摘 要： 針對固定碼長Turbo碼適應(yīng)性差的缺點，以LTE為應(yīng)用背景，提出了一種幀長可配置的Turbo編譯碼器的FPGA實現(xiàn)方案。該設(shè)計可以依據(jù)具體的信道環(huán)境和速率要求調(diào)節(jié)信息幀長，平衡譯碼性能和系統(tǒng)時延。方案采用“自頂向下”的設(shè)計思想和“自底而上”的實現(xiàn)方法，對Turbo編譯碼系統(tǒng)模塊化設(shè)計后優(yōu)化統(tǒng)一，經(jīng)時序仿真驗證后下載配置到Altera公司Stratix III系列的EP3SL150F1152C2N中。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)健可靠，并具有良好的移植性；集成化一體設(shè)計，為LTE標(biāo)準(zhǔn)下Turbo碼ASIC的開發(fā)提供了參考。
關(guān)鍵詞： Turbo碼；FPGA；LTE

LTE[1]（Long Term Evolution）是3GPP展開的對UMTS技術(shù)的長期演進計劃。LTE具有高數(shù)據(jù)速率、低延遲、分組傳送、廣域覆蓋和向下兼容等顯著優(yōu)勢[2]，在各種“準(zhǔn)4G”標(biāo)準(zhǔn)中脫穎而出，最具競爭力和運營潛力。運營商普遍選擇LTE，為全球移動通信產(chǎn)業(yè)指明了技術(shù)發(fā)展的方向。設(shè)備制造商亦紛紛加大在LTE領(lǐng)域的投入，其中包括華為、北電、NEC和大唐等一流設(shè)備制造商，從而有力地推動LTE不斷前進，使LTE的商用相比其他競爭技術(shù)更加令人期待。
Turbo碼[3]以其接近香農(nóng)極限的優(yōu)異糾錯性能被選為LTE標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼方案之一[4]。對Turbo編譯碼器進行FPGA集成設(shè)計，能夠加速LTE的商用步伐，具有廣闊的應(yīng)用前景。在不同的信道環(huán)境中，通信系統(tǒng)對信息可靠性和數(shù)據(jù)實時性具有不同的指標(biāo)要求，實際應(yīng)用中必須對二者進行適當(dāng)折中。因此，硬件設(shè)計一種糾錯性能與譯碼時延可靈活配置的Turbo碼編譯碼器更具商業(yè)價值。
Altera公司推出的功率優(yōu)化、性能增強的Stratix III系列產(chǎn)品采用了與業(yè)界領(lǐng)先的Stratix II系列相同的FPGA體系結(jié)構(gòu)，含有高性能自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)，支持40多個I/O接口標(biāo)準(zhǔn)，具有業(yè)界一流的靈活性和信號完整性。Stratix III FPGA和Quartus II軟件相結(jié)合后，為工程師提供了極具創(chuàng)新的設(shè)計方法，進一步提高了性能和效能[5]。Stratix III L器件邏輯單元較多，為幀長可配置Turbo碼編譯碼器的FPGA設(shè)計提供了便利條件。
Turbo碼的誤碼性能在很大程度上取決于信息幀長，信息幀越長，譯碼性能越好，代價是譯碼延時的增大?；谶@一點，本設(shè)計提出一種幀長可配置的Turbo碼編譯碼器的FPGA實現(xiàn)方案，詳細介紹了該系統(tǒng)中交織器的工作原理，并對時序仿真結(jié)果和功能實現(xiàn)情況進行了分析，為LTE標(biāo)準(zhǔn)下Turbo編譯碼專用集成芯片的開發(fā)提供了參考。
1 幀長可配置的Turbo編譯碼器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
LTE標(biāo)準(zhǔn)中，信道編碼主要采用Tail Biting（咬尾）卷積碼和Turbo編碼[4]兩種方案。其中Turbo碼碼率為1/3，由兩個生成多項式系數(shù)為(13，15)的遞歸系統(tǒng)卷積碼（RSC）和一個QPP（二次置換多項式）隨機交織器組成，采用典型的PCCC編碼結(jié)構(gòu)。
根據(jù)Turbo碼編譯碼結(jié)構(gòu)原理可知，信息幀長關(guān)鍵取決于交織深度的大小，如果交織器能夠根據(jù)不同幀長參數(shù)自動植入不同的交織圖樣，并對其他模塊進行相應(yīng)參數(shù)控制，即可實現(xiàn)設(shè)計功能。由此得到可配置Turbo編譯碼器的設(shè)計思想：在編譯碼之前，由鍵盤電路輸入信息幀長，系統(tǒng)據(jù)此對編譯碼器進行初始化，主要包括設(shè)置電路中存儲器的深度，計算、存儲交織圖樣，并通過LCD同步顯示幀長信息；初始化過程結(jié)束時輸出狀態(tài)標(biāo)志位，編譯碼器進入準(zhǔn)備狀態(tài)，一旦有數(shù)據(jù)輸入，即啟動編譯碼流程。由此得到Turbo編譯碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1的Turbo碼編譯碼器中，所有有關(guān)信息長度的參數(shù)均設(shè)置為輸入變量，包括存儲器深度、計數(shù)器周期等，以方便配置。
2 FPGA功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 交織模塊的設(shè)計
交織器是Turbo編譯碼器的主要構(gòu)成部分之一，其能否根據(jù)幀長參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的交織圖樣也是本設(shè)計的關(guān)鍵所在。LTE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定交織器采用QPP偽隨機交織方案，交織長度范圍為40~6 114，該方案對不同幀長產(chǎn)生不同的交織圖樣，能夠有效改善碼字的漢明距離和碼重分布。假設(shè)輸入交織器的比特序列為d0，d1，…，dK-1，其中K為信息序列幀長，交織器輸出序列d′0，d′1，…，d′K-1。則有：

參數(shù)f1和f2取決于交織長度K，具體值可參見參考文獻[4]。
傳統(tǒng)交織器的FPGA設(shè)計一般采用軟件編程的方法。根據(jù)通信協(xié)議，將所確定幀長的交織圖樣預(yù)先計算出來，生成存儲器初始化文件(.mif或.hex格式)載入到ROM中[6]。這樣雖然降低了硬件復(fù)雜度，卻不能自行配置編碼幀長，缺乏靈活性和通用性。因此，設(shè)計中將交織算法集成于FPGA內(nèi)部，需要改變信息幀長時啟動交織器重新計算交織地址存儲于RAM中。QPP交織器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2中，在系統(tǒng)初始化階段，由鍵盤電路采集輸入的信息幀長K，經(jīng)消抖處理，一路傳輸給LCD同步顯示模塊，另一路傳送到f1、f2運算單元，查表得到f1、f2的值，提供給交織算法集成模塊。
交織算法集成單元是交織器設(shè)計的核心部分。主要功能是根據(jù)LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及參數(shù)K、f1、f2，在時序控制模塊的約束下，計算交織地址。運算過程中，將FPGA不能綜合的對任意整數(shù)取余的運算，均轉(zhuǎn)化為固定次數(shù)的加減循環(huán)操作，在時鐘管理模塊的控制下，采取小時鐘計算、大時鐘輸出的措施，保證交織數(shù)據(jù)的正確讀取。
計算交織地址的同時產(chǎn)生寫入地址，將交織地址順序存儲到雙口RAM中，由此完成了交織器的主體設(shè)計。隨后發(fā)送握手信號，可以開始Turbo碼編譯碼流程。
因為并不是每幀信息編譯碼時都需要運行交織算法模塊，所以只是在初始化階段載入交織地址，使交織算法與編譯碼器分時工作。調(diào)用交織器模塊時只需將順序地址輸入到雙口RAM的讀地址端，便能得到既定幀長的QPP偽隨機交織地址，不會增加譯碼延時。得到交織圖樣以后即可進行交織、解交織過程[7]。
2.2 Turbo碼編碼器的設(shè)計
在完成交織模塊的基礎(chǔ)上對Turbo碼編碼器進行FPGA設(shè)計。Turbo碼編碼器由RSC（遞歸系統(tǒng)卷積碼）子編碼器、交織器、復(fù)接電路等構(gòu)成，硬件實現(xiàn)框圖如圖3所示。

系統(tǒng)初始化完畢后，交織器已存儲有對應(yīng)幀長的交織圖樣，編碼器首先接收到一幀信息存儲于RAM中，開始信號啟動編碼過程。在時鐘管理模塊和時序控制模塊的指引下，計數(shù)器產(chǎn)生順序地址，再按該順序地址訪問交織器得到交織地址，分別以順序地址和交織地址從存儲有信息序列的RAM中讀取數(shù)據(jù)進入對應(yīng)的RSC進行編碼，同時復(fù)接電路對信息位和校驗位進行并串轉(zhuǎn)換，一幀信息編碼完畢對子編碼器做歸零處理。
2.3 Turbo碼譯碼器的設(shè)計
Turbo碼譯碼器相對于編碼器來說硬件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，根據(jù)譯碼原理和交織器實現(xiàn)方式，得到譯碼器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

為節(jié)省硬件資源，本文設(shè)計的Turbo碼譯碼器采用子譯碼器單核復(fù)用的結(jié)構(gòu)模式。當(dāng)子譯碼器模塊作為子譯碼器1時，信息比特順序?qū)懭氪鎯ζ骱箜樞蜃x出到子譯碼器中，L_a2以交織地址寫入存儲器，順序地址讀出作為子譯碼器1的先驗信息，同時校驗位選擇yp1，子譯碼器1根據(jù)3個輸入進行SISO(軟輸入軟輸出)譯碼運算，得到新的L_a2及L_e；此后子譯碼器作為子譯碼器2，以交織地址將ys從存儲器中讀出，L_a2以順序地址寫入存儲器，交織地址讀出作為子譯碼器2的先驗信息，同時校驗位選擇yp2，子譯碼器2根據(jù)3個輸入進行SISO(軟輸入軟輸出)譯碼運算，得到新的L_a2及L_e，完成一次迭代。在滿足迭代停止準(zhǔn)則以后，將L_e解交織后進行硬判決，得到譯碼序列。
設(shè)計中，子譯碼器采用復(fù)雜度與性能折中的Max-Log-MAP譯碼算法。根據(jù)輸入的信息位、校驗位及先驗概率信息，在時序控制模塊的管理下，分別進行分支轉(zhuǎn)移度量、前向狀態(tài)度量、后向狀態(tài)度量和對數(shù)似然比的計算及存儲，以備下次譯碼運算調(diào)用。
依據(jù)初始化分支轉(zhuǎn)移度量值，由(13，15)RSC的籬笆圖，找出當(dāng)前時刻前向狀態(tài)度量與前一時刻前向狀態(tài)度量的對應(yīng)關(guān)系[7]，計算當(dāng)前時刻的前向狀態(tài)度量。依次遞推，為防止數(shù)據(jù)溢出范圍，每次迭代對其進行歸一化處理，得到實現(xiàn)框圖如圖5所示。后向狀態(tài)度量與前向狀態(tài)度量具有相似的運算結(jié)構(gòu)，只是逆向遞推而已。
由對數(shù)似然比的定義，將得到的分支轉(zhuǎn)移度量、前向狀態(tài)度量和后向狀態(tài)度量代入運算公式[8]，對3種輸入?yún)⒘窟M行組合運算，然后取出“1”路徑8種狀態(tài)中的最小值和“0”路徑8種狀態(tài)的最小值，做差即得到Max-Log-MAP算法中的對數(shù)似然比。迭代數(shù)次后進行輔助硬判決，解交織輸出即為傳回信宿的譯碼序列。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真結(jié)果分析
在Quartus Ⅱ開發(fā)工具上，以Stratix III 系列的EP3-
SL150F1152C2為配置平臺，用Verilog HDL語言對上述各功能模塊進行編程建模，調(diào)試統(tǒng)一后編譯綜合，得到編譯碼器主要硬件資源占用情況如表1所示。

建立波形文件，分別對Turbo碼進行時序仿真，得到信息幀長分別配置為128、512時，Turbo碼編碼器的仿真波形如圖6(a)、圖6(b)所示。''

圖6中，每幀碼字序列的結(jié)尾，都有12個系統(tǒng)尾比特，以使編碼器寄存器回歸全零狀態(tài)。經(jīng)多次驗證，與Matlab仿真數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果正確。
將編碼碼字量化后存儲于ROM中，提供給譯碼器進行時序仿真，得到信息幀長分別配置為128、512(碼字序列長度分別為396、1 548)時，Turbo碼譯碼器的仿真波形如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7中，譯碼器首先根據(jù)幀長設(shè)置初始化交織圖樣，然后對系統(tǒng)碼字解復(fù)接，得到信息序列（ys）、校驗位1（yp1）及校驗位2（yp2），與外信息（L_all）一起輸入子譯碼器進行SISO譯碼運算，迭代6次以后判決得到譯碼結(jié)果（decoderout）。
設(shè)置不同的信息幀長，經(jīng)多次仿真驗證，均能正確實現(xiàn)編譯碼功能。將程序下載配置到EP3SL150F1152C2中，利用VC軟件編寫測試窗口，進行測試。結(jié)果顯示，本設(shè)計可以利用外圍鍵盤電路自行輸入幀長，進行交織運算，得到交織圖樣，并能正確實現(xiàn)Turbo編譯碼功能，達到了設(shè)計要求。
本設(shè)計以LTE為應(yīng)用背景，實現(xiàn)了一種可根據(jù)信道環(huán)境現(xiàn)場配置幀長的Turbo編譯碼的硬件方案。將QPP交織算法集成于FPGA內(nèi)部，充分利用其時鐘頻率高、速度快的優(yōu)勢，減小了外圍接口電路消耗。在系統(tǒng)初始化時進行交織運算，先于Turbo編譯碼進程開始，兩者分時工作，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不會帶來額外的時延。所實現(xiàn)的Turbo碼編譯碼器是一種比較理想的通用型方案，為LTE標(biāo)準(zhǔn)下Turbo編解碼專用集成芯片的開發(fā)與推廣提供了參考。
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