径作为留存路径，删去 其它路径，因此留存路径又增加了一个分支。 3 ) 若， 尸 岛t5o i 马，川( 3 4 ) 屹一1o 矿尸【岛七= 1j 蜀i h ： ( 3 5 ) 心“1 1o 矿尸 色= 1i 】 2 ( 3 1 2 ) f 2 【f 】 一叫综轰化卜一 磊渗一 v y ol 入 、综合后仿真 一 否正确 y 图4 9 完整的f p g a c p l d 设计流程 3 3 东南大学硕士学位论文 一个完整的f p g c p l d 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后 仿真、实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤。如图4 9 所示。 4 2 4 开发与仿真软件 4 2 4 1x i l i n xi s e 开发软件 x i l i n x 作为当今世界上最大的f p g c p l d 生产商之一，长期以来一直推动着 f p g c p l d 技术发展。其开发的软件也不断升级换代，由早期的f o u n d a t i o n 系列逐步 发展到目前的i s e 6 x 系列。i s e 是集成综合环境的简称，是x i l i n x 提供的一套工具集， 其集成的工具可以完成上述整个f p g c p l d 的开发过程【3 3 】。 i s e 的主要特点： 一 它是一个集成环境，可以完成整个f p g c p l d 开发过程。i s e 集成了很多著名 的f p g c p l d 设计工具，根据设计流程合理应用这些工具会使设计工作如鱼 得水。 _ 强大的设计辅助功能。i s e 秉承了x i l i n x 设计软件的强大辅助功能。在编写代 码时可以使用编写向导生成文件头和模块框架，也可以使用语言模板( l a j l g u a g e t e m p l a t e s ) 帮助编写代码。另外，i s e 的c o r eg e n e r a t o r 工具可以很方便的生成 i pc o r e ( i p 核，基于i p i m m e r s i o n t m 技术) ，大大减少了设计者的工作量，提高 了设计效率与质量。 4 2 4 2i s e 集成仿真软件 i s e 集成的仿真工具主要有m o d e lt e c h 公司的仿真工具m o d e l s i m ( i s e 仅提供函数 接口) 和测试激励生成器h d lb e n c h e r 等。 一m o d e l s i m 可以说是业界最流行的仿真工具之一。其主要特点是仿真速度快。仿 真精度高。m o d e l s i m 支持v h d l 、v e r i l o gh d l 以及两者混合编程仿真。 m o d e l s i m 的p c 版的仿真速度也很快，甚至和工作站版本不相上下。 一h d lb e n c h e r 是一种根据电路设计输入，自动生成测试激励的工具，它可以把 工程师从书写测试激励文件的繁重工作中解脱出来。h d lb e n c h e r 的x i l i i l x 版 本可以支持v h d l 、v e r i l o gh d l 语言输入和x i l i n x 原理图输入等3 种输入方法。 将这些设计输入导入到h d lb e n c h e r 中，就能自动生成相应的测试激励文件。 g m c 演示系统的f p g a 设计中使用同时使用了h d lb e n c h e r 和手工建立t f 文件来 生成激励测试文件，并由m o d e l s i m 仿真软件进行前仿真与后仿真。 4 2 4 3 综合软件 i s e 集成的综合工具主要有s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i 叫s y n p l i 矽p r o ，s y n o p s y s 公司的 3 4 第四苹编解码的f p g a 买现 f p g ac o m p i l e ri i e x p r e s s ，e x e m p l a rl o g i c 公司的l e o n a u r d o s p e c t r u m 和x i l i l l ) ( i s e 中的 x s t 等。在本课题中，主要用到了s y n p l i f yp r o 和x s t 。 _ s y n p l i f y s y n p l 匆p r o 作为新兴的综合工具在综合策略和优化手段上有较大幅度 的提高。它的综合结果往往面积较小，速度较快，在业界口碑很好。 _ x s t ( x i l i n xs y n t h e s i st e c l l o l o g y ) 是x i l i n x 自主开发的综合工具。虽然x i l i n x 设 计综合软件的经验还不够丰富，但只有x i l i i l x 自己对其芯片的内部结构最了解， 所以x s t 的一些优化策略是其它综合工具无法比拟的。x s t 对某些使用到 x i l i l l ) ( 内部核心的设计的综合结果甚至要比其它综合工具优越多。 在s y n p l i c 时公司发布s y n p l i 纠s y n p l 坶p r 0 7 3 软件版本之前，使用s y n p l i 纠s y n p l i f y p r o 工具综合具有i pc o r e 的设计时，常常需要繁琐的设置，此时使用x s t 综合比较方 便；当7 3 版本发布以后，s y n p l i f 3 ，s y n p l i 母p r o 集成了i pc o r e ，综合具有i pc o r e 的设 计时无需任何设置，此时s y n p l i f y s y n p l 毋p r o 便可完全取代x s t ，发挥其优越的综合 性能。 4 3 编解码技术的f p g a 实现 g m c 演示系统的信令控制等主要通过m p u 板的p o w e r p c 来处理，其他的基带信号 处理以及流媒体的一些业务封装都是通过f p g a 来实现的。在图4 4 基带硬件实现结构 框图中，编码发送等模块位于t x _ p m s 板的f p g a l ，译码接收等模块位于i k s p 板的 f p g a 3 中。编解码模块的实现模块图见图4 1 0 。下面分别介绍各个模块的f p g a 实现。 目前系统所有的f p g a 都使用x i l i n ) 【公司的r t e x i i3 0 0 0 芯片。这种芯片的资源情况可 以参看表4 1 。 图4 1 0 编解码实现的主要模块 4 。3 1 编码器f p g a 设计 编码器的f p g a 设计可以根据编码器的结构直接设计。目前演示系统采用的卷积编 东南大学硕士学位论文 码结构如下： 图4 1 l 卷积编码器的实现结构 根据图4 1 1 的结构采用9 位d 触发器，然后将相应的抽头拉出进行逻辑异或运算就 可以得到译码器的两路并行输出。编码器的输入输出时序见图4 1 2 。 c l k 7 6 8 m h z 厂 nr 厂 r 厂 厂 门厂 厂 n 厂 r 广 广 厂 厂 厂 s o u m z n 厂_ 旷中砷卜扩啦 4 广r 丁_ 1 t f r a m e 一：u o l l 4 0 _ o 4 4 一 ：l 一 。， 一：一： ：p a c km ：_ ：_ ：ili ：_ _ ： ： ：7 9 2 ：0： ： ： ： ： ： ： 卜叶斗+ 卜卜- 2 + 7 9 2 卜_ 斗+ _ 卜 c o d e o u t i 广 k 亘卫叔二七二七二七二上二上二二二士二士二士二土二二e ： p a c k o u t l _ ：i ：u l 一上l l ：u o 一： 一： ： ：一： ：!：!：! 图4 1 2 编码器的输入输出时序图 上图中包含了数据源的时序。s o u r c e i n 为编码前的数据源，f r 锄e 为编码前数据的 一个同步标志，每2 4 7 9 2 比特循环出现一次，称做为帧同步。p a c k 信号每7 9 2 比特循 环出现，称为块同步。这些定义是与g m c 演示系统的资源分配相对应的。目前系统采 用3 个时隙1 帧的结构，其中下行使用两个时隙，空闲1 个时隙模拟上行占用的时间。 这里再次参照图3 6 中的g m c 资源分配可以看出，当采用上述的帧结构的时候，1 帧的 时间为o 8 2 5 3 聊s 。图中每一小格是系统的基本资源块，1 帧资源对应时隙o ( t s o ) 和 时隙1 ( t s l ) 占用的一共2 4 块基本资源块。一个基本资源块对应的是1 个载波上的1 个时隙长度，也就是1 0 5 6 个c h i p 的数据( c h i p 速率为1 2 8 m 舷) 。再除去导频和保护时 间的插入段，实际的编码前的数据每一块为7 9 2 b i t ( 在目前的时隙、帧结构和1 2 编码 以及q p s k 调制的条件下) 。这样编码前的数据源1 帧的数据量为7 9 2 2 4 。当编码前数 1 据源时钟为7 6 8 m 舷的时候，计算1 帧的时间为7 9 2 2 4 了暑，正好等于三个时 ，o 芍朋肱 隙占用的时间2 4 7 5 聊s 。 图4 1 1 中c o d e o u t 为译码输出两比特的波形，p a c k o u t 为译码输出数据对应的7 9 2 3 6 第四苹编解码的f p g a 买现 块数据的块同步信号。 图4 1 3 为使用卷积编码输入输出的m o d e l s i m 后仿真时序波形。p o n s o u r c e 为编码前 数据源，p o r t j a c l t - c o n f r 锄e 为编码前数据源的块同步信号，p o n - 血锄e _ o u t 为编码前数 据源的帧同步信号。c 1 k 7 6 8 为7 6 8 彻z 的时钟，p o r t - c o d e o u t 为译码输出，p o n j a c k c o d e 为译码输出数据对应的块同步。p o 岫2 s e n 为输出使能，接到下一级并串转换模块的使 能输入。 霪蚕 麓墨臣 溺1 鳅5 e ? m 3 吲剥 0 0 曩啊隧圜豳_ 礴 西暖蕊匮醴霉霹 f