Ｔｕｒｂｏ碼高速譯碼器設計

摘 要：Turbo碼具有優良的糾錯性能，被認為是最接近香農限的糾錯碼之一，并被多個通信行業標準所采用。Turbo碼譯碼算法相比于編碼算法要復雜得多，同時其采用迭代譯碼方式，以上2個原因使得Turbo碼譯碼器硬件實現復雜，而且譯碼速度非常有限。從Turbo碼高速譯碼器硬件實現出發，介紹Turbo碼迭代譯碼的硬件快速實現算法以及流水線譯碼方式，并介紹利用Altera的Flex10k10E芯片實現該高速譯碼器硬件架構。測試和仿真結果表明，該高速譯碼器具有較高的譯碼速度和良好的譯碼性能。

關鍵詞：Turbo碼；高速譯碼器；LogMAP；流水線

中圖分類號：TN47 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1817103

Design of the High Speed Turbo Decoder

WANG Kun，ZHANG Qingchun，FENG Jiajian，XU Wenhui

(Navy University of Engineering，Wuhan，430033，China)

Abstract：Turbo code is considared as one of errorcorrecting codes which has performance to the Shannon Bound，and is adopted by many communication standards.Turbo decoding algorithm is much more complex compared to coding algorithm，with an iterative decoding method.For these reasons，Turbo decoder is implemented complexly only with low speed usually.In this paper，the speed implementation algorithm and the pipeline decoding concept are introduced，and a hardware architecture of a speed decoder used with Flex10k10E is presented.The tested and simulated results show the high speed and the good performance of the decoder.

Keywords：Turbo code;high speed decoder;LogMAP;pipeline

Turbo碼自20世紀90年代被重新發現以來，就一直是通信領域的研究熱點，是當前理論性能最接近香農限的2種糾錯碼之一^［1］。目前，Turbo碼已被多個國際標準所采納，廣泛應用于衛星通信、數字廣播電視(DVB)、無線接入以及新一代移動通信等多個領域^［1］。空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)開發的信道編碼標準中最先采用了Turbo碼，其成員編碼器由(4，1，5)卷積碼構造；國際電信聯盟(ITU)發起的第3代移動通信系統標準(分為3GPP和3GPP2)則采用了由(3，1，4)卷積碼構造的Turbo碼；歐洲電信標準協會(ETSI)在其ADSL和電纜調制解調器中也采用了Turbo碼標準；無線城域網標準IEEE 802.16則采用了以漢明碼為基礎構造的Turbo乘積碼。綜上所述，Turbo碼的應用日趨廣泛，研究Turbo碼的實現具有非常重要的意義。

Turbo碼編碼器使用一個遞歸系統卷積編碼和一個經交織處理的遞歸系統卷積編碼器作為成員編碼器級聯構成，通常為了減少復雜性2個卷積編碼器結構是完全相同的。Turbo碼的譯碼則較復雜，通常是利用2個成員譯碼器進行迭代譯碼。成員譯碼器采用最大似然軟判決算法，運算量較大，實現復雜，加上兩個成員譯碼器需反復迭代譯碼，從而使得Turbo碼譯碼器的譯碼速度往往不高，無法滿足高速通信系統的需要。

本文首先介紹Turbo碼高速譯碼器硬件實現相關算法，接著介紹基于FPGA實現的高速譯碼器架構以及流水線譯碼實現方式，最后對FPGA實現的譯碼器的性能進行仿真驗證和分析。

1 Turbo碼高速譯碼器算法

1.1 雅克比展開式

要高速譯碼必須減少譯碼運算量，因此譯碼采用LogMAP算法。而為了進一步降低運算量，有必要引入雅克比展開式^［2］:

MAX *(x，y)=ln(ex+ey)

=MAX(x，y)+f(|x-y|)(1)

其中MAX(x，y)表示求最大值運算；f(x)是修正因子，f(x)=ln(1+e-|x|)，其實現可以采用查找表或者簡單的邏輯運算實現。采用雅克比展開式可以將復雜的和求對數運算轉化為簡單的求最大值運算和修正值查找過程。本文考慮到性能和運算速度的折中，修正因子采用6元素的查找表近似實現。修正因子的具體值如式(2)所示： f(x)=0.625 |x|≤0.25

0.50.25<|x|≤0.625

0.3750.625<|x|≤1.0

0.251.0<|x|≤1.625

0.1251.625<|x|≤2.75

0.02.75<|x|(2)1.2 分支量度計算

分支度量的計算與接收信號，外部信息有關，在高斯信道條件下，分支量度對數域計算式為:γik，s=(I1kti1s+I2kti2s)+Leinkti1s/2(3)其中，γik，s表示k時刻s狀態輸入為i(i=0，1)時的分支度量;I1k，I2k分別表示k時刻接收到的信息比特和校驗比特;ti1s，ti2s分別表示編碼器輸入為i時輸出的信息比特和校驗比特，其值為±1，簡化了式(3)中乘法的實現;Leink為k時刻輸入的外部信息。

1.3 狀態量度計算

前向狀態量度的計算采用前向遞推的方式在對數域基于雅克比展開式其表達式為:αsk=MAX*(αs0k-1+γ0k-1，s0，αs1k-1+γ1k-1，s1)(4)

αsk為k時刻s狀態的前向狀態量度;s0，s1表示輸入分別為0，1時狀態s對應的前一時刻狀態;αs0k-1，αs1k-1分別表示k時刻s0，s1狀態對應的前向狀態量度。

后向狀態量度的計算則需要采用后向遞推計算，在分支量度已計算的前提下:βsk-1=MAX*(βs0k+γ0k，s0，βs1k+γ1k，s1)(5)其中，βsk-1表示k-1時刻s狀態的后向狀態量度;βs0k，βs1k表示k時刻s0，s1狀態的歸一化的后向狀態量度值。

1.4 對數似然比及外部信息計算

對數似然比是最終譯碼判決依據，計算式為:

L(uk)=logPr(uk=1)Pr(uk=0)

=MAX*s∈S，i=1(k，s+k-1，s+γ1k，s)-

MAX*s∈S，i=0(k，s+k-1，s+γ0k，s)(6)

外部信息用作下一步譯碼的外部輸入先驗信息，它的計算可以參照式（7）:Lek=L(uk)-(t11-t01)(Leink/2+I1k)(7)

式(7)中外部信息計算是以式(6)對數似然比的計算為前提的，而式(6)的計算需要依賴分支量度、前向狀態量度和后向狀態量度的計算。

2 硬件實現

2.1 流水線譯碼

為了提高譯碼的運算速度，減少系統時延，也為了減少存儲硬件消耗，本文LogMAP運算過程采用流水線方式實現。將整個Turbo碼塊均分為S個計算窗口。先算第一個窗口內數據的前向狀態量度α，以此同時以第二個窗口的末尾位置開始向前算后向狀態量度β；第一個窗口內所得到的所有的α都是精確的，存入RAM中，而經過一個窗口長度運算得到的β也可以認為是近似精確的，因此也要將最后的β存入寄存器中。以上所說計算統稱為進行第一次運算。進行第二次運算的時候，也是先算第二個窗口內數據的前向狀態量度α，與此同時以第三個窗口的末尾位置開始向前算后向狀態量度β；這里所得到的所有α和最后一個β分別將存入RAM和寄存器中。依此類推，各窗口對應信息都可求出。如圖1所示。

圖1 流水線譯碼實現示意圖2.2 硬件架構

基于FPGA運算速度快、可反復編程、實現功能強大、電路設計周期短等特點。本文采用Altera的Flex10k10FPGA芯片進行Turbo碼譯碼器的硬件實現。譯碼器的總體架構如圖2所示。

譯碼器數據的輸入/輸出采用以太網接口，以方便與PC機互連進行性能測試實驗；迭代譯碼過程通過片內功能模塊重復來實現，雖然耗費了更多的資源，但是提高了譯碼速度；另外，為了提高譯碼速度，交織和解交織采用查找地址表實現；考慮到譯碼過程各種狀態量的存儲需要較大空間，譯碼器采用了片外SRAM擴展存儲空間。

圖2 譯碼器硬件架構示意圖3 結 語

為了驗證該譯碼器的譯碼性能，本文利用PC機上的軟件Turbo編碼器和信道，結合該譯碼器硬件搭建一個性能驗證系統。譯碼器輸入信息字長為6 b，外信息字長為8 b，不同碼率對應性能如圖3所示。

圖3 譯碼器與浮點理論譯碼器性能比較結果表明該譯碼器性能相比于浮點理論譯碼器性能下降不超過0.5 dB。另外通過使用Modelsim對該譯碼器進行仿真測試，測試結果表明該譯碼器最高速率可達到8 Mb/s，最大譯碼延時小于10 ms。綜上所述，基于本文技術實現的Turbo碼高速譯碼器具有較高的譯碼速率和良好的譯碼性能，具有廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

［1］Christian B Schlegel，Lance C Perez.Trellis and Turbo Coding［M］.NJ USA:John Wiley Sons，Ltd，2003.

［2］Gross W J，Gulak P G.Simplified MAP Algorithm Suitable for Implementation of Turbo Decoders ［J］.IEEE Electronics Letters，1998，34(16):1 5771 578.

［3］Jun Tan，Gordon L Stüber.New SISO Decoding Algorithms［J］.IEEE Trans.Commun.，2003，51(6):845848.

［4］楊恒.FPGA/CPLD最新使用技術指南 ［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［5］閻石.數字電子技術基礎 ［M］.4版.北京:高等教育出版社，2002.

［6］夏宇聞.Verilog數字系統設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［7］褚振勇，翁木云.FPGA設計應用 ［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［8］周靈軍.純整數LOGMAP Turbo編譯碼器FPGA實現［D］.成都:西南交通大學，2007.

［9］郭世欣.深空通信中Turbo碼編譯碼技術的研究［D］.西安:西安電子科技大學，2007.

［10］潘華林.Turbo碼在WCDMA信道譯碼中的應用［D］.武漢:武漢理工大學，2005.

作者簡介 王 坤 1978，男，漢族，講師，碩士。主要從事衛星通信技術、無線移動通信、

無線網絡技術方面的研究。

張青春 碩士、講師。

馮加建 碩士。

胥文輝 碩士。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文