TPC碼譯碼器硬件仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1993年伴隨著著名的Turbo碼的提出，法國(guó)的RM.Pyndiah于1994年將Turbo軟迭代譯碼的思想應(yīng)用于早期的乘積碼[1]之中，提出了分組Turbo碼（BTC）[2]，即Turbo乘積碼（TPC碼），正是從這個(gè)時(shí)期開始乘積碼獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)再次得到了編碼界的關(guān)注。相對(duì)于Turbo碼而言，Turbo乘積碼很好地實(shí)現(xiàn)了譯碼性能與硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度的折衷，很容易由硬件實(shí)現(xiàn)。近年來一些著名的硬件和芯片制造商相繼開發(fā)出一些針對(duì)無線通信應(yīng)用的乘積碼的編譯碼芯片和相應(yīng)的IP核，可以說如何有效地設(shè)計(jì)一個(gè)TPC碼的迭代譯碼器已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外圍繞Turbo碼在無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)重要問題。

本文提出了二維TPC碼的迭代譯碼器的FPGA設(shè)計(jì)方案，特別建立了FPGA硬件仿真模型，大大提高了信道編碼硬件仿真效率，為了評(píng)估TPC譯碼器的譯碼性能好壞，通過改變不同信噪比下的輸入激勵(lì)，可以分析所設(shè)計(jì)譯碼器的誤碼率情況。經(jīng)過功能驗(yàn)證，譯碼功能與C程序仿真的功能非常吻合，從而證明了整個(gè)設(shè)計(jì)的合理性，為今后實(shí)現(xiàn)更實(shí)用、更長(zhǎng)碼長(zhǎng)和更高碼率的TPC碼譯碼器做了有益的嘗試。

1 編譯碼原理

構(gòu)造TPC碼的線性分組碼很多，如漢明碼、單校驗(yàn)碼（SPC）、RS碼和BCH碼等等，目前國(guó)際上多采用SPC碼和擴(kuò)展?jié)h明碼構(gòu)造。

為了使設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程不至于繁瑣，方便更加清楚地說明問題，這里假定以簡(jiǎn)單的（3，2，2）單校驗(yàn)碼為成員碼。對(duì)于碼長(zhǎng)較短、碼塊小的簡(jiǎn)單碼型可以回避開RM.Pyndiah提出的復(fù)雜的修正Chase譯碼算法[3]，而采用Turbo軟迭代譯碼原理，這樣可以降低譯碼復(fù)雜度，但譯碼效果肯定會(huì)有所下降。為此做了一些有益的設(shè)計(jì)嘗試。

具體算法采用逐位MAP譯碼規(guī)則，最終目的是要得到信息x的最大似然后驗(yàn)信息。最終的譯碼結(jié)果包含三部分獨(dú)立的似然概率估計(jì)值。即：信道軟輸出、先驗(yàn)概率和外信息[4][5]，即：

圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單兩維（8，4）TPC碼迭代譯碼的過程。


2 電路設(shè)計(jì)

2.1 迭代譯碼核心

當(dāng)用FPGA器件實(shí)現(xiàn)TPC碼的整體譯碼功能時(shí)，迭代譯碼過程的具體實(shí)現(xiàn)主要是行和列外信息計(jì)算模塊。如圖2所示，附加了若干D觸發(fā)器作為總體控制時(shí)序控制模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，保證和協(xié)調(diào)各個(gè)譯碼模塊的連續(xù)進(jìn)行和同步工作。


2.2 功能驗(yàn)證電路

為進(jìn)一步驗(yàn)證此二維TPC碼譯碼器的糾錯(cuò)性能的好壞，把譯碼器的輸出結(jié)果和理論輸入進(jìn)行比較來分析譯碼器的譯碼功能是否完善，特別設(shè)計(jì)了功能驗(yàn)證模塊,并編寫了測(cè)試激勵(lì)。

圖3為該譯碼器的功能驗(yàn)證方塊圖，分為譯碼控制與輸入模塊（input）、原始輸入?yún)⒖寄K(senddata)、TPC碼迭代譯碼模塊(TPC decoder)及誤碼率計(jì)算分析模塊（Error Counter）。


3 仿真波形

整個(gè)TPC碼譯碼器由上述方案中的幾個(gè)下層文件組成了頂層文件。整個(gè)設(shè)計(jì)采用VHDL語言編寫了各個(gè)模塊的程序代碼，各個(gè)模塊源程序成功通過編譯。程序在Xilinx公司的開發(fā)工具ISE8.1和與Xilinx公司配套的ModelsimXE 6.0a集成仿真工具的環(huán)境下仿真調(diào)試通過。圖4為該（8，4）二維乘積碼的譯碼性能功能仿真波形，其中時(shí)鐘信號(hào)CLK周期為10MHz，上升沿有效，啟動(dòng)信號(hào)START下降沿有效，為8個(gè)時(shí)鐘周期。譯碼后4bit信息為：y0d、y1d、y2d、y3d。從圖4中可見數(shù)據(jù)的譯碼輸出仿真測(cè)試結(jié)果波形。

基于硬件仿真模塊，在不同的輸入測(cè)試激勵(lì)文件的控制下，對(duì)應(yīng)不同的信噪比環(huán)境，分別輸入各種不同的激勵(lì)，可以從低噪聲一直到非常大的噪聲。圖4為輸入激勵(lì)為信噪比9dB時(shí)輸出的波形圖，誤碼率計(jì)算分析模塊在啟動(dòng)信號(hào)start的上升沿采樣數(shù)據(jù)，下降沿則輸出誤碼率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如圖5所示，在輸入激勵(lì)為SNR=9dB時(shí)，誤碼率為7/10000。

可以看出所設(shè)計(jì)的TPC碼迭代譯碼器具有較好的譯碼效果，通過改變輸入激勵(lì)部分參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出更多碼型的TPC碼譯碼器，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

4 幾點(diǎn)思考

(1)方案中所建立的功能驗(yàn)證系統(tǒng)是任何信道編碼譯碼器驗(yàn)證測(cè)時(shí)通用的。該方案完全改變了傳統(tǒng)方式，非常值得推廣使用。從以往的信道編譯碼的工程實(shí)踐看，對(duì)于功能仿真測(cè)試部分實(shí)現(xiàn)方式雖然很多，但是效率低，不直觀。通常采用從最后MODELSIM仿真波形文件中提取具體仿真數(shù)據(jù)，然后對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納統(tǒng)計(jì)，最后得出整個(gè)誤碼率情況。這種方法速度慢、精度低。文中所提出的二維乘積碼采用的硬件驗(yàn)證系統(tǒng)的建立為譯碼器的硬件仿真開拓了一個(gè)新的高效率思路，不僅仿真速度快，而且通用性強(qiáng)，可以應(yīng)用到任何信道糾錯(cuò)譯碼模塊的硬件仿真測(cè)試系統(tǒng)中去，而且不需要人為分析數(shù)據(jù)結(jié)果，全部過程從Modelsim仿真波形自動(dòng)讀出，精確度非常高。采用硬件FPGA仿真誤碼率，不僅比軟件仿真速度快，而且靈活方便，非常值得推廣。

(2)該方案可以做更優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖6所示。進(jìn)一步延伸這個(gè)考慮，如果補(bǔ)充上TPC編碼模塊和信道模塊（AWGN 和Fading）以及軟判決映射器，整個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)將更為通用。

其中信息源模塊由線性反饋移位寄存器LFSR(Linear Feedback Shift Registers)構(gòu)成，產(chǎn)生（0，1）序列送入TPC碼編碼器產(chǎn)生二維碼塊，隨后來自碼塊的比特?cái)?shù)據(jù)疊加上來自AWGN或是衰落信道模塊產(chǎn)生的噪聲后被軟判決映射器從（0，1）映射為（－1，＋1）比特流，經(jīng)過串入并出轉(zhuǎn)換后并行輸出給TPC碼譯碼器，經(jīng)譯碼器譯出的信息比特將會(huì)和原始輸入信息進(jìn)行異或比較，最后由誤碼率計(jì)算模塊輸出誤碼率。

這樣一個(gè)TPC碼驗(yàn)證測(cè)試激勵(lì)系統(tǒng)提供了快速的硬件仿真模型，非常值得推廣，相比較利用C程序軟件仿真，仿真時(shí)間大致為10：1，大大提高了TPC碼性能仿真效率。

如何有效地設(shè)計(jì)一個(gè)TPC碼的譯碼器成為目前圍繞TPC碼的無線通信應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。本文針對(duì)短碼、小碼塊的TPC碼迭代譯碼器的FPGA設(shè)計(jì)，特別建立了TPC 碼迭代譯碼器的硬件仿真模型，大大提高了性能仿真效率，提出了信道編碼譯碼器硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，作為一種有益的探索和嘗試，為下一步實(shí)現(xiàn)各種信道編碼譯碼器積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。該硬件仿真模型的靈活性非常強(qiáng)，通過改變?cè)O(shè)計(jì)中的一些輸入和控制參數(shù)，可以設(shè)計(jì)更多IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)推薦的更實(shí)用碼型和迭代次數(shù)的TPC碼。