LTE標(biāo)準(zhǔn)下Turbo碼編譯碼器的集成設(shè)計(jì)

　　為節(jié)省硬件資源，本文設(shè)計(jì)的Turbo碼譯碼器采用子譯碼器單核復(fù)用的結(jié)構(gòu)模式。當(dāng)子譯碼器模塊作為子譯碼器1時(shí)，信息比特順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器后順序讀出到子譯碼器中，L_a2以交織地址寫(xiě)入存儲(chǔ)器，順序地址讀出作為子譯碼器1的先驗(yàn)信息，同時(shí)校驗(yàn)位選擇yp1，子譯碼器1根據(jù)3個(gè)輸入進(jìn)行SISO(軟輸入軟輸出)譯碼運(yùn)算，得到新的L_a2及L_e；此后子譯碼器作為子譯碼器2，以交織地址將ys從存儲(chǔ)器中讀出，L_a2以順序地址寫(xiě)入存儲(chǔ)器，交織地址讀出作為子譯碼器2的先驗(yàn)信息，同時(shí)校驗(yàn)位選擇yp2，子譯碼器2根據(jù)3個(gè)輸入進(jìn)行SISO(軟輸入軟輸出)譯碼運(yùn)算，得到新的L_a2及L_e，完成一次迭代。在滿足迭代停止準(zhǔn)則以后，將L_e解交織后進(jìn)行硬判決，得到譯碼序列。

　　設(shè)計(jì)中，子譯碼器采用復(fù)雜度與性能折中的Max-Log-MAP譯碼算法。根據(jù)輸入的信息位、校驗(yàn)位及先驗(yàn)概率信息，在時(shí)序控制模塊的管理下，分別進(jìn)行分支轉(zhuǎn)移度量、前向狀態(tài)度量、后向狀態(tài)度量和對(duì)數(shù)似然比的計(jì)算及存儲(chǔ)，以備下次譯碼運(yùn)算調(diào)用。

　　依據(jù)初始化分支轉(zhuǎn)移度量值，由(13，15)RSC的籬笆圖，找出當(dāng)前時(shí)刻前向狀態(tài)度量與前一時(shí)刻前向狀態(tài)度量的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的前向狀態(tài)度量。依次遞推，為防止數(shù)據(jù)溢出范圍，每次迭代對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，得到實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。后向狀態(tài)度量與前向狀態(tài)度量具有相似的運(yùn)算結(jié)構(gòu)，只是逆向遞推而已。

　　由對(duì)數(shù)似然比的定義，將得到的分支轉(zhuǎn)移度量、前向狀態(tài)度量和后向狀態(tài)度量代入運(yùn)算公式[8]，對(duì)3種輸入?yún)⒘窟M(jìn)行組合運(yùn)算，然后取出“1”路徑8種狀態(tài)中的最小值和“0”路徑8種狀態(tài)的最小值，做差即得到Max-Log-MAP算法中的對(duì)數(shù)似然比。迭代數(shù)次后進(jìn)行輔助硬判決，解交織輸出即為傳回信宿的譯碼序列。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果分析

　　在Quartus Ⅱ開(kāi)發(fā)工具上，以Stratix III 系列的EP3-SL150F1152C2為配置平臺(tái)，用Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)上述各功能模塊進(jìn)行編程建模，調(diào)試統(tǒng)一后編譯綜合，得到編譯碼器主要硬件資源占用情況如表1所示。

　　建立波形文件，分別對(duì)Turbo碼進(jìn)行時(shí)序仿真，得到信息幀長(zhǎng)分別配置為128、512時(shí)，Turbo碼編碼器的仿真波形如圖6(a)、圖6(b)所示。''

　　圖6中，每幀碼字序列的結(jié)尾，都有12個(gè)系統(tǒng)尾比特，以使編碼器寄存器回歸全零狀態(tài)。經(jīng)多次驗(yàn)證，與Matlab仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果正確。

　　將編碼碼字量化后存儲(chǔ)于ROM中，提供給譯碼器進(jìn)行時(shí)序仿真，得到信息幀長(zhǎng)分別配置為128、512(碼字序列長(zhǎng)度分別為396、1 548)時(shí)，Turbo碼譯碼器的仿真波形如圖7(a)、圖7(b)所示。

　　圖7中，譯碼器首先根據(jù)幀長(zhǎng)設(shè)置初始化交織圖樣，然后對(duì)系統(tǒng)碼字解復(fù)接，得到信息序列（ys）、校驗(yàn)位1（yp1）及校驗(yàn)位2（yp2），與外信息（L_all）一起輸入子譯碼器進(jìn)行SISO譯碼運(yùn)算，迭代6次以后判決得到譯碼結(jié)果（decoderout）。

　　設(shè)置不同的信息幀長(zhǎng)，經(jīng)多次仿真驗(yàn)證，均能正確實(shí)現(xiàn)編譯碼功能。將程序下載配置到EP3SL150F1152C2中，利用VC軟件編寫(xiě)測(cè)試窗口，進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)可以利用外圍鍵盤(pán)電路自行輸入幀長(zhǎng)，進(jìn)行交織運(yùn)算，得到交織圖樣，并能正確實(shí)現(xiàn)Turbo編譯碼功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　本設(shè)計(jì)以LTE為應(yīng)用背景，實(shí)現(xiàn)了一種可根據(jù)信道環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)配置幀長(zhǎng)的Turbo編譯碼的硬件方案。將QPP交織算法集成于FPGA內(nèi)部，充分利用其時(shí)鐘頻率高、速度快的優(yōu)勢(shì)，減小了外圍接口電路消耗。在系統(tǒng)初始化時(shí)進(jìn)行交織運(yùn)算，先于Turbo編譯碼進(jìn)程開(kāi)始，兩者分時(shí)工作，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不會(huì)帶來(lái)額外的時(shí)延。所實(shí)現(xiàn)的Turbo碼編譯碼器是一種比較理想的通用型方案，為LTE標(biāo)準(zhǔn)下Turbo編解碼專(zhuān)用集成芯片的開(kāi)發(fā)與推廣提供了參考。