（微电子学与固体电子学专业论文）turbo码logmap译码算法的硬件结构研究与实现.pdf

哈尔滨r 业大学硕士学位论文 摘要 t u r b o 码是由法国学者c b e r r o u 等在1 9 9 3 年提出的一种编码结构。由于近 s h a n n o n 限的性能，t u r b o 码在提出以后很快成为信道编码领域研究的热点。 t u r b o 码编码器由两个反馈系统卷积编码器经过交织器并行级联而成。t u r b o 码 译码器由软输入软输出逐位最大后验概率译码单元构成。在译码过程中，数据 在两个译码单元之间迭代，直到满足停止机制的条件，才停止译码、输出译码 结果。 首先，本文在总结以往工作的基础上，简要介绍了t u r b o 码编译码器的基 本原理，以及各种译码算法。在此基础上选择l o g m a p 译码算法作为本文实现 t u r b o 码译码器的译码算法，并以m a p 算法为基础，对已经存在的l o g m a p 译码算法进行了验证性推导。 其次，本文提出并研究了t u r b o 码编译码器的一种硬件实现结构。在编码 器中，分量码采用了t d s c d m a 标准中建议使用的反馈系统卷积码结构，交织 器选择了便于硬件实现的块交织嚣。译码器以l o g - m a p 算法为基础，并且引入 滑窗时序，以提高译码速度，减少译码过程中所需的存储量。在此基础上， 采用d e s i g nc o m p i l e r 完成t u r b o 码译码器的综合、优化并得到门级 网表，给出译码器硬件结构的规模、所采用的系统时钟以及该译码器的吞吐率。 最后，本文搭建了t u r b o 码编译码器仿真平台，对t u r b o 码编译码器硬件 实现进行仿真，给出t u r b o 码编译码器在高斯白噪声信道条件下的误比特率， 并且对译码性能进行了详细地分析。 关键词信道编码；v l s i ；迭代译码；t u r b o 码；m a p 算法：l o g m a p 算法 喻尔滨工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u r b oc o d ei sp r e s e n t e db yf r e n c hs c h o l a rc b e r r o ue ta l i n1 9 9 3 b e c a u s ei t s a s t o n i s h i n gp e r f o r m a n c ev e r yc l o s et os h a n n o n 1 i m i t s ，i tb e c o m e s o n eo ft h ef o c u s e s o nt h ec h a n n e l c o d i n gf i e l ds o o n t h ee n c o d e ri s c o n s i s t e do ft w or e c u r s i o n s y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a lc o d e sa n do n ei n t e r l e a v e r a n dt h et w or s c sa r el i n k e d p a r a l l e lt h r o u g ht h e i n t e r l e a v e r t h et u r b od e c o d e ri sb a s e do ns o f t i n s o f t o u t c o n s t i t u e n td e c o d e r , w h i c ha d o p t sam a x i m u ma p o s t e r i o r ia l g o r i t h m i n t h ed e c o d i n g p r o c e s s t h e d a t ai st r a n s f e f r e db e t w e e nt h et w oc o n s t i t u e n td e e o d e r si t e r a t i v e l y w h e ni tm e e t st h es t o p p i n gm e c h a n i s mc o n d i t i o n ，t h ed e c o d i n gp r o c e s si ss t o p p e d ， a n dt h er e s u l ti so b t a i n e d f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so f t u r b oc o d ea n ds o m ed e c o d i n ga l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e d w h i c hi sb a s e do ns u m m a r i z i n gt h ep r e v i o u sa c h i e v e m e n t s t h e nt h e l o g - m a pa l g o r i t h mi ss e l e c t e da st h ed e c o d i n ga l g o r i t h m i nt h i sp a p e r w h a t sm o r e t h ed e t a i lo fd e d u c t i o nf r o mm a p a l g o r i t h m t ol o g - m a p a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，av l s i a r c h i t e c t u r ef o rt u r b oc o d ei m p l e m e n t a t i o ni sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d i nt h ee n c o d e r t h er s c i nt d - s c d m ai sa d o p t e da st h ec o n s t i t u e n t c o d e ，a n dt h eb l o c ki n t e r l e a v e re a s yt oi m p l e m e n ti su s e d i nt h ed e c o d e r ，t h es l i d e w i n d o w t i m i n gi sp e r f o r m e d ，w h i c hc a ni m p r o v e t h ed e c o d i n gs p e e da n dr e d u c et h e s c a l eo ft h es t o r a g ei nt h ed e c o d i n gp r o c e s s t h e nt h ed e c o d e ri s s y n t h e s i z e da n d o p t i m i z e du s i n gs o f t w a r ed e s i g nc o m p i l e r , a n dt h eg a t e - l e v e ln e tl i s t i so b t a i n e d a f t e rt h a t ，t h es c a l eo ft h ed e c o d e r ，f r e q u e n c yo ft h es y s t e mc l o c ka n dt h et h r o u g h o u t o f t h ed e c o d e ri sg i v e n f i n a l l y ，ap l a t f o r mi s e s t a b l i s h e d t h ev l s ii m p l e m e n t a t i o ni sv e r i f i e di nt h e p l a t f o r ma n d t h ed e c o d i n gp e r f o r m a n c eu n d e rt h ea g w nc h a n n e li sg i v e n t h e nt h e p e r f o r m a n c e o ft h et u r b od e c o d e ri sa n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d sc h a n n e lc o d i n g ；v l s i ；i t e r a t i v ed e c o d i n g ；t u r b oc o d e ；m a pa l g o r i t h m l o g m a pa l g o r i t h m - t i - 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 l 世纪的社会是信息社会，信息交流已经成为人们生活的基本需要。尤其 是无线通信的快速发展，极大地提高了交流的便利性。然而信号在传输过程中 会受到干扰，在接收端接收到的信号会产生错误从而对通信的可靠性造成影 响。为了提高传输信号可靠性，可以增加发射功率，提高信噪比，但是这种方 法所需硬件和功耗代价都很大。另一种抗干扰的方法是采用信道编码，通过人 为增加冗余信息，使信号具有自动检错或纠错能力。该方法需要增加编、译码 器对信号进行编码和译码，但无需额外提高发射功率，因此是在通信系统中常 用的方法。 信息论的开创者c e s h a n n o n 的信道编码定理【l 】定理指出，在有噪声的信 道中，当信息传输率r c ( c 为信道容量) 时，总可以找到一种编、译码方法， 使得译码的错误率任意小。对于分组码和卷积码，在定理的证明中引用了三个 基本条件：采用随机编译码方式；编译长度斗o 。，即分组码长度趋于无 限；译码采用最佳的最大似然译码法。 信道编码定理是一个存在性定理，说明了在r k 时，吞吐率趋近于 最大值。 当流水线中的各段执行时间不完全相等时，流水线中就存在“瓶颈”，此 时流水线的实际吞吐率为： t p = n 1 ) m a x ( a t l ，址2 ，血t ) ( 2 3 9 ) 分母中的第一部分是流水线完成第一个任务所用的时间，第二部分是完成其余 n 一1 个任务所用的时间。解决流水线“瓶颈”问题可以通过对流水线的“瓶颈” 部分再细分，从而减少每个功能段的延迟时间，以达到提高流水线吞吐率的目 的。 ( 2 ) 加速比完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用 的时问之比称为流水线的加速 = t ( s p e e d u pr a t i o ) 。如果不使用流水线，即顺序执 行所用的时间为t o ，使用流水线的执行时间为t k ，则流水线的加速比为： s ：孕( 2 - 4 0 ) 1 这是计算流水线加速比的基本公式。如果不使用流水线，即顺序执行n 个任务， 则所需要的时问为：n k a t 。各个功能段执行时间均相等的一条k 段流水线完 h ( +t 。黼 哈尔滨 ：业大学硕士学位论文 成n 个连续任务时的实际加速比为： s ：墨：! ：垒：! ：! r k + n 一1 ) a t k + 月一1 ( 2 4 i ) 从公式( 2 4 1 ) 中可以看出，当n k 时，在线性流水线的各段执行时间相等的情 况下，流水线的最大加速比等于流水线的段数。但并不是流水线的段数越多越 好，因为流水线的段数很多时，要求连续输入的任务数也多，而且连续输入的 任务数量容易受到数据相关、转移、中断等情况的限制。因此，要根据具体情 况进行权衡。另一方面，从成本考虑，流水线的段数也不可能很多。 如果各段执行时间不完全相等，则加速比会因为受到“瓶颈”的制约而降 低。 ( 3 ) 流水线的效率( e f f i c i e n c y ) 是指流水线的设备利用率。在时空图上，流水 线的效率定义为n 个任务占用的空间区与k 个功能段总的时空区之比。因此，流 水线的效率包含有时间和空间两方面的因素。一条k 段流水线的效率可以表示 为： e = 矗 ( 2 a z ) 公式( 2 4 2 ) 是计算流水线效率的一般公式。如果流水线的各段执行时问相等，而 且输入的n 个任务连续，则一条k 段流水线的效率为： e ： 生：翌：竺：! k ( 七+ 月一1 ) a t k + h 一1 f 2 4 3 ) 从公式( 2 4 3 ) 可以看出。当n k 时，流水线的效率达到最大值1 ，流水线的各 段均处于忙碌状态：从时空图中看，每一块都是有效的。 如果各段执行时间不完全相等，则流水线的效率会因为受到“瓶颈”的制 约而降低。 2 5 本章小结 本章首先讨论了t u r b o 码编码方案，指出其编码器是采用两个r s c 码编码 器通过一个交织器并行级联而成，并对r s c 码和交织器给予了介绍。然后，在 沦述了反馈译码原理的基础上介绍了m a p 译码算法，并且以之为基础，对对数 域中的m a p 算法l o g m a p 译码算法进行了详细的推导，给出了便于硬件 实现的t u r b o 码l o g m a p 译码算法中各个公式的具体表达式。由于在进行硬件 哈尔滨工业大学硕士学位论文 设计过程中，流水线技术是提高电路整体性能的关键技术，本章在最后对流水 线技术进行了介绍，对流水线的特点、流水线的性能指标以及关键参数给予了 说明和分析。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 第3 章t u r b o 码编译码