（通信与信息系统专业论文）wcdma中viterbi译码器ip核的研究与实现.pdf

堕j ! 三些查兰堡圭丝兰 生主i ! 墨一 摘要 信道编译码是移动通信系统中的重要组成部分，本文主要论述了w c d m a 信道编译码器中的维特比译码器的i p 核设计与实现。 文章首先对w c d m a 的物理层协议做了简要的说明，重点阐述信道编译码 部分的实现过程。同时，文章对卷积编译码的理论和方法进行了较为细致的研 究，并给出此设计方案的理论仿真分析。然后文章在简要介绍i p 核及其相关概 念的基础上，就w c d m a 信道编译码器中的维特比译码器的i p 核的具体设计思 想及实现细节进行了详细的说明。 此i p 核采用硬件描述语言v e r i l o g h d l 进行电路描述，结合仿真工具 m o d e l s i m 和综合工具s y n p l i f y ，在功能仿真和时序仿真无误后下载到 a l t e r a 公司的a c e x 系列f p g a 上进行硬件验证，完全能够满足w c d m a 的 b e r 为1 0 。3 级别数据传输业务的信道解码。 关键词： w c d m a 卷积编码v i t e r b i 译码i p 核v e r i l o g 硬件描述语言 西北工业大学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t c h a n n e l c o d i n g a n d d e c o d i n g m o d u l ei sa l l i m p o r t a n tp a r t o ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h e v i t e r b id e c o d e rw h i c hi so n ep a r to ft h ew c d m ac h a n n e l c o d i n g a n d d e c o d i n gs y s t e m t h e p h y s i c a ll a y e rp r o t o c o lo f t h ew c d m as y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ec h a n n e lc o d i n g a n dd e c o d i n gp r o c e s si sd i s c u s s e df o rt h ef i r s t p o i n t a tt h es a m et i m e t h et h e s i s r e s e a r c ht h ec o n v o l u t i o nc o d i n ga n d d e c o d i n gt h e o r yi nd e t a i l a sw e l la sp r e s e n tt h e p r o c e s so f r e s e a r c ho nt h e o r ya n ds i m u l a t i o no f 也i sv i t e r b id e c o d e r s o o nt h ea u t h o r d e s c r i b e sal i t t l er e l a t i v e c o n c e p t i o no ft h ei p c o r e o nt h i sb a s e ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n o f t l l ev i t e r b id e c o d e ri p c o r ei nw c d m a s y s t e m i sd i s c u s s e di nd e t a i l n l ei p c o r ew a sd e s i g n e db yt h e v e r i l o gh d l ( h a r d w a r ed e s c r i b el a n g u a g e ) c o m b i n e dw i t i lt h es i m u l a t i o ns o r w a r em o d e l s i ma n d s y n t h e s i s s o f t w a r e s y n p l i f y a f t e rt h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n dt i m i n gs i m u l a t i o n ，t h ei p c o r ew a s i m p l e m e n t e di nt h ea l t e r a a p e xs e r i e sf p g at ob et e s t e da n dt h er e s u l ti st o t a l l y u pt ot h em u s t a r do f t h ec h a n n e ld e c o d e ro f t h ew c d m ab e r1 0 3 仃a n s m ks e r v i c e k e yw o r d s ： w c d m a c o n v o l u t i o n c o d i n g v i t e r b id e c o d e ri p c o r e v e r i l o gh d l - n 亘韭三些查堂堡主笙塞羔! 皇! ! 垒 第一章绪论 1 1 课题的背景 3 g 是指第三代移动通信系统，自产生之日起，3 g 便是业界和传媒普遍关注 的热门话题。作为第三代移动通信的3 g ，是包括标准的制定、系统网络、终端 应用开发等在内的一个整体概念，其鲜明特点是高速度、多媒体、个性化。这 些特点使3 g 拥有广泛的用途和诱人的前景。我国对3 g 的研究和市场开发一直如 火如荼，这种现象是由中国特有的庞大的移动通信市场决定的。目前中国移动 用户已超过1 5 亿户，且每年仍以净增大约6 0 0 0 万用户的规模持续发展，不论 是用户总量，还是每年净增用户量都位居全球之首。巨大的利润空间使得世界 各大通信厂商垂涎中国市场这块巨大的蛋糕。 众所周知在1 g 和2 g 发展中，我国没有自己的芯片，而移动产品( 基站及终 端) 的核心技术就是芯片，因而我国未能真正形成自主的移动通信核心产业， 3 g 的出现对我国通信产业来说是一个巨大机遇。因此，通过对3 g 芯片的开发可 以改变我国移动通信领域类进口芯片统天下的局面。只有加强对3 g 芯片的研 制和生产，才能真正形成中国自己的3 g 产业，带动提升挨个通信产业、i c 产业 甚至软件产业的国际竞争力，带来巨大的经济效益和社会效益。 1 2 课题的意义和来源 科技部去年在京宣布，总投资达2 0 0 亿元的“十五”期间1 2 个重大科技专项 已经正式批复启动实施，其中“超大规模集成电路和软件重大专项”位列榜 首。我国将力争在2 0 1 0 年左右成为集成电路设计生产大国，建立国家级的i p 核 库，掌握与国际接轨的自主知识产权的i p 核的开发、管理和应用技术，自主开发 一批示范性s o c 关键芯片，突破超深亚微米i c 设计、i p 复用、软硬件协同设计、 关键工艺模块等s o c 关键技术成为集成电路方面的项目重点。预计n 2 0 i o 年，我 国将成为世界第二大半导体市场。巨大的市场需求将使我国电子信息产品制造 业的产值增长率大大高于国民经济的增长速度，每年约为2 0 - , 5 0 。在这样一 个大的环境下，对i p 核的研究投入的重要性不言而喻。 i c 市场的需求决定着需要开发的i p 核，对于基本i p 核和接h i p 核来说，在市 场的策动下必然会得到大量的开发和应用。考虑到我国电子信息市场的特殊 性，即巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖于进口的状况，从 国家的整体利益出发，应该开发以下急需的i p 核： a d d a 类t p 核： 西北工业大学硕士论文 第1 章绪论 一数字家电类i p 核，如j p e g ，m p e g 2 编解码器： 一移动通信类i p 核，如卷积码、v i t e r b i 解码器、t u r b o 码编译码器、r e e d s o l o m o n 编译码器、b l u e t o o t h ； 信息处理类i p 核，如高性能f f t i f f t ( 快速傅里叶变换和反变换) 、正变 换和反变换组合在一起的离散余弦变换器、d e s 力i i 密解密处理器； 一网络通信类i p 核，如高端路由器、t c p i p 用i p 核： 嵌入式c p u 及低功耗d s p ； 一嵌入式d ra m ，s r a m 。 第二代移动通信系统能够满足话音及低速率的数据传输业务，第三代移动通 信系统在第二代的基础上，所需提供的业务种类大大增加，这就对信道编译码 提出了更高的要求。卷积编码和维特比译码作为3 g p p 所提供的一种w c d m a 信道编码方案，能够完成b e r 为1 0 。级别的业务，将基于此设计的i p 核同能够 提供b e r 为1 0 。6 级别业务的t u r b o 码编译码器整合在一起就是一个完整的信道 编译码器。基于以上背景，对第三代移动通信的维特比译码器的i p 核的研究与 实现意义显得非常重大。 智芯科技( 上海) 是一家专为国内外对集成电路设计和服务有需求的公司 提供最具竞争力的i p 设计服务及一站式s o c 解决方案，公司致力于设计和积累自 主产权的i p 核库，协助客户在中国广大的3 c 市场( 消费、通信、计算机) 上获 得成功。本论文课题为智芯科技的资助课题，通过此课题的研究，可以为我国 在通信领域的i p 核积累设计经验，为后续的设计者提供价值极高的参考。 1 3 课题的主要工作 本论文在深入研究w c d m a 的信道编码方案和维特比译码理论的基础上，根 据协议要求设计出了约束长度为9 、速率为1 2 、8 电平量化软判决的卷积编码及 维特比译码器i p 软核。 首先阅读了w c d m a 物理层协议，重点研究了w c d m a 的信道编码方案，查 找、搜集和积累相关资料。然后，在卷积编码理论研究和仿真的基础上，通过 调研、论证，确定了该i p 软核的设计方案并进行了具体的设计实现，该软核采用 v e r i l o g - h d l 语言描述，最后经过严格的仿真及测试，说明该i p 核完全能够满足 协议要求，可以随时下载到可编程逻辑器件上进行应用。由于程序采用参数化 设计，只要简单的修改，亦可作为其他无线通信系统的信道编译码器。 该论文的研究、设计与实现的主要内容由以下章节介绍 西北工业大学硕士论文第1 章绪论 第二章介绍了w c d m a 的物理层的主要规范协议，重点介绍了w c d m a 的 信道编码方案。 第三章对卷积编码及其维特比译码理论做了详细的讨论，为后面的实现 做了必要的理论准备。 第四章重点针对w c d m a 物理层协议要求的软判决维特比译码器进行了 s y s t e m v i e w 平台下的仿真，为实现方案的选择打好基础，同时对软判 决译码的硬件实现的几个重要问题进行了细致的讨论。 在介绍i p 核及其相关概念的基础上，对维特比译码器的i p 核v e r i l o gh d l 实现做了详细的说明 一最后给出了课题研究的结论 1 4 本章小结 本章在查找、搜集和阅读相关资料的基础上，说明了课题的背景、意义和 来源，介绍了课题的研究、设计与实现所涉及的相关内容，使读者对本文的总 体结构有了基本的了解。 堕! ! 三兰竺查堂堡主丝窭 苎! 兰! ! 里坠塑里星墨堕望堡塑查墨笪竺 第二章w c d m a 物理层及信道编码方案简介 2 1w c d m a 物理层简介 2 1 1w c d m 1 9 9 8 年1 月在e t s i 会议上决定把w c d m a 作为i m t 一2 0 0 0 候选方案之一提 出。w c d m a 分为f d d 和t d d 两种方式。在f d d 模式下，w c d m a 的码片速 率为3 8 4 m o p s ，能与g s m 同时使用一个时钟，实现w c d m a 与g s m 双模手 机；另外，使用这个码片速率容易实现2 m b p s 的数据速率。w c d m a 的每个载 波能放入5 m h z 的频谱带宽。如果有1 5 m h z 的带宽，则可支持3 个载波。为保 证与其他载波间至少有2 0 0 k h z 的保护间隔，1 5 m h z 内的3 个载波间隔可在 4 2 5 0 m h z 间变动。下行信道采用双数据信道结构，双信道二相相移键控 ( b p s k ) 调制是w c d m a 的重要特征之一。信道中一路为余弦信号调制，相当 于四相相移键控( q p s k ) 调制的i 路，是专用的物理数据信道( d p d c h ) ，传 送信息业务数据；另一路为正弦信号调制，相当于q p s k 调制的q 路，是专用 的物理控制信道( d p c c h ) 传送公共控制命令。w c d m a 的越区切换方法也很具 特色，它采用移动台发起的非同步软切换方法。w c d m a 的基站之间不需要同 步和特别的同步参考源，为实现软切换，基站要确定什么时间、什么位置启动 软切换算法。一个w c d m a 的移动台在同一频率检测其他基站( 包括基本基 站) 的信号，确认它们之间的时间差。检测到的时间信息经由本基站到达新的 基站，候选基站调整它的新的专用信道的发射时间，也就是在发送信息的时问 上进行调整，使不同基站在这个信息比特期间的下行码道上同步。 2 1 2w c d m a 物理层 2 1 2 1 物理层构成及功能模块 物理层主要包括下列功能模块： 传输信道误码检测及与高层的通信 传输信道的前相纠错编码( f e c ) 传输信道复用和编码组合传输信道( c c t r c h ) 的解复用 一速率匹配( 专用和共享信道的数据复用) 一c c t r c h 同物理信道的映射 一功率均衡及物理信道的结合 物理信道的调制、扩频、解调和解扩 时间和频率( 码片、比特、时隙和帧) 同步 西北工业大学硕士论文第2 章w c d m a 物理层及信道编码方案简介 链路特性测量( 包括误帧率( f e r ) 、信噪比( s i r ) 、干扰功率水平等) ，并 同上层通信 一闭环功率控制 射频处理 上行信道对时间预留技术( t i m ea d v a n c e ) 的支持 2 1 2 2 传输信道 传输信道是物理层同m a c 层之间的接口，传输信道定义的是什么样的数据 将在物理层中传输。一般来说，传输信道主要分为两种：专用信道和公用信 道，后者是被许多用户设备( u e ) 所共享的。 ( 1 ) 公用传输信道 广播控制信道( b c c h ) ：用于向小区内的移动台提供有关系统和小区配置的 广播信息，始终在全小区内发送。 前向接入信道( f a c h ) ：当系统知道移动台所处的位置小区时，用于向该移 动台发送系统和小区的控制信息；也可用于发送短的用户分组包。一般在全小 区内发送，而当小区使用波束天线时仅在该部分小区发送，且仅当需要发送时 才发送。 寻呼信道( p c h ) - 当系统不知道移动台所处的位置小区时，用于向该移动台 发送系统和小区的控制信息，始终在全小区内发送。 随机接入信道( r a c h ) ：用于向基站发送来自移动台的控制信息；也可用于 发送短的用户分组包。基站始终在全小区内接收r a c h 的信号。 ( 2 ) 专用传输信道 专用传输信道只有一种，即d c h ，包括上行和下行专用传输信道，用来在 网络和移动台之间传输用户及控制信息，对应于i t u r m 1 0 3 5 中定义的专用业 务信道( d t c h ) 、旁路专用控制信道( s d c c h ) 和辅助控制信道( a c c h ) 。 2 1 2 3 物理信道 w c d m a 系统中的物理信道定义为一个特定的载频、扰码、信道化码、起 始时间( 或时间长度) 和一个上行相对相位( o 或n1 2 ) 的组合。时间长度以整数个 码片来标识。协议中规定的码片组合有以下几种： 无线帧：一个无线帧包含1 5 个时隙，3 8 4 0 0 个码片 时隙：一个时隙包含2 5 6 0 个码片，使用不同的扩频因子，一个时隙可以传 1 0 x 2 k b i t s ，其中k 与扩频因子的关系为：s f = 2 5 6 2 。( 上行链路) ，s f = 5 1 2 2 。( 下行 链路) 。 超帧：一个超帧由7 2 个无线帧构成 图2 1 示出了w c d m a 的基本物理帧结构 5 西北工业大学硕士论文第2 章w c d m a 物理层及信道编码方案简介 超帧( ? 2 0 m s ) - 4 1 - - - - - - - - - - - r i z , - _ 删( 1 叫 、 帧知 l 懈t f 鞍8 7 1 一峪脚。i 、- e ，。、 1 时隙# 0时辣# 1时隙# 2 时隙# 1 3对隙# 1 4 图2 - 1w c d m a 基本物理帧结构 物理信道分为上行物理信道和下行物理信道，上行和下行又各自分为专用 物理信道和公用物理信道。物理信道的种类划分由树图2 - 2 给出： 图2 - 2 w c d m a 物理信道的种类划分 - 6 垦! ! 三些查堂堡主堡皇 苎兰墨竖型里生塑里星墨堡堂塑里查! ! ! 坠 2 1 2 4 传输信道到物理信道的映射 传输信道上的数据经过编码、交织和复用以后，产生的数据流按照先后顺 序直接映射到物理信道上。具体的映射关系由图2 - 3 给出。图中示出了不同类型 的物理信道，并总结了所有传输信道和物理信道间的映射。每个物理信道都有 其特有的时隙结构。 传蜻信道 唧 r c h c p s c h b c l t 犍信道 专用物理献据佃难( d p d c h ) 专用物理控制信遒( d p c c l ；d 蜘理随机接入情道( p r c h ) 铆曩公装分组1 曹道( p c p c h ) 公共导 眦遒( c p i c h ) 主公共控制瓤l 信道( p - c c p c h ) = = = 一：i ：一 d s c h蜥理下行共事傅道( p d s c h ) 麓获括示信遒( i 莓入始接得 t 示信道( 卜a i c h ) 寻呼指示惜追( ? i c h ) c p c 涨辅示值递( c s i a l ) 碰撼检爰旷镰源丹耐i 示信道( c d c a - i c h ) 图2 - 3传输信道到物理信道的映射 2 1 2 5 扩频与调制 物理信道成帧后，需要进行扩频与调制，此处以d p d c h 和d p c c h 为例， 阐述扩频与调制的大致过程。 2 1 2 5 1 上行链路的扩频调制模型 每一次链路连接，都允许有一个d p c c b 和零个、一个或多个( 最多6 个) d p d c h 。在上行链路，对d p d c h 和d p c c h 的调制都分别进行二进制相移健控 ( b p s k ) 。调制后的d p c c h 被映射到q 通道，而调制后的第一路d p d c h 则被映射 到i 通道，剩下的d p d c h 则依次被映射到i 通道和q 通道。上行链路的扩频是 在数据调制之后、脉冲成型之前进行的。扩频包括两个过程，频谱扩展和数据 加扰。在频谱扩展中，每个数据比特被扩展成一定数量的切普，这个具体的数 量由扩频因子给出。加扰是指用复数值的扰码去和频谱扩展后的信号相乘。图 2 - 4 所示的就是上行链路的扩频调制模型，在这个模型中，用户有一个d p c c h 和 d p d c h 。 堕! ! 三些查兰堡圭堡苎 苎! 童兰竺望坐塑墨星墨笪望塑里查塞堡尘 信道化码 信道化码 扰码c o s 魄t 图2 - 4上行链路的扩频调制模型 i 路和q 路的双级性信号分别被各自不同的信道化码相乘进行频谱扩展， 信道化码采用的是正交可变扩频因子编码( o v s f ) ：随后两路信号被个复数扰 码相乘，此扰码是区别不同移动台的唯一标识；加扰后的两路信号又分别进行 脉冲成型，脉冲成型使用的是滚降系数为0 2 2 的升余弦平方根滤波器；最后两 路信号在末端进行i 、q 路合成。 这种在扩频中使用复数扰码加扰的调制方法被称作混合相移健控( h p s k ) 。 通过使用特殊方法产生复数扰码，h p s k 可以降低移动台的最大峰值功率与平均 功率的比值( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。在控制信道里，扩频因子总是被 设置成最高的2 5 6 ，这样做的目的是通过最高的扩频增益提高控制信道的抗噪声 性能。 2 1 2 5 2 下行链路的扩频调制模型 下行链路的调制使用的是正交相移健控( q p s k ) ，串行的比特流经过并审转换 变成两路分别映射到i 路和q 路。i 、q 两路的信号被相同的信道化码进行扩 频，扩频后的信号经过扰码加扰，这个扰码是用来区分不同小区的唯一标识。 下行链路的扩频调制模型可由图2 5 示出，此处用户只有一条d p d c h 和 d p c c h ，其他的d p d c h 由另外的信道化码进行扩频： 扰码 c o s ( w o t ) 图2 - 5 下行链路的扩频调制模型 由图中我们可以看到，下行链路合上行链路的有一些不同之处：在下行链 路中，数据调制方式是q p s k ，而上行链路是两路b p s k ；下行链路中i 、q 两路的 饕 j 甚 堕韭三些查堂堡主堡苎一塑三兰型婴盐竺璺塑夔堡堕望璺旦查! ! 堕坐 数据速率必须相同，而上行链路中i 、q 两路的数据速率可以不同：扰码在下行 链路用来区分不同小区，而上行链路用来区分不同移动台。下行链路的脉冲成 型与上彳亍链路一样，都使用的是滚降系数为o 2 2 的井余弦平方根滤波器，并且 最后两路信号在末端进行i 、q 路合成。 2 1 2 5 3 上行链路的扩频码 w c d m a 中的扩频码的将不同数据速率的数据扩展到3 8 4 m c p s 的切普速 率，它的主要作用是保持不周信道之间的正交性。如前面所提及的，正交可变 扩频因子编码( 0 v s f ) 被用在上行及下行链路的扩频当中。正交可变扩频因子编 码的码树结构可由图2 - 6 示出，给出的下标代表的是扩频因子，扩号内则是具体 的码字 c 。( 4 ) = ( 1 ，一i ，一1 ，1 ) 一。 图2 - 6 正交可变扩频因子编码( o v s v ) 韵码树结构 码树的每层都定义了不同的码字长度，对应不同的扩频因子。除在同一 层的码字相互之间是正交的，不同层之间的码字只要它们没有继承关系也是正 交的。因为有继承关系的码字不能保持正交性，因此，同一个移动台不能使用 码树中的所有码字，个码字要被一个移动台使用也只有在它通向根节点的路 径上的码字或它的子码中没有被这个移动台用过才行。码树牛的每一级的第一 个码字是用来对d p c c h 进行扩频的，这个码字是一个全l 系列。第一个d p d c h 是由 码号为( s f 4 + i ) 的码字进行扩频，例如，在码长为1 6 的码组中，码号为5 的码字 被用来给第一个d p d c h 进行扩频，所以，第一个d p d c h 总是由 1 ，1 ，1 ，一1 ) 重 复的码字来进行扩频，其余的d p d c h 则按顺序由码号为2 的码字开始进于亍扩频。 按这种方式选择的扩频码配合特定的扰码序列可以有效的提高频谱效率和功放 的效率。 由于正交可变编码没有一个好的自相关性能，因此码同步就非常困难，同 时，正交可变编码完美的正交性对一部分码组之间无效，这使得当多个用户对 ，o 亘! ! 三些查兰堡主堡苎 苎! 兰! 曼里坠塑堡星墨焦堂塑塑查塞苎坌 一个基准时间无法同步或严重的多径效应出现时，正交可变编码的优点将完全 消失。 2 1 2 5 4 上行链路的扰码 上行链路的扰码用于标识不同的移动台，在上行链路中，长扰码和短扰码 都可以用来进行加扰。短扰码适合用在配备多用户检测或抗干扰的先进接收机 的基站当中。上行方向共有2 2 4 个长扰码和2 2 4 个短扰码，上行扰码由商层分配。 ( 1 1 长扰码序列 长扰码c i 。& i 。和c l 。& 2 ，。是由两个二进制m 序列的3 8 4 0 0 个码片分段模2 相加 生成的，二进s u m 序列由一个2 5 阶的生成多项式生成。两个m 序列分别用x 和y 来表示，其中x 序列由生成多相式x 2 5 + x 3 + l 产生，y 序列由生成多项式 x 2 5 + x 3 + x 2 + x + 1 产生，两序列共同组成g o l d 序列。序列c l o 。2 , n 是由序列 c 1 0 n 1 ，l i 移位1 6 7 7 7 2 3 2 个码片后截取3 8 4 0 0 个码片产生的。图2 ，7 示出了上行长扰 码的产生器结构。 翻2 7上行长扰码序列产生器的结构 最后复数值长扰码序列c l o 。；。由下式给出 c 恤，( f ) = c 慨 。( f ) ( 1 + ，( 一1 ) 2 。( 2 l i 2b ) ”2 - 1 这里的i = o ，l ，2 2 5 2 ，u 是向下取整的符号。 ( 2 ) 短扰码序列 短扰码序列c s h 。咄l ，。( i ) 和c 。h o 玛2 , n ( i ) 是用周期性的s ( 2 ) 扩展码定义的。 令n z 。n 2 2 ”1 1 0 代表第n 个码的2 4 位比特，第n 个四进制s ( 2 ) 序列 z n ( i ) ( 0 n 1 6 7 7 7 2 1 5 ) 是由3 个序列模4 相加得到的，这3 个序列包括一个 四进制序列a ( i ) 和二个二进制序列b ( i ) 和d ( i ) ，长度为2 5 5 的z n ( i ) 序列由 下式产生 z 。( f ) = d ( f ) + 2 b ( i ) + 2 d ( i ) r o o d 4 ，i = 0 ，1 ，2 5 4 ； 2 - 2 初始载入的3 个序列号由码号n 通过下式决定： 堕j ! 三些查堂堡主堕苎蔓三童立里望竺坐堡堕塑堑莹墅塑翌查壅箜尘 h = ，+ 2 3 幸s + 2 6 + r 2 3 r = 0 , 1 一2 5 4 j = 0 ，l ，2 5 4 t = o ，l ，2 5 4 其中r 、s 、t 分别为a ( i ) 、b ( i ) 、d ( i ) 的码号。s 和t 的值被转换成8 比特的序列作为b ( i ) 、d ( i ) 的初始状态，r 的值则经过一种变换变成8 比特 序列存放于寄存器中，这融变换可由下两式给出 a r ( o ) = ( 2 v r ( o ) + 1 ) 。o d 4 ”2 - 4 o r ( 珂) = 2 v r ( 彬) 。o d 。 胛= 1 , 2 ，7 2 - 5 图2 8 示出了寄存器中产生r 、s 、t 的初始值的过程： 1 卜一“叫 i 一t _ + _ 一s - + 一。叫 h l ( 7 ) t 。c ，( o 川h l ( 7 ) t 。b ，( o ) _ 叫忑i 忑i j 上 i 。 b ( 7 ) t 。a 。( 矿h 图2 - 8 寄存器中产生r 、s 、t 的初始值的过程 四进制序列a ( i ) 由生成多相式g 。( x ) = x 8 十x 5 + 3 x 3 + x 2 + x + 1 产生，二进制序列 b ( i ) 由生成多相式g ( x ) = x 8 + x 7 + x 5 + x + l 产生，二进制序列d ( i ) 由生成多相式 g ：( x ) = x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + 1 产生；序列z n ( i ) 与实值二进制序列c 。h o r t l n ( i ) 和 c 。h 0 2 。( i ) 之间的对应关系如表2 - l ： z n ( i ) c “。( i )c m n 。( i ) 0+ 1+ 1 11+ 1 2l- 1 3+ i- 1 西北工业大学硕士论文第2 章w c d m a 物理层及信道编码方案简介 最后，复值短扰码序列c s h o n 。( i ) 由下式给出： c s h o r t , n ( f ) = c s h o n , l , n ( f m o d 2 5 6 ) ( 1 + j ( 一1 ) 。c n 。2 。( 2 l ( i m o d 2 5 6 ) 2 i ) ) 2 - 6 这里的i = o ，1 ，2 2 5 2 ，u 是向下取整的符号。 图2 - 9 所示为2 5 5 码片序列短码发生器的结构图。 o 埘“h q 嘶n 图2 - 9 上行短扰码序列产生器的结构 2 1 2 5 5 下行链路的扰码 下行链路共有2 6 2 1 4 3 个扰码可以产生，常用的为编号0 ，1 ，8 1 9 1 中的码字，可分为5 1 2 个码组，各包含1 个主扰码和1 5 个辅助扰码。下行扰码 序列生成方式类似于上行扰码，只不过扰码长度和生成多相式不同。图2 - 1 0 示 出了下行链路扰码发生器的结构 图2 1 0 下行链路扰码产生器结构 2 2w c d m a 信道编码与复用 2 2 1 信道编码与复用的总体结构 为了在无线链路上提供可靠的数据传输服务，物理层将对高层数据流( 传输 块，传输块集) 进行信道编码。信道编码方案由差错检测、差错校正、速率匹配、 交织以及传输信道和物理信道的之间的映射组成，但是信道编码方案已不仅仅 是纠错码的选择、编译码算法和交织算法的问题，它还涉及与高层消息的通信， 从高层获得业务质量指示、业务复用方式等信息，以实现不同业务的不同编码 和复用方案，从而以最高的效率提供多种业务的组合和适应多种速率的传输。 到达编码复用单元的数据以传输块集的形式传递，每个传输时间间隔( t t i ) 内传递一次，t t i 长度可以取1 0 m s 、2 0 m s 、3 0 m s 、4 0 m s 或s o r e s 。 下行链路的编码复用过程分为以下几步： ( 1 ) 给每个传输块加c r c ； ( 2 ) 传输块级联； ( 3 ) 信道编码； ( 4 ) 速率匹配； ( 5 ) 插入非连续传输( d t x ) 指示比特： ( 6 ) 交织； ( 7 ) 无线帧分割： ( 8 ) 传输信道复用； ( 9 ) 物理信道分割； ( 1 0 ) 物理信道映射。 上行链路和下行链路的编码复用步骤与下行链路类似，只是速率匹配要在 无线帧分割后进行，且不需要插入d t x 指示。 从传输信道复用单元输出的单个数据流( 在下行链路上包括d t x 指示比特) 称为编码组合传输信道( c c t r c h ) 。一个c c t r c h 可以映射到一个或多个物理信 道。 图2 一1 1 所示为上行传输信道的复用结构，下行结构类似。 堕! ! 三些盔堂堡主垒兰 苎! 童坚唑塑墨星墨笪塑塑璺查塞堡坐 。n 。上 i l c r ca t t d c h i l 培n t ； 上 l t l b kc o r b a t e n a t i o n ? i ( b d cb l o c k s e - g m e n t a t k - , n l f 。一j i c h a n n e l d i n g i 。 i r a d i of 抽t ke q a l i d i o n l f- li l i f i 。i n t e f l e a v i l l b i l 以，山 l r a d i of r a r n es e g 此n t a t i o n ； ，上l | r a t e ： r 踵0m a t c h i n g i m a t c h i n g l j 【；j j ：矗 l l t i c h m u l t i p l e x i n g “。lr l f f l - h | p h v $ k a lc h a l l r k l g m e n b f i 1 t i p 2 , ，f f ，上上 2 刚e a v i n g n i 、1 ，：k ，1 上 r 姆一。，c h n m 一，n 刚“雌n 图2 一l l 上行传输信道的复用结构 2 2 2 信道编码方案 在w c d m a 的编码与复用结构中，最核心的部分就是信道编码模块。当码 块被送到信道编码模块时，编码模块可以根据以下信道编码方案进行信道编 码： 卷积编码 一t u r b o 编码 不编码 西北工业大学硕士论文 第2 章w c d m a 物理层及信道编码方案简介 下表给出了不同类型的传输信道使用的编码方案和编码速率。 表2 - 2信道编码方案的使用和编码速率 传输信道类型 编码方案编码速率 广播信道( b c h ) 寻呼信道( p c h ) 1 2 卷积编码 随机接入信道( r a c h ) 1 3 ，1 2 公共物理信道 t u r b o 编码1 3 ( c p c h ，i e h ，d s c h ，f a c h ) 不编码 2 2 2 1 卷积编码 卷积编码主要用于b e r 为1 0 - 3 级别的业务，典型的有传统的话音业务。协 议中规定使用l 2 速率和l 3 速率的卷积编码，译码使用基于最大似然译码法则 的维特比译码。卷积编码器的结构由图2 1 2 、2 1 3 给出。 当速率为1 2 时，卷积编码的输出序列是o u t p u t0 ，o u t p u tl ，o u t p u t0 ， o u t p u tl ，o u t p u t0 ，o u t p u t1 ；当速率为i 3 时，卷积编码的输出序列是 o u t p u t 0 ，o u t p u t l ，o u t p u t 2 ，o u t p u t o ，o u t p u t l ，o u t p u t2 ，o u t p u t 0 ，o u t p u t 2 。编码前要在码块的末端加上8 个全o 的尾比特，且编码器移位寄 存器的初始值为全0 。 盯 11 1 望i r l 望厂1 坚广1 望广 呵主 一、y 1 图2 1 2 1 2 速率卷积编码器 眦t m t 0 g o = s s l ( o c t a l ) m t m t l 牛玛3 ( o c t 1 ) 旦旷 阿鼍 t 鲥 1 叫垒州q 旷 殇土 一土 _ _ 毫。】 【。j ： 图2 - 1 3l 3 速率卷积编码器 m t m t 0 g 1 ：5 5 1 ( o c t t i ) 叽t l p u t l 坶3 ( o e t 1 ) t 州t t 2 牛n i ( o c t a l ) 西北工业大学硕士论文 第2 章w c d m a 物理层及信道编码方案简介 2 2 。2 2t u r b o 编码 t u r b o 码是1 9 9 3 年在i c c 国际会议上由c b e r r o u 等人提出的，其在低信噪 比下所表现出的接近s h a n n o n 极限性能，使它在深空通信、移动通信等系统中 有广阔的应用背景。在第三代移动通信系统中，t u r b o 码在各种标准中被普遍作 为高速数据业务( b e r 要求为1 0 1 以上) 的信道编码方式。t u r b o 编码器是一种并 行级联卷级码( p c c c ) 编码器，它由两个8 状态子编码器和一个t u r b o 码内交织 器组成，其编码速率为1 3 。典型的t u r b o 码编码器结构如图2 - 1 4 所示： 图2 1 41 3 逮翠黔t u r b o 编码器结构 t u r b o 译码器中分量码译码器的实现算法通常有s o v a 算法、m a x l o g - m a p 算法和l o g - 姒p 算法，其中s o v a 算法复杂度最低，性能最差：l o g - j i l a p 算法性能 最佳，复杂度最大；硬件实现中广泛采用复杂度和性能适中的m a x l c g - m a p 算 法。 t u r b o 码的优点是性能非常好，接近香农极限，译码复杂度不太高等。缺点是 计算量较大，有可能引入较大的时延，另外性能分析主要是建立在仿真的基础上。 目前缺乏完整的理论体系。 2 3 本章小结 本章冉容简要介绍w 凇的物理层的几个主要过程，包括传输信道和物理 信道类型、扩频调制的基本过程和信道编码复用方案。通过这一章，读者可以 大致了解耽蹦a 物理层的总体功能和结构，并能了解w c d m a 对信道编码的要求 和方案，对随后章节的阅读也有一定的帮助。 耍! ! 三些查兰堡主堡壅 苎! 兰堂塑塑塑墨茎丝壁些! 至曼 第三章卷积编码及其维特比译码 3 1 卷积编码的基本概念 数字移动通信中，由于传输特性不理想及各种干扰和噪声影响，将产生传 输差错。信道编码可显著地改善数字信息在传输过程中由于各种噪声和干扰而 造成的误码，提高系统的可靠性。 信道编码，对一个具有确定长度的数字信号序列m ，人为地按一定规则加进 非信息数字序列，以构成一个码字c ( 信道编码) ，然后经调制器变换为适合信道 传输的信号。经信道传输后，在接收端经解调器判决解出的数字序列称为接收 序列r 。再经信道译码器译码后输出信息序列m ，而信源译码器则将码元变换成 用户需要的信息形式s 。这一数字信号传输过程如图3 1 所示，其中信源可以是 话音、数据或图像信号s 。 图3 - 1数字信道的传输过程 二进制数字信号在传输中发生的错误，主要有两种类型：随机错误和突发 错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它 前后码元错误与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后 码元的错误概率。或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错 误。在实际信道中，上述两种错误形式往往兼而有之。移动通信的传输信道属 于变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。 能发现错误的编码叫检错码；能纠正错误的编码叫纠错码。一般说来，纠 错码一定能检错。反过来，检错码不一定能纠错。或者说，同一个码，检错能 力比纠错能力强。 在数字通信中，对整个通信系统进行差错控制的方式主要有三种：前向纠 错( f e c ) 、反馈重传( a r q ) 和混合纠错( h e c ) 。 前向纠错也称自动纠错。发端发送具有纠错性能的码，如果在传输中产生 的错误是介于该纠错码能纠正的类型，则收端译码器不仅能检错，而且能自动 纠错。 西北工业大学硕士论文 第3 章卷积编码及其维特比译码 反馈重传又称自动请求重发。经收端译码后，如发现传输有错误，则通知 发端重发接收端认为错误的消息，直到接收端认可为止，从而达到纠错的目 的。 混合纠错是上述两种方式的混合。接收端对少量的接收差错自动纠正，而 超出纠正能力的差错则通过反馈重传的方法加以纠正。 在移动通信系统中，几乎都采用前向纠错差错控制方式。按对信源序列处 理方式的不同，可分为分组码与卷积码两大类。 分组码把信息序列以k 个码元分组，通过编码器将每组的k 个信息元按一 定规律产生r 个多余码元( 称为校验或监督元) ，输出长为n = k + r 的一个码字 ( 码组) 。每一码组的r 个校验元仅与本组的信息元有关而与别组无关。分组码 用( n ，k ) 表示，k 表示信息位数目，r = k n 称为分组码的编码效率，也称编码 率或码率。 卷积码将信息序列以k 。个码元分段，通过编码器输出长为n 。的一段码段。 但是该码的n 0 _ k 。个校验元不仅与本段的信息元有关，而且也与其前m 段的信息 元有关。故卷积码用( n o ，k 。，m ) 表示，m 为编码存储器级数，称( m + 1 ) * 1 1 。为卷积 码编码约束长度，p v = k o n 0 为编码效率或码速率。 在编码器复杂度相同的情况下，卷积码纠错性能优于分组码，并且在m 1 0 ”个码序列( 或篱笆图上的路径) ；若m = 5 ，则( l + m ) = 5 5 。如果在一秒钟 内送出这k 0 l = 1 0 0 个信息元，则信息传输率只有l o o b i t s ，这是很低的。但即使 是在如此低的信息速率下，也要求译码器在一秒内计算、比较1 0 ”个似然函数 ( 或汉明距离，软距离) ，这根本无法实现。 v b 算法则是为解决此困难所引入的最大似然译码算法。他并不是在篱笆图 上次比较所有可能的2 札条路径，而是接收一段，计算、比较一段，选择一段 最可能的码段( 分支) ，从而达到接个码序列是一个有最大似然函数的序列。其 步骤简述如下： 西北工业大学硕士论文 第3 章卷积编码及其维特比译码 ( 1 ) 从某一时间单位j = m 开始，对进入每一状态的所有长为j 段分支的部 分路径，计算部分路径度量。对每一状态，挑选并存储一条有最大度量的部分 路径及其部分度量值，称此部分路径为留选( 幸存) 路径。 ( 2 ) j 增加1 ，把此时刻进入每一状态的所有分支度量和同这些分支相连的 前一时刻的留选路径的度量相加，得到了此时刻进入每一状态的留选路径，加 以存储并删去其他