移動(dòng)通信系統(tǒng)中交織編碼器的設(shè)計(jì)

軟件無線電是一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)，是無線通信產(chǎn)業(yè)從模擬到數(shù)字、從固定到移動(dòng)這兩次革命后的第三次革命，是從硬件無線通信到軟件無線通信的革命。

　　在從事使用軟件無線實(shí)現(xiàn)GSM基站研究中，在深入研究GSM通信系統(tǒng)信道編碼結(jié)構(gòu)、交織方式的基礎(chǔ)上，利用VHDL硬件描述語言完成GSM基站信道編碼中使用的交織器的具體設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步研究軟件無線技術(shù)在GSM基站系統(tǒng)中應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 GSM的話音編碼與信道編碼

　　在GSM通信系統(tǒng)中，全速率話音編碼算法為規(guī)則脈沖激勵(lì)及長期預(yù)測(cè)算法(RPE-LTP)。模擬話音首先通過一個(gè)ADC以8 kHz采樣頻率進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)用均勻13 b編碼。話音編碼器對(duì)每20 ms一段的話音進(jìn)行壓縮編碼，編碼結(jié)果為每20 ms產(chǎn)生260 b的數(shù)據(jù)塊。這260 b的數(shù)據(jù)根據(jù)他們的重要性分成為3類：Ia類、Ib類和Ⅱ類。Ia類共50 b，為非常重要的數(shù)據(jù)。如果這些數(shù)據(jù)被修改，恢復(fù)的話音將發(fā)生很大的錯(cuò)誤，甚至無法恢復(fù)正常的話音，因此這些數(shù)據(jù)需要嚴(yán)格保護(hù)。Ib類數(shù)據(jù)共132 b，是比較重要的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行較好的保護(hù)。Ⅱ類數(shù)據(jù)共78 b，為一般重要的數(shù)據(jù)，發(fā)生一些差錯(cuò)也不會(huì)對(duì)恢復(fù)的話音有太大的影響，通常不對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)數(shù)據(jù)重要性的不同，決定信道編碼中采用不同的保護(hù)方法。

　　GSM通信系統(tǒng)的信道編碼首先對(duì)Ia類數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)編碼，產(chǎn)生3個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)比特，這些比特的產(chǎn)生使用多項(xiàng)式為G(x)=X3⊕X⊕1。3個(gè)CRC比特附在Ia類的50 b后面，再與Ib類數(shù)據(jù)組合在一起進(jìn)行K=5，r=1／2的卷積編碼，卷積編碼器使用的2個(gè)多項(xiàng)式為P1(x)=X4⊕X3⊕1和P2(x)=X4⊕X3⊕X⊕1，卷積編碼產(chǎn)生的結(jié)果是兩個(gè)189 b的序列，將他們與不需要保護(hù)的Ⅱ類數(shù)據(jù)復(fù)合在一起，產(chǎn)生一個(gè)完整的經(jīng)過信道編碼的話音幀，共456 b。

2 交織編碼器工作原理

　　信道編碼中采用交織技術(shù)，可打亂碼字比特之間的相關(guān)性，將信道中傳輸過程中的成群突發(fā)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換為隨機(jī)錯(cuò)誤，從而提高整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。交織編碼根據(jù)交織方式的不同，可分為線性交織、卷積交織和偽隨機(jī)交織。其中線性交織編碼是一種比較常見的形式。所謂線性交織編碼器，是指把糾錯(cuò)編碼器輸出信號(hào)均勻分成m個(gè)碼組，每個(gè)碼組由n段數(shù)據(jù)構(gòu)成，這樣就構(gòu)成一個(gè)n×m的矩陣。這里把這個(gè)矩陣稱為交織矩陣。如圖1所示，數(shù)據(jù)以a11，a12，…，a1n，a21，a22，…，a2n，…，aij，…，am1，am2，…，amn(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)的順序進(jìn)入交織矩陣，交織處理后以a11，n21，…，am1，a12，a22，…，am2，…，a1n，a2n，…，amn的順序從交織矩陣中送出，這樣就完成對(duì)數(shù)據(jù)的交織編碼。還可以按照其他順序從交織矩陣中讀出數(shù)據(jù)，不管采用哪種方式，其最終目的都是把輸入數(shù)據(jù)的次序打亂。如果aij只包含1個(gè)數(shù)據(jù)比特，稱為按比特交織；如果aij包含多個(gè)數(shù)據(jù)比特，則稱為按字交織。接收端的交織譯碼同交織編碼過程相類似。

一般來說，如果有n個(gè)(m，k)碼，排成，n×m矩陣，按列交織后存儲(chǔ)或傳送，讀出或接收時(shí)恢復(fù)原來的排列，若(m，k)碼能糾t個(gè)錯(cuò)誤，那么交織后就可糾m個(gè)錯(cuò)誤。對(duì)糾正信道傳輸過程中出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤效果明顯。

　　GSM中使用這種比特交織器。其交織方式為將信道編碼后的每20 ms的數(shù)據(jù)塊m=456 b拆分到8組中，每組57 b，然后這每組57 b分配到不同的Burst中。

3 交織編碼器的軟件設(shè)計(jì)

　　GSM通信系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)性的要求，因此，交織編碼引入的延時(shí)應(yīng)盡可能小。為了同時(shí)滿足塊內(nèi)交織進(jìn)行(57，8)矩陣轉(zhuǎn)置變換和延時(shí)盡可能小的要求，該交織器利用2片雙口RAM實(shí)現(xiàn)，記作RAM_和RAM_B。交織處理時(shí)，按地址從0～455將456 b輸入數(shù)據(jù)全部寫入RAM_A，待456 b數(shù)據(jù)全部送入RAM_A后，控制信號(hào)使RAM_A由寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換到讀狀態(tài)，同時(shí)，將輸入的待交織數(shù)據(jù)寫入RAM_B，RAM_B為寫狀態(tài)，交織器由RAM_A輸出數(shù)據(jù)。經(jīng)過456個(gè)時(shí)鐘周期后，從RAM_A讀出456 b數(shù)據(jù)的同時(shí)，RAM_B寫入一個(gè)時(shí)隙的456 b數(shù)據(jù)。此時(shí)，改變RAM_A和RAM_B的讀寫狀態(tài)，RAM_A開始寫，從RAM_B中讀取數(shù)據(jù)。如此反復(fù)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)交織處理。

　　完成交織處理的核心問題是處理好讀／寫地址之間的關(guān)系，該交織器讀／寫地址的變換采用如下算法完成：

為減少FPGA運(yùn)算量，可利用Matlab，C語言等實(shí)現(xiàn)讀／寫地址矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算。這里采用Matlab完成讀／寫地址矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算，具體程序?yàn)椋簒=0：1：455；reshape(x，57，8)。讀／寫地址的變換結(jié)果存儲(chǔ)在address_ROM.mif文件中。利用VHDL語言描述該交織編碼器完整代碼如下：

4 仿真分析

　　利用Altera公司的QuartusⅡ工具軟件，對(duì)該交織器仿真分析，得到的時(shí)序仿真波形如圖2所示。從讀地址(rd_addr_A)和寫地址(wr_addr_A)以及(data_in)和(intlv_out)可以看出，該交織器完成既定的交織功能，延時(shí)相當(dāng)小，該設(shè)計(jì)方法正確可行。

5 結(jié)語

　　本文提出基于FPGA實(shí)現(xiàn)交織器的方法，給出利用VHDL語言描述該交織器的全部代碼。通過仿真分析驗(yàn)證該實(shí)現(xiàn)方案的正確性和可行性。為進(jìn)一步研究GSM通信系統(tǒng)基站軟件化打下了良好的基礎(chǔ)。