基于FPGA的改進(jìn)型分組交織器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Turbo碼是由法國人Berrou于1993年提出的一種性能優(yōu)越的信道編碼方案[1]，其應(yīng)用已逐步推廣到衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)通信等領(lǐng)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(guān)重要的作用，因此交織器的設(shè)計(jì)成了Turbo碼設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面，交織器的好壞將直接關(guān)系到整個(gè)Turbo碼系統(tǒng)的優(yōu)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(jìn)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(shè)計(jì)方法。該交織器可根據(jù)數(shù)字通信中信道的實(shí)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(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑥亩_(dá)到最佳的抗突發(fā)連續(xù)錯(cuò)誤的目的。

　　交織器設(shè)計(jì)采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA芯片，利用其內(nèi)部嵌入式存儲(chǔ)資源，用雙端口存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。

　　1 傳統(tǒng)分組交織器的作用、原理及缺陷

　　1.1 交織器的作用

　　在傳統(tǒng)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(shù)據(jù)序列中，以消除相鄰碼元之間的相關(guān)性。這樣，當(dāng)信號(hào)經(jīng)歷衰落或突發(fā)干擾時(shí)，鄰近碼元被噪聲淹沒的可能性會(huì)大大降低，從而增強(qiáng)了抵御長時(shí)間突發(fā)噪聲的能力，同時(shí)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(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[3]指出，Turbo碼作為線性碼，其糾錯(cuò)譯碼性能主要由碼字的重量分布決定，而交織器實(shí)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(fā)送端將待交織的輸入數(shù)據(jù)均勻分成m個(gè)碼組，每個(gè)碼組由n段數(shù)據(jù)組成，這樣便構(gòu)成一個(gè)n×m的交織矩陣，其中，m為交織深度，n為交織約束長度或?qū)挾取４豢棓?shù)據(jù)以公式的順序進(jìn)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(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但其存在的主要缺點(diǎn)是由于交織矩陣的深度和寬度固定，不能夠根據(jù)信道（特別是變參信道）中突發(fā)誤碼長度、糾錯(cuò)碼的約束長度、糾錯(cuò)能力做出調(diào)整，這樣，信息序列中出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤就不能夠盡量隨機(jī)分布在數(shù)據(jù)幀內(nèi)。交織后，輸入至編碼器中的消息序列仍有很大的相關(guān)性。這就導(dǎo)致了Turbo碼譯碼器在相繼譯碼中不能正確的譯碼，會(huì)產(chǎn)生較高的譯碼錯(cuò)誤。

　　基于以上原因，希望設(shè)計(jì)出交織矩陣深度和寬度可控的分組交織器，以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)幀長度的需要。從而更好的適應(yīng)通信系統(tǒng)的特性要求，提高系統(tǒng)克服突發(fā)差錯(cuò)的能力。

2 改進(jìn)分組交織器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 FPGA選取及總體實(shí)現(xiàn)

　　交織器的設(shè)計(jì)采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的總體要求選用了一片EP1C3T100C8芯片，該系列芯片具有成本低、設(shè)計(jì)靈活、系統(tǒng)便于集成等優(yōu)點(diǎn)[4]，因而在數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，Cyclone系列芯片內(nèi)部具有嵌入式RAM存儲(chǔ)空間,可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯功能，當(dāng)用作片內(nèi)存儲(chǔ)器時(shí)，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寬度和深度可由設(shè)計(jì)人員設(shè)定。因而利用存儲(chǔ)器可以方便的設(shè)計(jì)出交織器，從而能夠大大減小電路的體積和復(fù)雜度。

　　FPGA實(shí)現(xiàn)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(fā)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(chǎn)生雙端口RAM的讀寫控制信號(hào)，并決定讀、寫地址序列發(fā)生器何時(shí)啟動(dòng)工作。

FPGA實(shí)現(xiàn)交織器的原理框圖

　　2.2 讀地址序列產(chǎn)生算法及設(shè)計(jì)

　　2.2.1 交織器讀地址產(chǎn)生算法

　　交織器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分在于“讀/寫地址”的產(chǎn)生。設(shè)交織器的交織矩陣為n m矩陣，根據(jù)分組交織原理，輸入數(shù)據(jù)以0,1,2…,mn-1的順序地址方式寫入存儲(chǔ)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(chǎn)生算法采用雙重循環(huán)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

　　①首先根據(jù)信道實(shí)際情況及數(shù)據(jù)幀長，選定合適的交織

　　將計(jì)數(shù)變量i，j清零；

　　②對計(jì)數(shù)變量j進(jìn)行判斷：如果j＜m，則j++；

　　如果j＝m，則跳到第3步；

　　③對計(jì)數(shù)變量i進(jìn)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(huán)。

在整個(gè)循環(huán)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(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

　　通過上述分析可以看出，算法中運(yùn)用了加法、乘法、比較、計(jì)數(shù)等算術(shù)邏輯運(yùn)算，則地址生成的FPGA設(shè)計(jì)過程中，需要運(yùn)用加法器，乘法器，比較器，計(jì)數(shù)器等器件以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在設(shè)計(jì)過程中，這些器件采用由QuartusⅡ軟件為設(shè)計(jì)人員提供的參數(shù)化宏單元模塊LPM（library of parameterized modules）,使用它不僅可以簡化電路復(fù)雜度，而且大大提高了設(shè)計(jì)速度。

　　2.2.2 讀地址序列產(chǎn)生器設(shè)計(jì)

　　讀地址是整個(gè)交織器設(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵，采用“亂序讀出”的方式。電路設(shè)計(jì)主要由加法、乘法器，計(jì)數(shù)器和比較器模塊構(gòu)成，其地址序列產(chǎn)生流程在算法分析中已作過詳細(xì)說明，這里只作簡單介紹：計(jì)數(shù)器Ⅰ相當(dāng)于變量j，首先在時(shí)間脈沖cp的驅(qū)動(dòng)下從初始狀態(tài)“00000000”開始遞增計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)扔谠O(shè)定交織深度m時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器Ⅱ，此時(shí)計(jì)數(shù)器Ⅱ的計(jì)數(shù)加一，同時(shí)與另一設(shè)定數(shù)據(jù)n進(jìn)行比較，當(dāng)相等時(shí)計(jì)數(shù)器Ⅰ、Ⅱ同時(shí)清0，重新開始計(jì)數(shù)。

讀地址序列產(chǎn)生器

　　讀地址產(chǎn)生結(jié)果由數(shù)據(jù)n與計(jì)數(shù)器Ⅰ每次的輸出數(shù)據(jù)相乘，再與計(jì)數(shù)器Ⅱ的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)相加而得到。產(chǎn)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(chǎn)生器設(shè)計(jì)

　　交織器采用“順序?qū)懭搿钡膶懙刂贩绞剑串a(chǎn)生“0,1,2 …,mn-1”的順序地址序列。因此寫地址序列產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)可由乘法器，比較器和計(jì)數(shù)器等宏單元模塊構(gòu)成（如圖4所示），寫地址具體產(chǎn)生說明如下：

寫地址序列產(chǎn)生器

　　首先8位計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘脈沖cp的驅(qū)動(dòng)下由初始狀態(tài)“00000000”開始遞增計(jì)數(shù)，產(chǎn)生的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)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(chǎn)生信號(hào)；另一路則送到比較器的一個(gè)輸入端，同乘法器輸出的結(jié)果進(jìn)行比較：當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)計(jì)數(shù)值小于乘法器計(jì)算結(jié)果時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)累加計(jì)數(shù)；而當(dāng)計(jì)數(shù)值等于乘法器的計(jì)算結(jié)果時(shí)，比較器產(chǎn)生中斷控制信號(hào)使得計(jì)數(shù)器清0，并重新開始計(jì)數(shù)。

2.4 讀寫使能控制設(shè)計(jì)

　　考慮到雙端口RAM對其內(nèi)部同一單元地址不能同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，因此，整個(gè)交織器設(shè)計(jì)需用讀寫使能控制電路用來對雙端口RAM的地址讀寫進(jìn)行控制，并同時(shí)決定讀寫發(fā)生器何時(shí)開始工作。由于雙端口RAM的讀、寫實(shí)現(xiàn)都是從零地址開始的，因而RAM內(nèi)的每個(gè)存儲(chǔ)單元的讀操作都應(yīng)在寫操作之后，從而保證每個(gè)讀出數(shù)據(jù)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(jì)數(shù)器、比較器和D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)：計(jì)數(shù)器與n m比較的結(jié)果作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值等于n m時(shí)，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)進(jìn)行一次反轉(zhuǎn)，即相當(dāng)于構(gòu)成了一個(gè)n m的分頻器電路。觸發(fā)器的輸出結(jié)果分成兩路：一路送到雙端口RAM的寫地址使能端；另一路經(jīng)過反相后送給讀地址使能端。這樣便可以使存儲(chǔ)器RAM在“n m”的地址空間范圍內(nèi)交替進(jìn)行“讀/寫”數(shù)據(jù)的操作。

讀寫使能控制電路

　　2.5 設(shè)計(jì)中的遇到的問題及解決辦法

　　交織器的設(shè)計(jì)中包含的運(yùn)算有相乘和相加，相乘會(huì)造成字長的變化。這便會(huì)帶來數(shù)據(jù)位數(shù)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(jìn)入乘法器的兩路數(shù)據(jù)均為8位，經(jīng)過乘法運(yùn)算后，數(shù)據(jù)位數(shù)會(huì)增加到16位，同時(shí)需要與來自計(jì)數(shù)器Ⅱ的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運(yùn)算。通常情況下多采取舍入或截尾的方法，即將16位數(shù)據(jù)的高8位字節(jié)舍去，這種方法的不足是當(dāng)m、n的乘積大于256（11111111H）時(shí)，數(shù)據(jù)的高8位不全為0，舍去會(huì)帶來輸出結(jié)果的錯(cuò)誤，因而可能造成交織器輸出碼字的錯(cuò)誤。因此，可采用“補(bǔ)位”的辦法，將輸入加法器的8位數(shù)據(jù)補(bǔ)成16位（在8位數(shù)據(jù)前補(bǔ)8位0），以增長位寬從而達(dá)到數(shù)位匹配的目的。

　　3 QuartusⅡ仿真結(jié)果及分析

?????? 交織器的仿真波形如圖6所示（其中“clk”為驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，“rden”、“wren”為讀、寫使能，“data”、“result”為輸入、輸出雙端口RAM的數(shù)據(jù)序列）：

Quartus

　　從QuartusⅡ波形仿真結(jié)果看到當(dāng)交織矩陣的m，n值為5和3時(shí)，雙口RAM的輸出數(shù)據(jù)為“0、5、10、1、6…”；當(dāng)m，n調(diào)整為8和 6后,雙口RAM的輸出為“0、8、16、24…”。可以看出，在任意選取不同的m值和n值后，交織器能夠根據(jù)分組交織的原理將輸入RAM的數(shù)據(jù)字或比特位流進(jìn)行交織，輸出所需的數(shù)據(jù)序列，達(dá)到了交織矩陣深度和寬度可控的目的。

　　4 小結(jié)

　　本文介紹了可針對不同交織需要的改進(jìn)型分組交織器FPGA設(shè)計(jì)，該交織器的主要特點(diǎn)是可根據(jù)信道中突發(fā)誤碼的長度、出現(xiàn)的頻率以及糾錯(cuò)碼的約束長度、糾錯(cuò)能力設(shè)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(fā)差錯(cuò)的能力也就越強(qiáng)，但m,n選得越大，也就需要越大的存儲(chǔ)空間，同時(shí)會(huì)引入更長的延時(shí)，所以應(yīng)根據(jù)數(shù)字通信系統(tǒng)的實(shí)際情況選擇合適的m值和n值。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):對傳統(tǒng)分組交織器進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)幀傳輸?shù)囊螅哂懈玫目剐诺劳话l(fā)錯(cuò)誤的能力。