文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)06-0115-04
移動通信與寬帶無線接入技術(shù)的融合成為通信發(fā)展的必然趨勢。為此,3GPP啟動了通用移動通信技術(shù)的長期演進項目。為了將系統(tǒng)帶寬從5 M提高到20 M,LTE在下行傳輸中采用了正交頻分多址、上行采用單載波頻分多址的技術(shù)[1]。OFDM技術(shù)實質(zhì)就是將串行的數(shù)據(jù)映射到并行的信道進行傳輸,符號的延續(xù)時間由此得以延長,從而對時延擴展有更高的包容性。為了滿足LTE系統(tǒng)對更大的系統(tǒng)容量的需求,低成本支持更多的天線系統(tǒng)要求,在信道編碼中采用了咬尾卷積編碼和Turbo編碼[2]。本文詳細闡述了咬尾卷積編碼的編碼原理,通過Matlab仿真對咬尾卷積編碼在不同信道環(huán)境下的性能進行了探究,重點闡述了一種咬尾卷積編碼的DSP實現(xiàn)方法,最后,選取一種可靠的譯碼方式在接收端完成咬尾卷積譯碼。
1 咬尾卷積編碼的實現(xiàn)原理
該信道編碼的編碼和譯碼復(fù)雜度低、處理時延小,適合小碼塊控制信息和對時延敏感的數(shù)據(jù)傳輸。
咬尾卷積是建立在卷積碼編碼器的起始狀態(tài),不需要全0狀態(tài),可以是任何其他狀態(tài)。在LTE系統(tǒng)中,將咬尾卷積編碼的約束長度設(shè)置為7,即配置了6個移位寄存器,采用速率為1/3進行編碼。咬尾卷積編碼的初始比特可以不為零,但起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)相同。因此不需要傳輸額外的比特,具有較高的編碼效率。編碼器的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)由數(shù)據(jù)包的最后幾個比特決定[3],也就是把一個數(shù)據(jù)包的最后6 bit用來初始化寄存器狀態(tài)。其編碼原理和實現(xiàn)框圖如圖1所示,對于輸入數(shù)據(jù)流CK,編碼后按3路輸出, 輸出分別為5路數(shù)據(jù)右移,對得到的5路數(shù)據(jù)進行異或,產(chǎn)生最后的結(jié)果。
2 咬尾卷積編碼性能測試
利用QPSK高斯信道、ETU、EVA、EPA四種信道對咬尾卷積編碼的性能進行分析。仿真過程中,選取PBCH的MIB信息進行仿真測試,天線配置為4發(fā)4收,帶寬為5 MB,載波頻率為2 GHz,得到的仿真結(jié)果如圖2所示。
通過圖2不難看出,誤碼率為10-4時,咬尾卷積編碼的編碼增益在7 dB左右,這一結(jié)果完全可以應(yīng)用在綜合儀表開發(fā)中。
3 咬尾卷積編碼的設(shè)計與實現(xiàn)
3.1 DSP處理器
采用了TI公司的C64x系列,該系列采用了取指令和執(zhí)行指令可以并行運行的哈佛結(jié)構(gòu),程序總線和數(shù)據(jù)總線也是獨立運行的。其中程序總線有256 bit,內(nèi)存單次操作取8條指令,實現(xiàn)了高速運行的目的。基于C64芯片的高容量、運行速度快的特征,在綜合測試儀表的開發(fā)中采用了該芯片[1]。
3.2編碼與內(nèi)存區(qū)設(shè)計
以TD-LTE為例,1個子幀有2個時隙,頻域上的最大資源塊數(shù)為110,1個資源塊的大小為180 kHz,1個時隙有6個或者7個OFDM符號[1],因此對寄存器和內(nèi)存的設(shè)計如表1所示,內(nèi)存設(shè)計如下。
_Input_Data .uset”d_dest”,5000
_Data_lens .uset”d_dest”,4
_Out_Data .uset”d_dest”,15000
_Out_Data_lens .uset”d_dest”,4
3.3 詳細設(shè)計
咬尾卷積的DSP實現(xiàn)主要包括三個步驟:取數(shù)據(jù)包的最后6 bit進行寄存器初始化;根據(jù)移位寄存器的要求進行移位異或操作,完成編碼;再對完成編碼的數(shù)據(jù)進行比特字節(jié)化,為咬尾卷積編碼的速率匹配做準備。
3.3.1寄存器初始化完成
在進行寄存器初始化的實現(xiàn)中,要考慮有無剩余比特兩種情況,計算出需要偏移地址的數(shù)A7。若有剩余比特,則取最后一個半字與剩余比特,把它們合并存放在一起, 然后進行左移得到最后的6 bit,存于A10的高6位。左移的位數(shù)便是“剩余比特數(shù)+10”;若沒有剩余比特,就取最后兩個半字,通過左移26位得到后6 bit,存于A10的高6位。以數(shù)據(jù)流長度=43為例,具體實現(xiàn)如圖3所示。
3.3.2 咬尾卷積編碼實現(xiàn)
取每一輪參與編碼的那一個半字,存于A7的低16位,左移10位,空出A7左端的6位與尾比特(6 bit)進行或操作,完成22 bit的拼接,存儲于A10把數(shù)據(jù)流的最后6 bit與第一個半字構(gòu)成22 bit,形成第一輪參與編碼的數(shù)據(jù)。每一輪參與編碼的22 bit,是上一輪的最后6 bit與這一輪的那一個半字。具體的實現(xiàn)如圖4所示。
3.3.3 比特字節(jié)化的實現(xiàn)
比特字節(jié)化,來為交織操作中的取數(shù)據(jù)做準備,取數(shù)據(jù)時地址的偏移是以字節(jié)為偏移單位進行的。環(huán)進行字節(jié)化,直至16 bit字節(jié)化完成,后6 bit不參與,將參與編碼的比特數(shù)存于B0,每完成一次編碼,對應(yīng)的記錄的寄存器減一。當(dāng)還沒進行到最后一部分時, 就這樣以22 bit為單位進行編碼、字節(jié)化, 第一輪時是數(shù)據(jù)流的最后6 bit與第一個半字結(jié)合的22 bit,第二輪是第一輪22 bit的后6 bit與第二個半字形成的22 bit。
在比特字節(jié)化時,最后的那一輪只字節(jié)化剩余比特數(shù)次,比如最后一輪的22 bit,以數(shù)據(jù)長度為31為例,字節(jié)化時只進行11次的字節(jié)化。具體流程如圖5所示。
編碼后的數(shù)據(jù)存儲如圖6所示。
3.4 DSP運行性能分析
DSP軟件中的實現(xiàn)代碼要盡量精簡,減少執(zhí)行的“NOP”數(shù)目,合理控制循環(huán)次數(shù),本文通過對半字數(shù)及字數(shù)為單位的控制進行地址偏移,使得運算量盡量減少,減少運算的周期數(shù)目。當(dāng)編碼數(shù)據(jù)為4 200時,運行的cycles數(shù)如表2所示。
TMS320C64DSP芯片,處理器的頻率達到1 GHz,運行一個cycle的時間是1 ns,測試平臺上,通過對GPIO口的控制,測量函數(shù)運行時間,運行時間可以滿足對實時性的要求。
4 咬尾卷積譯碼方式性能測試
Viterbi譯碼的算法主要有循環(huán)維特比譯碼算法(CVA)[4]、M比特重復(fù)循環(huán)維特比譯碼算法(N+M-CVA)、有界循環(huán)維特比譯碼算法(BDD-CVA)[5]、環(huán)繞維特比譯碼算法(WAVA)、最大似然維特比譯碼算法(ML-VA)[6],其中L+Win-CVA,算法是一種基于循環(huán)Viterbi譯碼算法的改進,L3-WAVA算法是將碼塊重復(fù)三次的WAVA算法[7],ML-VA[8]算法是一種犧牲算法復(fù)雜度換取遍歷的算法,算法復(fù)雜度極大,本文不作考慮。設(shè)定碼塊大小為200 bit時,用Matlab仿真各種譯碼算法的誤比特率。得到的結(jié)果如圖7所示[1]。
從仿真的結(jié)果不難看出,L3-WAVA算法性能最好,并且契合了“TD-LTE無線綜合儀表測試開發(fā)”的性能和運算精度的要求,因此選取L3-WAVA算法作為咬尾卷積碼的譯碼算法。
本文首先從LTE背景分析,闡述了LTE系統(tǒng)采用咬尾卷積編碼的必要性。根據(jù)咬尾卷積編碼技術(shù)的原理,模擬驗證咬尾卷積編碼在不同信道環(huán)境下的性能,提出一種DSP的實現(xiàn)方法,在TMS320C6000平臺上實現(xiàn)并且對運行結(jié)果進行性能分析,選取L3-WAVA方法為咬尾卷積譯碼方式進行仿真。該方案已應(yīng)用到LTE-TDD無線綜合測試儀表的開發(fā)中。
參考文獻
[1] 陳發(fā)堂,陶根林. LTE系統(tǒng)中咬尾卷積碼的編譯碼算法仿真及性能分析[J].計算機應(yīng)用研究,2010,27(9):
[2] 王曉濤,錢驊,徐景,等.基于陷阱檢測的咬尾卷積碼譯碼算法[J].電子與信息學(xué)報,2011,33(10):2300-2305.
[3] 林丹,李小文. TD-LTE系統(tǒng)中咬尾卷積碼譯碼器的FPGA實現(xiàn)[J].電子測試,2010(3):57-61.
[4] MEHRABIAN M R, MOZAFARI S P, ZOLFAGHARI B. An approach to exploiting proper multiples of the generator polynomial in parallel CRC computation[C].2012 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering(CSAE 2012). in Zhangjiajie, China.2012.
[5] SESIA S, TOUFIK I,BAKER M. LTE-The UMTS long term evolution: from theory to practice SECOND EDITION[M].2009 John Wiley&Sons,Ltd.ISBN: 978-0-470-69716-0.
[6] 3GPP TS 36.211 v11.4: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation.(Release 11)[S].2013-09.
[7] Wang Jun, Chen Hongyang, Li Shaoqian. Soft-output MMSE V-BLAST receiver with MMSE channel estimation under correlated Rician fading MIMO channels[J]. Wirel. Commun. Mob. Comput., 2011,12(15):1363-1370.
[8] JOHN B. Anderson, MLADIK S M. An optimal circular viterbi decoder for the bounded distance criterion[J]. IEEE Transactions on Communications, 2002,50(11):1736-1742.