基于FPGA的Turbo碼編譯碼器在深空通信中的應(yīng)用

鄭翹楚

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊,050081）

0 引言

深空通信指的是地球與太陽(yáng)系九大行星之間的通信、所有行星表面的區(qū)域通信、還有地球與太陽(yáng)系外星球之間的通信。它的一個(gè)典型特點(diǎn)就是傳輸距離特別的遠(yuǎn)，指定的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)所能獲得的數(shù)據(jù)速率越大，其通信距離的平方也就越小。Turbo碼在AWGN信道和Rayleigh衰落下仍然具有接近信道容量的糾錯(cuò)能力，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)纳羁胀ㄐ啪哂蟹浅：玫膽?yīng)用前景。因此本文進(jìn)行了基于FPGA的Turbo碼編譯碼器在深空通信中的應(yīng)用分析。

1 FPGA的Turbo碼編譯碼器在深空通信中的應(yīng)用硬件設(shè)計(jì)

由于Turbo碼在低信噪比下?lián)碛袃?yōu)于其他方法的與Shannon限相似的性能，故在很短的時(shí)間內(nèi)就引起了相關(guān)研究者們的關(guān)注，并有助于進(jìn)行理論研究，其他方面也逐漸步入實(shí)際應(yīng)用。

1.1 Turbo譯碼器總體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

具有高效和高可靠性特點(diǎn)的深空通信系統(tǒng)是進(jìn)行流暢的通信業(yè)務(wù)的重要保障。其中信息傳輸過(guò)程中的誤碼率的大小直接影響到深空通信的質(zhì)量。采用信道編碼是消除或降低信息傳輸錯(cuò)誤概率的有效手段之一。這里采用Turbo碼譯碼器實(shí)現(xiàn)深空通信。Turbo碼譯碼器的組成部分包括MAP譯碼器模塊、交織器與解交織器模塊、時(shí)序控制模塊三個(gè)部分，由于篇幅其中MAP譯碼器交織器兩個(gè)模塊不再進(jìn)行詳細(xì)描述，這里主要是對(duì)循環(huán)譯碼的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述，本文設(shè)計(jì)采用的交織器具有一樣的交織序列與解交織序列，同時(shí)采用的兩個(gè)MAP譯碼器并非一起使用，所以，要完成Turbo碼的譯碼只需使用一個(gè)MAP譯碼器，為了使循環(huán)譯碼可以更容易實(shí)現(xiàn)，與編碼器中所使用的交織器略有區(qū)別，Turbo碼譯碼器中所使用的是包括兩個(gè)使能信號(hào)的交織器，即輸入與輸出使能，而Turbo碼譯碼器與編碼器所采用的交織序列是一樣的。下圖是Turbo碼譯碼器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，這里對(duì)譯碼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，以便于其實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，將分量譯碼器所輸出的對(duì)數(shù)似然概率進(jìn)行循環(huán)迭代，通過(guò)其仿真圖可知，它具有非常不錯(cuò)的譯碼效果。

圖1 Turbo譯碼器的總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 譯碼器

卷積碼將k個(gè)信息比特編成n個(gè)比特，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進(jìn)行傳輸，時(shí)延小，考慮深空通信特點(diǎn)采用卷積碼譯碼實(shí)現(xiàn)解調(diào)器輸出信息的決定，以下針對(duì)深空通信特點(diǎn)進(jìn)行譯碼器的設(shè)計(jì)。地址為計(jì)數(shù)器的輸出，由時(shí)序控制模塊向所有RAM塊傳送，并通過(guò)所輸出的所有使能信號(hào)對(duì)運(yùn)算過(guò)程進(jìn)行控制。由于所采取的是分塊并行譯碼法，各子譯碼器的譯碼延時(shí)有了很大程度的降低，與傳統(tǒng)的譯碼器相比，在譯碼延時(shí)方面有比較大的改進(jìn)。1號(hào)譯碼器運(yùn)行延時(shí)為N＋2個(gè)時(shí)鐘，交織解交織模塊與譯碼模塊是同時(shí)進(jìn)行的，所以2號(hào)譯碼模塊讀入數(shù)據(jù)所需時(shí)間即為交織器輸出時(shí)間，因?yàn)榻豢椘鞔嬖谝粋€(gè)時(shí)鐘的延時(shí)，故與2號(hào)譯碼模塊相比，1號(hào)譯碼模塊處理時(shí)間相對(duì)要少1個(gè)時(shí)鐘。當(dāng)1號(hào)譯碼模塊與2號(hào)譯碼模塊進(jìn)行一次工作，則一次迭代完成，那么完成一次迭代譯碼需2N+5個(gè)時(shí)鐘延時(shí)。由于譯碼器中包含多個(gè)變量，要將所有變量列出很難，clk表示時(shí)鐘，a[0..7]代表的是，即譯碼器接收端量化的信息序列，b1[0..7]代表的是，b2[0..7]代表的是，即譯碼器接收端量化的校驗(yàn)序列，L2代表2號(hào)分量譯碼器的對(duì)數(shù)似然概率，代表完成四次迭代所輸出的數(shù)據(jù)。因?yàn)樽g碼過(guò)程存在的延時(shí)較大，因此要在通過(guò)該圖將輸入與輸出間的關(guān)系找出并不容易，不過(guò)對(duì)似然比L2進(jìn)行查看發(fā)現(xiàn)，由其符號(hào)位可獲得譯碼數(shù)據(jù)。通過(guò)分析可知譯碼所輸出的數(shù)據(jù)無(wú)誤。下面對(duì)采用不同譯碼算法的Turbo碼性能進(jìn)行了MatlAB平臺(tái)的仿真，圖形如下所示，仿真結(jié)果表明，四種算法中，MAP算法性能最好。

圖2 不同解碼算法的Turbo碼性能影響

本設(shè)計(jì)由恰當(dāng)?shù)姆指钅K和參數(shù)化設(shè)計(jì)，加上所采取的設(shè)計(jì)方法綜合了自下往上及自上往下兩種方式，然后連接所有模塊并進(jìn)行調(diào)試，從而形成了完整的設(shè)計(jì)文件。

1.3 接收碼字的量化及其運(yùn)算

軟輸入/輸出SISO譯碼雖然使譯碼性能得到了提升，但硬件的實(shí)現(xiàn)也隨之變得更加難了，這也就阻礙了FPGA的實(shí)現(xiàn)。要將該問(wèn)題解決掉，第一步要弄清楚譯碼器中帶有符號(hào)小數(shù)的量化方式與運(yùn)算過(guò)程。一般情況下，帶有符號(hào)小數(shù)運(yùn)算的FPGA有兩種二進(jìn)制運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方式，即定點(diǎn)制與浮點(diǎn)制，雖然相比定點(diǎn)數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)無(wú)論是在精度方面還是數(shù)據(jù)范圍方面均更優(yōu)一些，然而卻在實(shí)現(xiàn)上就沒(méi)那么容易了，此設(shè)計(jì)所采取的方式為定點(diǎn)二進(jìn)制。這里所采用的是帶有符號(hào)的八位定點(diǎn)數(shù)據(jù)。左邊數(shù)的首位、第2～5位、第6～8位分別為符號(hào)位、整數(shù)位、小數(shù)位。若首位是1，則表示是負(fù)數(shù)，若首位是0，則表示是正數(shù)。設(shè)計(jì)里的帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)只包含三種運(yùn)算，即+法、-法、兩數(shù)的對(duì)比，接下來(lái)主要介紹一下帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行+-法運(yùn)算的函數(shù)add_sub模塊:這個(gè)函數(shù)做什么運(yùn)算主要由輸入決定，且將結(jié)果輸出，所得結(jié)果的符號(hào)位為最高位。函數(shù)僅有一個(gè)體現(xiàn)數(shù)據(jù)寬度的參數(shù)，即datawidth。dina[]與dinb[]是代表兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)的輸入端口，下圖為函數(shù)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 add_sub函數(shù)模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

表1 add_sub函數(shù)模塊的邏輯判斷規(guī)則

該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是借助一個(gè)lpm_add_sub模塊，可隨意對(duì)其數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行設(shè)置，這里所采用的是八位的數(shù)據(jù)。該函數(shù)主要是對(duì)加減法運(yùn)算進(jìn)行選擇，且決定權(quán)在于輸入add_sub的值，如果add_sub為l，那么計(jì)算為dina+dinb；如果add_sub為0，那么計(jì)算為dina-dinb。另外，數(shù)據(jù)還可能存在溢出的現(xiàn)象，通過(guò)所輸出的溢出信號(hào)、輸入數(shù)據(jù)的符號(hào)位、運(yùn)算類(lèi)型，對(duì)所選輸出結(jié)果進(jìn)行控制。Selecter為選擇器模塊，通過(guò)兩個(gè)輸入端，即overflow與add_sub對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行控制。如果overflow為0，那么則無(wú)溢出，直接將結(jié)果輸出；如果overflow為1，那么就有溢出信號(hào)，由實(shí)際情況分別將各最值輸出，MAX與MIN分別表示的是向上與向下溢出；如何對(duì)選擇邏輯進(jìn)行判斷見(jiàn)表1，其中MAX與MIN分別為7Fh與80h。

通過(guò)分析，設(shè)計(jì)時(shí)將add_sub函數(shù)看作一個(gè)模塊，在接下來(lái)的譯碼器設(shè)計(jì)中進(jìn)行調(diào)用就比較方便了。圖4表示在不同迭代次數(shù)時(shí)Turbo碼性能的Matlab仿真結(jié)果，由此可以判斷該設(shè)計(jì)方案是可取的。

圖4 不同迭代次數(shù)時(shí)的Turbo碼性能

深空通信信道可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)AWGN信道的建模，它具有比較充足的頻帶資源，但是探測(cè)設(shè)備尺寸不夠，且傳輸距離過(guò)遠(yuǎn)，因此它的功率資源受到了極大的限制。深空通信信道為具有代表性的傳輸信道，且其可靠性被有效性所取代。但是，由于深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于傳輸速率的要求也隨之更加嚴(yán)格，故編譯碼器的實(shí)現(xiàn)也變得非常的困難。因此，改進(jìn)信道編譯碼算法可在一定的程度上完善深空通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

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