基于可編程狀態(tài)機(jī)的Turbo譯碼器設(shè)計(jì)

1993年Berrou C. 等學(xué)者提出的Turbo碼將卷積編碼和隨機(jī)交織結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想[1]，并且采用了軟輸入軟輸出（SISO）迭代譯碼的最大似然譯碼算法，從而使其譯碼性能接近于Shannon理論的極限。目前,Turbo碼的應(yīng)用已推廣到深空通信、衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信等領(lǐng)域，并被確定為第三代移動(dòng)通信的信道編碼方案之一。

在不同的應(yīng)用環(huán)境中，出于對(duì)譯碼性能和譯碼復(fù)雜度的考慮，通常選用不同的譯碼參數(shù)。其中直接影響到譯碼性能的關(guān)鍵參數(shù)有幀長(zhǎng)、交織表和迭代次數(shù)等。本文介紹的基于KCPSM的Turbo譯碼器在設(shè)計(jì)中引入嵌入式處理器單元，通過(guò)存儲(chǔ)于外部RAM中的程序控制譯碼過(guò)程，可根據(jù)不同的使用需求修改程序代碼以適用于各種不同的譯碼情況。

1 Turbo譯碼原理

Turbo碼的特點(diǎn)：編碼器中引入了交織器，減弱了信息序列的相關(guān)性，有效地實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)性編碼；在譯碼時(shí)采取了迭代譯碼的思想，使其性能可以接近香農(nóng)理論的極限。

Turbo碼的迭代反饋?zhàn)g碼結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。圖中，SISO Decoder 1和SISO Decoder 2是分別對(duì)應(yīng)于編碼產(chǎn)生的兩組分量碼的軟輸入軟輸出譯碼器。兩個(gè)SISO譯碼器通過(guò)反復(fù)的交錯(cuò)重復(fù)譯碼計(jì)算完成對(duì)輸入信息序列的譯碼。SISO Decoder 1的軟輸出信息交織后作為SISO Decoder 2譯碼的先驗(yàn)信息。如果迭代結(jié)束，SISO Decoder 2的譯碼結(jié)果硬判決輸出；否則，SISO Decoder 2的軟輸出信息反交織后作為SISO Decoder 1下一次迭代譯碼的先驗(yàn)信息。

在Turbo碼的譯碼算法中，MAP算法的性能最好，但計(jì)算量巨大，硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度高，譯碼時(shí)延大。所以在硬件設(shè)計(jì)中采用的是在對(duì)數(shù)域上簡(jiǎn)化的Log-MAP算法，這樣可以有效地降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。在Log-MAP譯碼算法中，需要先從數(shù)據(jù)序列末端向始端做反向狀態(tài)概率β的遞推計(jì)算，之后再?gòu)男蛄械氖级讼蚰┒碎_(kāi)始遞推計(jì)算前向狀態(tài)概率α并得到對(duì)數(shù)概率似然比。為了減少譯碼的等待延時(shí)，在譯碼時(shí)可將原先的一幀數(shù)據(jù)序列按特定的分組長(zhǎng)度分解為數(shù)段，分別計(jì)算每段的軟輸出。在每段序列的計(jì)算中，仍然是先反向遞推計(jì)算β值，再正向遞推計(jì)算α值。其中，α值遞推的初始值由上一段的計(jì)算結(jié)果給出。對(duì)于β值的遞推，則需由下一段序列提供部分軟信息。

圖2表述了分段譯碼的思想。采用分段譯碼時(shí)，用于存放中間結(jié)果的存儲(chǔ)器規(guī)模取決于分組長(zhǎng)度，不再與幀長(zhǎng)成正比。對(duì)于不同幀長(zhǎng)的譯碼只需改變交織表的大小，而譯碼單元不用改變。這樣的譯碼器可以更方便地用于各種碼長(zhǎng)的譯碼。

2 Turbo譯碼器的設(shè)計(jì)

基于KCPSM的Turbo譯碼器基本可分為兩個(gè)部分：TurboDec譯碼模塊和KCPSM主控模塊。

TurboDec譯碼模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由Trace譯碼單元、存儲(chǔ)單元和交織器組成。Trace譯碼單元的作用是根據(jù)Log-MAP算法，對(duì)分組后的每段序列做前向或反向的遞推計(jì)算。存儲(chǔ)單元包括ZRAM(用于存放在運(yùn)算過(guò)程中需要交換的外信息)、Input Buffer和Output Buffer(分別用于輸入輸出的緩存)。交織器的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)序列的交織和反交織，它主要是一塊存有交織表的RAM，而交織表內(nèi)存放有每位數(shù)據(jù)交織后對(duì)應(yīng)的地址。Trace譯碼單元通過(guò)查找該交織表得到的地址作為以交織順序讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的地址。這塊RAM中的交織表可在譯碼前由外部改寫(xiě)，以滿足不同的譯碼需求。

KCPSM主控模塊采用的是Xilinx公司提供的PicoBlaze嵌入式處理器設(shè)計(jì)方案[3]。該模塊中主要有兩部分：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)處理及對(duì)外信號(hào)輸入輸出的PicoBlaze處理器單元和用于儲(chǔ)存程序指令代碼的Block Memory。PicoBlaze設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，PicoBlaze處理器單元根據(jù)當(dāng)前的8位地址從Block Memory中讀取對(duì)應(yīng)的16位指令代碼，再根據(jù)此指令代碼完成運(yùn)算操作,同時(shí)產(chǎn)生下一步指令的地址。根據(jù)不同指令的要求，在IN_PORT端和OUT_PORT端分別讀入或輸出計(jì)算的數(shù)據(jù)，并在PORT_ID端指明對(duì)應(yīng)的I/O端口地址。READ_STROBE端和WRITE_STROBE端則在執(zhí)行讀寫(xiě)操作時(shí)輸出脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)通常用于控制外圍電路的讀寫(xiě)。

3 KCPSM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1KCPSM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

KCPSM是常變量可編程狀態(tài)機(jī)的簡(jiǎn)稱，其主要組成部分為嵌入式處理器單元，用于實(shí)現(xiàn)基于常量的狀態(tài)機(jī)主控單元。與傳統(tǒng)的基于時(shí)序電路的狀態(tài)機(jī)控制設(shè)計(jì)相比，使用KCPSM作為主控單元有以下特點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用資源少。以Xilinx公司推出的8位嵌入式微處理器IP核PicoBlaze為例，其邏輯模塊僅占用Spartan-IIE的76個(gè)slice，相當(dāng)于最小的XC2S50E器件可用資源的9％，或XC2S300E器件可用資源的2.5％。對(duì)于較大規(guī)模的設(shè)計(jì)幾乎可以忽略這樣的資源占用。雖然該IP核占用的硬件資源很少，但它的運(yùn)算性能可以達(dá)到40MIPS。因其占用資源少，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以同時(shí)使用多個(gè)KCPSM以完成復(fù)雜的控制功能。

(2)使用靈活，易于調(diào)試。對(duì)于KCPSM單元，控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及相關(guān)信號(hào)的處理都是以程序指令的形式存儲(chǔ)于Block RAM單元中，不涉及到IP核的邏輯模塊單元。使用時(shí)只需要根據(jù)不同的目的編寫(xiě)相應(yīng)的指令代碼就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。特別是在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)特定的非正常運(yùn)行狀態(tài)。

(3)指令周期相對(duì)較長(zhǎng)。KCPSM采用的是從Block RAM單元讀取指令的操作模式,每步操作的完成包括確定RAM地址和讀取指令兩步，需要花費(fèi)兩個(gè)時(shí)鐘周期。與由時(shí)序電路組成的狀態(tài)機(jī)相比，KCPSM的運(yùn)行效率較低，不適合用于對(duì)時(shí)鐘沿敏感情況下的控制需要。

由上面幾點(diǎn)可以看出，KCPSM作為可編程的控制單元，適合用于情況比較復(fù)雜但對(duì)時(shí)間要求不高的系統(tǒng)級(jí)控制，特別是有大量控制參數(shù)需要計(jì)算調(diào)整的情況。相對(duì)于由時(shí)序單元組成的控制電路，它在節(jié)省硬件開(kāi)銷的同時(shí)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性。

3.2Turbo譯碼的控制設(shè)計(jì)

根據(jù)Turbo碼的迭代譯碼原理，KCPSM控制系統(tǒng)的基本流程如圖5所示。從圖中可以看出，該控制系統(tǒng)根據(jù)Turbo譯碼器當(dāng)前的工作狀態(tài)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)并改變輸出參數(shù)。當(dāng)譯碼器沒(méi)有處于譯碼狀態(tài)時(shí)，KCPSM會(huì)周期性地檢測(cè)譯碼啟動(dòng)信號(hào)。該信號(hào)有效后，Turbo譯碼器進(jìn)入譯碼狀態(tài)，KCPSM向TurboDec譯碼模塊輸出第一次反向遞推譯碼計(jì)算的起始地址、譯碼段長(zhǎng)度等參數(shù)和控制信號(hào)，同時(shí)準(zhǔn)備下一次前向遞推的相關(guān)參數(shù)。譯碼器進(jìn)入譯碼狀態(tài)后，KCPSM改為檢測(cè)TurboDec譯碼模塊的譯碼完成信號(hào)。當(dāng)TurboDec完成遞推譯碼計(jì)算后，KCPSM根據(jù)迭代次數(shù)決定是否還需要進(jìn)行下一次的遞推計(jì)算。若迭代譯碼過(guò)程尚未結(jié)束，KCPSM會(huì)控制TurboDec譯碼模塊開(kāi)始新一次的遞推計(jì)算，并為下次的遞推計(jì)算相關(guān)參數(shù)。迭代譯碼結(jié)束后，KCPSM使TurboDec譯碼模塊輸出譯碼結(jié)果，并控制Turbo譯碼器退出譯碼狀態(tài)。

在整個(gè)譯碼過(guò)程中，KCPSM將Turbo譯碼器的狀態(tài)以編碼的形式存儲(chǔ)在內(nèi)部的寄存器中，并根據(jù)譯碼的要求和遞推計(jì)算的次數(shù)確定下次遞推譯碼的參數(shù)。TraceDec譯碼單元對(duì)前向狀態(tài)概率的計(jì)算與對(duì)反向狀態(tài)概率的計(jì)算是交替進(jìn)行的，在每次譯碼操作后都要改變下次譯碼遞推的方向。譯碼的起始地址和譯碼段的長(zhǎng)度由譯碼方向和已完成的譯碼長(zhǎng)度確定。對(duì)位于幀尾的最后一段序列，譯碼的起始地址和譯碼段的長(zhǎng)度需根據(jù)剩余的序列長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。由于只有一個(gè)TurboDec譯碼模塊作為SISO譯碼器，在結(jié)束一次MAP譯碼后，下一次的MAP譯碼需采用不同的校驗(yàn)序列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組校驗(yàn)信息的充分利用。

在Turbo譯碼過(guò)程中，KCPSM要將多個(gè)參數(shù)傳遞給TurboDec譯碼模塊，為此需要同時(shí)使用OUT_PORT和PORT_ID兩個(gè)輸出端口。將這些參數(shù)分別看作KCPSM的不同“虛擬端口”，為每個(gè)輸出參數(shù)設(shè)定一個(gè)特定的PORT_ID。KCPSM輸出數(shù)據(jù)后，TurboDec譯碼模塊根據(jù)PORT_ID的數(shù)值判斷當(dāng)前OUT_PORT端輸出的是什么參數(shù)。

4 性能分析

本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的Spartan-IIE系列作為目標(biāo)器件，采用Xilinx ISE作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。根據(jù)設(shè)計(jì)的綜合情況，在硬件資源方面，該Turbo碼譯碼器的邏輯模塊占用了829個(gè)slice，而存儲(chǔ)模塊則占用了56Kbit的BlockRAM，最高時(shí)鐘頻率約達(dá)到50MHz。根據(jù)RAM單元的使用情況，該譯碼器可完成對(duì)最大幀長(zhǎng)為3 084位的輸入序列的譯碼。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在使用相對(duì)較少硬件資源的情況下，基于KCPSM的Turbo譯碼器提供了很好的譯碼性能，同時(shí)因在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了靈活性的問(wèn)題，使其可以很方便地根據(jù)實(shí)際使用調(diào)整譯碼參數(shù)，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

本文介紹了基于KCPSM的Turbo譯碼器設(shè)計(jì)，并結(jié)合該設(shè)計(jì)說(shuō)明了基于嵌入式處理器單元的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)引用Xilinx公司提供的嵌入式處理器IP核，該設(shè)計(jì)在提供良好譯碼性能的同時(shí)，在使用上也具有很好的靈活性。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)譯碼電路的性能要求也將不斷提高。本文提出的設(shè)計(jì)方案也可作為實(shí)用ASIC芯片設(shè)計(jì)方案的參考?；谇度胧教幚砥鞯脑O(shè)計(jì)思想可使ASIC設(shè)計(jì)芯片具有很好的通用性。