基于FPGA的卷積碼譯碼器的方案

卷積碼是深度空間通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)中常用的一種差錯控制編碼。它克服了分組碼由于以碼塊為單位編譯碼而使分組間的相關(guān)信息丟失的缺點。（2，1，8）卷積碼在2G、3G通信系統(tǒng)中得到了廣泛的運用。CDMA/IS-95系統(tǒng)的前向信道[3]、CDMA20001x的前反向鏈路都使用了生成多項式為（561，753）碼率為1/2的（2，1，8）卷積碼。針對目前卷積碼譯碼器占用資源較多，最高工作頻率較低的缺點，本文設(shè)計了一種新的基于FPGA的（2，1，8）卷積碼譯碼器。該譯碼器工作頻率高，輸出時延小，占用資源少。

　　1? （2，1，8）卷積碼譯碼器的總體設(shè)計

　　本文所實現(xiàn)的（2，1，8）卷積碼譯碼器是基于維特比算法的硬判決譯碼器。整個系統(tǒng)分為啟動單元、中間處理單元、譯碼輸出單元3個單元模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。對（2，1，8）卷積碼譯碼器，啟動單元處理的是前8個輸入的碼字，中間處理單元處理的是后續(xù)輸入的碼字。譯碼輸出單元實現(xiàn)對譯碼器譯出碼字的輸出。本設(shè)計中，各狀態(tài)節(jié)點的路徑度量和幸存路徑均采用FPGA片內(nèi)的寄存器作為存儲主體，即采用的是寄存器交換法。這樣譯碼輸出時不用回溯，能極大提高譯碼器的譯碼速率。

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　　2? （2，1，8）卷積碼譯碼器各模塊設(shè)計

　　2.1 啟動單元模塊

　?。?，1，8）卷積碼譯碼器共有256個狀態(tài)節(jié)點。在處理前8個輸入碼字中的第i（i為大于0且小于9的整數(shù)）個碼字時，只需對其中的2i個狀態(tài)節(jié)點進(jìn)行處理，而且轉(zhuǎn)移至這2i個狀態(tài)節(jié)點的前一狀態(tài)節(jié)點都各僅有一個，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。因此并不需執(zhí)行比較和選擇操作。該單元的關(guān)鍵在于確定處理第i個碼元時，需對哪些狀態(tài)節(jié)點的幸存路徑和路徑度量值更新。經(jīng)分析可知：在第i個碼元處理結(jié)束后。當(dāng)且僅當(dāng)某節(jié)點對應(yīng)的狀態(tài)值的二進(jìn)制形式的低（8-k）位比特均為0，譯碼器才可能到達(dá)該狀態(tài)節(jié)點。據(jù)此本文設(shè)計了如下的一種巧妙方法確定某狀態(tài)節(jié)點是否能到達(dá)。設(shè)置一個8bit位寬的寄存器型變量sd0。其初始值置為0x7f，即將其最高位置為0，每處理完一個碼元，就將sd0右移一位，在判斷狀態(tài)值為i的節(jié)點是否需要處理時，將sd0與i進(jìn)行按位與運算，若其結(jié)果為0，則該狀態(tài)節(jié)點需被處理，否則，直接進(jìn)入對下一狀態(tài)節(jié)點的判斷處理。

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　　在計算各狀態(tài)節(jié)點的路徑度量BM時，本設(shè)計采取了如下方案。預(yù)先計算出（2，1，8）卷積碼的256個狀態(tài)在輸入為0時的編碼結(jié)果，并將其存儲在一個由256個位寬為2bit的寄存器組中。處理接收的卷積碼碼字時，首先計算出該碼字與（2，1，8）卷積碼的4個可能碼字00，01，10，11的不同的比特的位數(shù)。并分別存儲在對應(yīng)的4個2bit位寬的路徑度量寄存器l0,l1,l2,l3中。將狀態(tài)節(jié)點i和（i+128）的兩個路徑度量值分別記為BM0和BM1，節(jié)點i的BM0和BM1分別為編碼器處于狀態(tài)（2×i）和（2×i+1）且輸入為0時的輸出碼字與當(dāng)前時刻輸入碼字不同的比特數(shù)。節(jié)點（i+128）的BM0和BM1分別為編碼器處于狀態(tài)（2×i）和（2×i+1）且輸入為1時的輸出碼字與當(dāng)前時刻輸入碼字不同的比特數(shù)。且任何狀態(tài)節(jié)點的兩個路徑度量值BM0和BM1之和為2，據(jù)此就可得出各個狀態(tài)節(jié)點的BM0和BM1的值。

2.2 中間處理單元

　　中間處理單元的主體是加比選操作模塊。（2，1，8）卷積碼譯碼器處理完開始的８個碼元之后，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。此時，到達(dá)每個狀態(tài)節(jié)點的路徑有兩條，到達(dá)狀態(tài)節(jié)點i和i+128的兩條路徑分別來自節(jié)點2×i和2×i+1，其中i為小于128的自然數(shù)。對狀態(tài)i和i+128對應(yīng)節(jié)點的幸存路徑和路徑度量值的更新就是要比較節(jié)點2×i和2×i+1的在前一碼元處理結(jié)束后的路徑度量與它們轉(zhuǎn)移至狀態(tài)i和i+128時對應(yīng)的路徑度量之和，并取其中較小者。

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　　該單元需解決的一個關(guān)鍵問題就是路徑度量的溢出問題。若不對該問題進(jìn)行處理，隨著譯碼序列長度的增加，將根據(jù)各狀態(tài)的路徑度量寄存器存儲值的大小判斷各狀態(tài)路徑度量的相對大小發(fā)生錯誤，從而使得譯碼出錯。經(jīng)過對（2，1，8）卷積碼譯碼器網(wǎng)格圖的研究發(fā)現(xiàn)：硬判決時，256個狀態(tài)的路徑度量的最大值與最小值之差不會超過15，若用５比特位寬的寄存器型變量存儲各狀態(tài)的路徑度量，當(dāng)最大路徑度量值達(dá)到31即將溢出時，最小路徑度量值一定不小于16，此時將所有256個狀態(tài)節(jié)點的路徑度量值均減去16，這樣就解決了溢出問題。根據(jù)各狀態(tài)的路徑度量值的最高比特位是0還是1就可判斷其值是否大于等于16。