基于FPGA的改進型分組交織器的設計與實現

Turbo碼是由法國人Berrou于1993年提出的一種性能優越的信道編碼方案[1]，其應用已逐步推廣到衛星通信、移動通信和計算機通信等領域。交織器作為Turbo碼編碼器中的重要組成部分，在Turbo碼的性能中起著至關重要的作用，因此交織器的設計成了Turbo碼設計中的一個重要方面，交織器的好壞將直接關系到整個Turbo碼系統的優劣。

　　本文分析了交織器在Turbo碼中的作用，以及分組交織器[2]存在的缺陷，提出一種改進型的分組交織器，即交織深度和寬度可控的分組交織器的設計方法。該交織器可根據數字通信中信道的實際特性，做到交織矩陣深度和寬度可控，能夠更好的滿足不同幀長度數據傳輸的要求，從而達到最佳的抗突發連續錯誤的目的。

　　交織器設計采用Altera公司生產的Cyclone系列FPGA芯片，利用其內部嵌入式存儲資源，用雙端口存儲器實現。

　　1 傳統分組交織器的作用、原理及缺陷

　　1.1 交織器的作用

　　在傳統信道編碼中，交織器的作用是將信源序列打亂，將它們分散到不同的數據序列中，以消除相鄰碼元之間的相關性。這樣，當信號經歷衰落或突發干擾時，鄰近碼元被噪聲淹沒的可能性會大大降低，從而增強了抵御長時間突發噪聲的能力，同時也有利于接收端的譯碼接收。

　　另外，交織器作為Turbo碼編碼器中的重要組成部分，對提高Turbo碼的性能起著至關重要的作用。文獻[3]指出，Turbo碼作為線性碼，其糾錯譯碼性能主要由碼字的重量分布決定，而交織器實際上正是決定了Turbo碼的重量分布。所以，Turbo碼的性能很大程度上由交織器所決定。

　　1.2 分組交織器的原理

　　分組交織是一種簡單的交織方式，其原理是在發送端將待交織的輸入數據均勻分成m個碼組，每個碼組由n段數據組成，這樣便構成一個n×m的交織矩陣，其中，m為交織深度，n為交織約束長度或寬度。待交織數據以公式的順序進入交織矩陣，再以公式的順序從交織矩陣中送出，這樣就完成了對輸入數據的分組交織。

　　1.3 分組交織器存在的缺陷

　　分組交織器雖然具有原理簡單，易于硬件實現的特點。但其存在的主要缺點是由于交織矩陣的深度和寬度固定，不能夠根據信道（特別是變參信道）中突發誤碼長度、糾錯碼的約束長度、糾錯能力做出調整，這樣，信息序列中出現的突發錯誤就不能夠盡量隨機分布在數據幀內。交織后，輸入至編碼器中的消息序列仍有很大的相關性。這就導致了Turbo碼譯碼器在相繼譯碼中不能正確的譯碼，會產生較高的譯碼錯誤。

　　基于以上原因，希望設計出交織矩陣深度和寬度可控的分組交織器，以適應不同數據幀長度的需要。從而更好的適應通信系統的特性要求，提高系統克服突發差錯的能力。

2 改進分組交織器的FPGA設計與實現

　　2.1 FPGA選取及總體實現

　　交織器的設計采用Altera公司生產的Cyclone系列FPGA實現。根據系統的總體要求選用了一片EP1C3T100C8芯片，該系列芯片具有成本低、設計靈活、系統便于集成等優點[4]，因而在數字通信系統設計中得到了廣泛的應用。此外，Cyclone系列芯片內部具有嵌入式RAM存儲空間,可以實現較為復雜的邏輯功能，當用作片內存儲器時，其存儲數據的寬度和深度可由設計人員設定。因而利用存儲器可以方便的設計出交織器，從而能夠大大減小電路的體積和復雜度。

　　FPGA實現交織器的原理框圖如圖1所示，從圖中可以看出交織器主要由讀、寫地址序列發生器，雙端口RAM以及讀寫使能控制幾部分組成。其中讀寫使能控制主要用來產生雙端口RAM的讀寫控制信號，并決定讀、寫地址序列發生器何時啟動工作。

FPGA實現交織器的原理框圖

　　2.2 讀地址序列產生算法及設計

　　2.2.1 交織器讀地址產生算法

　　交織器設計的關鍵部分在于“讀/寫地址”的產生。設交織器的交織矩陣為n m矩陣，根據分組交織原理，輸入數據以0,1,2…,mn-1的順序地址方式寫入存儲器，交織后輸出為：0，n,2n,…, (m-1)n,1,n+1,2n+1, …,(m-1)n+1,2,…,mn-1.

　　地址產生算法采用雙重循環的方式（算法流程如圖2所示），算法流程說明如下：

算法流程圖

　?、偈紫雀鶕诺缹嶋H情況及數據幀長，選定合適的交織

　　將計數變量i，j清零；

　　②對計數變量j進行判斷：如果j＜m，則j++；

　　如果j＝m，則跳到第3步；

　?、蹖τ嫈底兞縤進行判斷：如果i＜n，則i++并將j清零之后跳回第2步；如果i＝n，則跳回第1步，開始新一輪循環。

在整個循環過程中，讀地址變量add不斷輸出“亂序”的交織地址add=j n+i，以達到設計的要求。

　　通過上述分析可以看出，算法中運用了加法、乘法、比較、計數等算術邏輯運算，則地址生成的FPGA設計過程中，需要運用加法器，乘法器，比較器，計數器等器件以實現相應功能。在設計過程中，這些器件采用由QuartusⅡ軟件為設計人員提供的參數化宏單元模塊LPM（library of parameterized modules）,使用它不僅可以簡化電路復雜度，而且大大提高了設計速度。

　　2.2.2 讀地址序列產生器設計

　　讀地址是整個交織器設計部分的關鍵，采用“亂序讀出”的方式。電路設計主要由加法、乘法器，計數器和比較器模塊構成，其地址序列產生流程在算法分析中已作過詳細說明，這里只作簡單介紹：計數器Ⅰ相當于變量j，首先在時間脈沖cp的驅動下從初始狀態“00000000”開始遞增計數，當等于設定交織深度m時，產生一個時鐘脈沖信號來驅動計數器Ⅱ，此時計數器Ⅱ的計數加一，同時與另一設定數據n進行比較，當相等時計數器Ⅰ、Ⅱ同時清0，重新開始計數。

讀地址序列產生器

　　讀地址產生結果由數據n與計數器Ⅰ每次的輸出數據相乘，再與計數器Ⅱ的計數數據相加而得到。產生的序列依次為：0，n,2n,…,(m-1)n,1,n+1,2n+1,…,(m-1)n+1,2,…,mn-1.

　　2.3 寫地址序列產生器設計

　　交織器采用“順序寫入”的寫地址方式，即產生“0,1,2 …,mn-1”的順序地址序列。因此寫地址序列產生器的實現可由乘法器，比較器和計數器等宏單元模塊構成（如圖4所示），寫地址具體產生說明如下：

寫地址序列產生器

　　首先8位計數器在時鐘脈沖cp的驅動下由初始狀態“00000000”開始遞增計數，產生的計數數據分成兩路：一路送到雙端口RAM的寫地址端，作為交織器的寫地址產生信號；另一路則送到比較器的一個輸入端，同乘法器輸出的結果進行比較：當計數器累計計數值小于乘法器計算結果時，計數器繼續累加計數；而當計數值等于乘法器的計算結果時，比較器產生中斷控制信號使得計數器清0，并重新開始計數。

2.4 讀寫使能控制設計

　　考慮到雙端口RAM對其內部同一單元地址不能同時進行讀寫操作，因此，整個交織器設計需用讀寫使能控制電路用來對雙端口RAM的地址讀寫進行控制，并同時決定讀寫發生器何時開始工作。由于雙端口RAM的讀、寫實現都是從零地址開始的，因而RAM內的每個存儲單元的讀操作都應在寫操作之后，從而保證每個讀出數據的有效性。

　　讀寫使能控制電路如圖5所示，讀寫控制電路采用類似于分頻器原理[4]的工作方式，電路主要由計數器、比較器和D觸發器來實現：計數器與n m比較的結果作為D觸發器的時鐘脈沖信號，當計數器的計數值等于n m時，觸發器的輸出狀態進行一次反轉，即相當于構成了一個n m的分頻器電路。觸發器的輸出結果分成兩路：一路送到雙端口RAM的寫地址使能端；另一路經過反相后送給讀地址使能端。這樣便可以使存儲器RAM在“n m”的地址空間范圍內交替進行“讀/寫”數據的操作。

讀寫使能控制電路

　　2.5 設計中的遇到的問題及解決辦法

　　交織器的設計中包含的運算有相乘和相加，相乘會造成字長的變化。這便會帶來數據位數匹配的問題，下面我們以讀地址電路（圖4）為例給出解決辦法：

　　進入乘法器的兩路數據均為8位，經過乘法運算后，數據位數會增加到16位，同時需要與來自計數器Ⅱ的8位數據進行加法運算。通常情況下多采取舍入或截尾的方法，即將16位數據的高8位字節舍去，這種方法的不足是當m、n的乘積大于256（11111111H）時，數據的高8位不全為0，舍去會帶來輸出結果的錯誤，因而可能造成交織器輸出碼字的錯誤。因此，可采用“補位”的辦法，將輸入加法器的8位數據補成16位（在8位數據前補8位0），以增長位寬從而達到數位匹配的目的。

　　3 QuartusⅡ仿真結果及分析

?????? 交織器的仿真波形如圖6所示（其中“clk”為驅動時鐘，“rden”、“wren”為讀、寫使能，“data”、“result”為輸入、輸出雙端口RAM的數據序列）：

Quartus

　　從QuartusⅡ波形仿真結果看到當交織矩陣的m，n值為5和3時，雙口RAM的輸出數據為“0、5、10、1、6…”；當m，n調整為8和 6后,雙口RAM的輸出為“0、8、16、24…”?？梢钥闯?，在任意選取不同的m值和n值后，交織器能夠根據分組交織的原理將輸入RAM的數據字或比特位流進行交織，輸出所需的數據序列，達到了交織矩陣深度和寬度可控的目的。

　　4 小結

　　本文介紹了可針對不同交織需要的改進型分組交織器FPGA設計，該交織器的主要特點是可根據信道中突發誤碼的長度、出現的頻率以及糾錯碼的約束長度、糾錯能力設定合適的交織深度和寬度（m,n），需要指出的是，m,n選得越大，信道編碼的約束長度越大，從而對付信道中長突發差錯的能力也就越強，但m,n選得越大，也就需要越大的存儲空間，同時會引入更長的延時，所以應根據數字通信系統的實際情況選擇合適的m值和n值。

　　本文作者創新點:對傳統分組交織器進行了改進，實現了分組交織器的交織矩陣深度和寬度可控，能夠很好的滿足不同數據幀傳輸的要求，具有更好的抗信道突發錯誤的能力。