劉暢

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

Turbo譯碼器低功耗設(shè)計(jì)

劉暢

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

Turbo譯碼器由于其接近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能而被現(xiàn)代通信系統(tǒng)所廣泛使用。在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中，考慮到功耗和譯碼延遲的存在，本文基于TD-SCDMA系統(tǒng)的Turbo譯碼器，對(duì)迭代譯碼性能進(jìn)行了仿真，并對(duì)通過(guò)CRC校驗(yàn)進(jìn)行找停的機(jī)制進(jìn)行了仿真，對(duì)整個(gè)TD-SCDMA系統(tǒng)有很大的應(yīng)用價(jià)值。

TD-SCDMA；Turbo碼；迭代譯碼；數(shù)字信號(hào)處理

上世紀(jì)90年代ICC會(huì)議上提出了一種重復(fù)迭代（Turbo）的并行級(jí)聯(lián)譯碼方式，通過(guò)軟輸入/輸出的方式實(shí)現(xiàn)了接近香農(nóng)極限的優(yōu)良性能，從而被現(xiàn)代通信系統(tǒng)廣泛采用。Turbo碼的一個(gè)重要特點(diǎn)就是采用了迭代譯碼的思想，在迭代的過(guò)程中，隨著迭代次數(shù)的增加譯碼性能會(huì)相應(yīng)的增加，誤碼率也會(huì)隨之減少，但是過(guò)高的迭代次數(shù)會(huì)帶來(lái)大量的功耗和譯碼延遲。本文基于TD-SCDMA系統(tǒng)的Turbo譯碼器，通過(guò)對(duì)不同迭代次數(shù)下的譯碼性能仿真，提出了一種新的迭代找停準(zhǔn)則。

1 Turbo編碼器與譯碼器結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA系統(tǒng)中的Turbo編碼器是一個(gè)并行級(jí)聯(lián)卷積碼（PCCC），包括一個(gè)2分支8狀態(tài)編碼器和一個(gè)Turbo碼內(nèi)交織器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖 1 碼率為1/3的Turbo編碼器結(jié)構(gòu)圖

Turbo譯碼器采用迭代譯碼的思想和軟輸入/軟輸出（SISO）的譯碼器結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖 2 Turbo譯碼器結(jié)構(gòu)圖

Turbo碼迭代譯碼器中的兩個(gè)分量譯碼器的輸入為系統(tǒng)信息Ys、校驗(yàn)信息Yp和先驗(yàn)信息La，其中先驗(yàn)信息La是另一個(gè)分量譯碼器產(chǎn)生的外信息Le經(jīng)過(guò)交織或解交織后的對(duì)數(shù)似然比。第一次迭代時(shí)，La=0，經(jīng)過(guò)分量譯碼器1后產(chǎn)生外信息Le1，經(jīng)過(guò)交織進(jìn)入分量譯碼器2，產(chǎn)生的外信息Le2經(jīng)過(guò)解交織后反饋?zhàn)鳛榉至孔g碼器的先驗(yàn)信息輸入，完成一次迭代譯碼。

隨著迭代次數(shù)的增加，兩個(gè)分量譯碼器得到的外信息對(duì)譯碼性能提高的作用越來(lái)越小，在達(dá)到一定的迭代次數(shù)后，譯碼性能不再提高。這時(shí)將分量譯碼器2的輸出對(duì)數(shù)似然比經(jīng)過(guò)解交織后再進(jìn)行硬判決，就可以得到譯碼輸出。從Turbo碼的迭代譯碼結(jié)構(gòu)可以看出，最大的特點(diǎn)在于它采用了迭代譯碼，通過(guò)兩個(gè)分量譯碼器之間外信息的交換來(lái)提高譯碼性能。

2 不同迭代次數(shù)的仿真

通過(guò)上文對(duì)迭代次數(shù)的分析，可以看出每次迭代將經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算，包括交織器等。在硬件設(shè)計(jì)中，考慮到算法的復(fù)雜度，以及譯碼延遲和功耗的制約，必須對(duì)迭代次數(shù)進(jìn)行控制。圖3為T(mén)D-SCDMA系統(tǒng)中的Turbo譯碼器鏈路在不同迭代次數(shù)時(shí)的性能曲線（BER），仿真環(huán)境為：編碼端輸入的TB塊長(zhǎng)度為200比特，調(diào)制方式為QPSK，CRC長(zhǎng)度為8比特，打孔率為0，傳輸間隔TTI為20ms，擴(kuò)頻因子SF為8，信道為AWGN信道。

圖 3 不同迭代次數(shù)時(shí)的Turbo譯碼器性能仿真

圖中從左到右分別為迭代次數(shù)為2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次的BER曲線?？梢钥闯?，隨著迭代次數(shù)的增加，Turbo譯碼器的性能得到顯著提高（10次迭代比2次迭代在相同仿真環(huán)境下增益約為2.2DB）。然而性能增益并非隨著迭代次數(shù)的增加而線性提高，例如3次迭代要比2次迭代性能增益約0.9DB，而10次迭代僅比9次迭代性能增益約0.1DB。所以在譯碼器的最大迭代上限設(shè)置時(shí)，沒(méi)必要追求大量迭代，而是應(yīng)根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)需求設(shè)置合理的迭代上限。本設(shè)計(jì)中的Turbo譯碼器采用最大迭代次數(shù)為10次的上限設(shè)置。

3 基于CRC校驗(yàn)的找停準(zhǔn)則

CRC校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check）即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼。CRC校驗(yàn)的基本原理是在發(fā)端收到長(zhǎng)度為K位的信息碼后，從第K+1位拼接長(zhǎng)度為R位的校驗(yàn)碼，該校驗(yàn)碼通過(guò)信息碼與不同格式的CRC生成多項(xiàng)式進(jìn)行按位異或得出，具體的多項(xiàng)式除法原則為從輸入序列的高位開(kāi)始異或計(jì)算，若首位為0，則右移至第一個(gè)非0的信息位，再次計(jì)算，直至計(jì)算出長(zhǎng)度為R的校驗(yàn)序列。收端做同樣的運(yùn)算，若得出的R位校驗(yàn)碼與譯碼器輸出的校驗(yàn)碼一致，則表示譯碼正確。

現(xiàn)對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)的CRC校驗(yàn)復(fù)雜度進(jìn)行分析，假設(shè)輸入長(zhǎng)度為K，生成多項(xiàng)式長(zhǎng)度為G（G=9，13，17，25），考慮多項(xiàng)式除法高位為0時(shí)的移位，但由于信息序列是隨機(jī)的，無(wú)法得出具體的0比特比例，則粗略估計(jì)對(duì)于長(zhǎng)度為K的輸入序列，至少應(yīng)做K*G次異或運(yùn)算。

假設(shè)在Turbo譯碼器中加入如下設(shè)計(jì)：在每次迭代后加入硬判決和CRC校驗(yàn)。先對(duì)軟輸出信息進(jìn)行硬判決，將硬判決得到的譯碼比特輸入CRC校驗(yàn)?zāi)K，若校驗(yàn)正確，則停止迭代。同時(shí)，設(shè)置譯碼器的最大迭代次數(shù)為10次，若迭代次數(shù)超過(guò)10次，則停止迭代，無(wú)論對(duì)錯(cuò)都輸出硬判決后的譯碼比特信息。

基于上文假設(shè)，圖4對(duì)不同擴(kuò)頻因子下的CRC找停準(zhǔn)則進(jìn)行了迭代次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。仿真環(huán)境為：編碼端輸入的TB塊長(zhǎng)度為200比特，調(diào)制方式為QPSK，CRC長(zhǎng)度為8比特，打孔率為0，傳輸間隔TTI為20ms，信道為AWGN信道。

圖 4 不同SF時(shí)的CRC找停準(zhǔn)則迭代次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5是在相同仿真環(huán)境下有CRC找停機(jī)制的譯碼算法和無(wú)CRC找停機(jī)制的原始譯碼算法的性能（BER）仿真。仿真環(huán)境為：編碼端輸入的TB塊長(zhǎng)度為200比特，調(diào)制方式為QPSK，CRC長(zhǎng)度為8比特，打孔率為0，傳輸間隔TTI為20ms，擴(kuò)頻因子SF為8，信道為AWGN信道。

通過(guò)對(duì)圖4和圖5的分析可以得出以下結(jié)論：在信道環(huán)境較好的情況下，通過(guò)CRC找停準(zhǔn)則進(jìn)行迭代次數(shù)的控制，可以使迭代次數(shù)自適應(yīng)的減少，最終收斂于1次迭代；而在信道環(huán)境較差的情況下，CRC找停準(zhǔn)則將做大量迭代，有悖于降低復(fù)雜度的出發(fā)點(diǎn)，這時(shí)將采取最大迭代次數(shù)的上限控制進(jìn)行迭代的停止（本設(shè)計(jì)中的最大迭代次數(shù)設(shè)置為10次迭代）。而在迭代次數(shù)為[1，10）的區(qū)間內(nèi)，由于CRC找停準(zhǔn)則的核心思想是判別對(duì)了才停止迭代，結(jié)合BER曲線，可以看出性能并未受到惡化。

圖 5 相同仿真環(huán)境下CRC找停準(zhǔn)則與原始算法性能仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

CRC找停準(zhǔn)則能夠使譯碼器自適應(yīng)的控制迭代次數(shù)，通過(guò)減少迭代的方式降低復(fù)雜度，從而減少功耗和譯碼延遲，通過(guò)硬件仿真可以發(fā)現(xiàn)，利用本文提出的CRC找停準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)將減少28%左右的功耗。但由于CRC校驗(yàn)每次操作仍需做大量運(yùn)算，所以CRC找停準(zhǔn)則僅在信道環(huán)境較好時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，因此結(jié)合最大迭代次數(shù)的上限設(shè)置，控制信道環(huán)境較差時(shí)的迭代上限，從而使CRC找停準(zhǔn)則更為完善。

[1]Berrou C，Glavieux A.Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding：Turbo Codes.IEEE Trans.Commun，vol.44，1996，（10）：1261-1271

[2]3GPP TS 25.222 V10.2.0 3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group Radio Access Network，Multiplexing and Channel Coding（TDD）（Release4）.2011-12.

[3]王新梅，肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼——原理與方法[M].西安：西安電子技術(shù)大學(xué)出版社.

[4]劉東華.Turbo碼原理應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.

[5]李小文.TD-SCDMA.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

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1671-0037（2014）03-58-2

劉暢（1986-），男，碩士研究生，研究方向：數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)以及通信系統(tǒng)基帶信號(hào)處理方面的研究。