竇茂森，黃玉斌，何 鵬，張運福，歐 斌

（1.91404 部隊，河北 秦皇島 066000；2.重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

0 引 言

TMS320C6670（以下簡稱C6670）是TI 公司的一款新型Keystone 多核SoC 架構(gòu)DSP，主要針對領域為高性能無線基礎設備。C6670 功能強大，支持TD-SCDMA、TD-SCDMA、TDD-LTE、FDD-LTE及WiMAX 等無線標準協(xié)議，能夠達到兩路400 Mbps 的20-MHZ LTE 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力[1]。

TCP3D 是一款集成在C6670 中的可配置協(xié)處理器，支持3GPP、LTE 及WiMAX 三種協(xié)議的turbo 譯碼。LTE 模式下主要是針對的卷積turbo碼（以下簡稱CTC）譯碼。TCP3D 支持譯碼原生碼率1/3，迭代次數(shù)1 ～15 可選，譯碼碼塊大小40 ～8192 可選。C6670 中內(nèi)部集成了3 個TCP3D協(xié)處理器可并行進行譯碼，在LTE 工作模式下最高速率可達548 Mbps。本文主要針對在LTE 模式下TCP3D 的CTC 譯碼的實現(xiàn)[2]。TCP3D 協(xié)處理器基本結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 TCP3D 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 CTC 譯碼原理及譯碼算法

CTC 譯碼結(jié)構(gòu)采用的是軟輸入軟輸出（SISO）的迭代（Iteration）譯碼結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，是通過兩級結(jié)構(gòu)完全相同的子譯碼器間外信息的傳遞來提高譯碼性能。圖中，yka，ykb表示通過信道后接收到的信息比特值，yky，ykw表示接收到的校驗比特軟值，Li(uk)表示信息比特的后驗對數(shù)似然比，表示在兩級子譯碼器之間傳遞的外信息，表示由經(jīng)過交織或解交織得到的子譯碼輸入的先驗信息[3]。

譯碼器首先對未交織信息序列進行譯碼，子譯碼器1 接收信道輸出的信息比特軟值yka，ykb及校驗比特軟值yky1，ykw1，以及從第二級子譯碼器傳遞過來的先驗信息（首次迭代時為0）進行譯碼，譯碼后輸出信息比特的后驗對數(shù)似然比Li(uk)和外信息，經(jīng)過交織器傳遞給子譯碼器2 作為先驗信息。隨后，子譯碼器2 對交織后的信息序列進行譯碼，譯碼過程與子譯碼器1 完全一樣。這樣經(jīng)過多次迭代譯碼，最后對子譯碼器2 的輸出信息比特的后驗對數(shù)似然比Li(uk)進行解交織和硬判決得到譯碼結(jié)果。CTC 譯碼常用的譯碼算法有MAP（最大后驗概率）及其衍生的簡化算法Log-MAP及Max-Log-MAP 等。

圖2 CTC 迭代譯碼原理結(jié)構(gòu)

1.1 MAP 算法

MAP 算法是計算信息比特后驗對數(shù)似然比，求解公式如式（1）：

式中s′表示編碼器k-1 時刻的狀態(tài)，s表示編碼器k時刻的狀態(tài)；uk={uka,ukb}表示狀態(tài)從s′轉(zhuǎn)移到s的編碼器輸入信息序列，uk的取值集合為{0,1,2,3}。根據(jù)式（1）計算得到信息序列uk的硬判結(jié)果式（2）：

MAP 算法的具體實現(xiàn)步驟如下：

狀態(tài)度量α、β的初始化；

通過式（5）和式（6）配合初始化條件前后向遞推求得狀態(tài)度量αk(s)、βk-1(s′)；

將αk(s)、βk-1(s′)、的計算結(jié)合式（7）和式（1），得到信息比特的后驗對數(shù)似然比Li(uk)；

將Li(uk)結(jié)合式（2），得到硬判譯碼結(jié)果

MAP 譯碼性能非常優(yōu)秀，但因存在大量的指數(shù)和乘法運算，譯碼復雜度高，實現(xiàn)難度大。

1.2 Log-MAP 算法和Max-Log-MAP 算法

Log-MAP 算法是MAP 算法的一種轉(zhuǎn)換形式，相較MAP 算法更容易實現(xiàn)。Log-MAP 將MAP 算法中的變量都轉(zhuǎn)換為對數(shù)形式，將公式里的乘法運算轉(zhuǎn)換為了加法運算。

Max-Log-MAP 算法基于式（8）中的max 函數(shù)操作：

如果將式（8）中的右側(cè)的第二項去掉， Log-MAP 算法便轉(zhuǎn)換為Max-Log-MAP 算法。

Max-log-MAP 算法相較MAP 算法是一個數(shù)學轉(zhuǎn)換過程，一些重要的參數(shù)經(jīng)過對數(shù)變化和max 函數(shù)簡化后，得到其最終公式如式（9）、式（10）和式（11）：

其中l(wèi)nP(uk=i)由式（12）得到：根據(jù)式（9），式（10），式（11）所得計算所得參數(shù)，最終由式（13）得到后驗軟信息Li(uk)：

由于去掉了修正項，Max-Log-MAP 算法性能較Log-MAP 和MAP 算法有所惡化，但是復雜度進一步大大降低，更利于實現(xiàn)。如果對譯碼性能沒有極高的要求，工程實現(xiàn)中優(yōu)先選擇Max-Log-MAP算法。TCP3D 所使用的為Max-Log-MAP 算法

2 TCP3D 的工作特性及實現(xiàn)流程

為保證TCP3D 正確執(zhí)行高效的譯碼操作，有必要首先了解TCP3D 部分重要的工作特性。

2.1 工作特性

TCP3D 支持單buffer 模式、雙buffer 模式及分離模式如圖3 所示。

圖3 TCP3D 三種不同的工作模式

單buffer 模式下，TCP3D 為一個單套輸入buffer 和輸入配置寄存器的Turbo 譯碼器；雙buffer模式下，TCP3D 同時使用2 套輸入配置寄存器和輸入數(shù)據(jù)緩存器，對當前數(shù)據(jù)塊譯碼的同時，可以讀入下一個待譯碼數(shù)據(jù)塊，從而減少數(shù)據(jù)傳輸時延；在分離模式下，TCP3D 被配置成公用一個VBUS 接口的2 個獨立Turbo 譯碼器，可以同時對兩個數(shù)據(jù)塊進行譯碼。LTE 支持單buffer 模式和雙buffer 模式。

TCP3D 的交織表生成，可通過寄存器配置選擇由DSP 產(chǎn)生或者有TCP3D 內(nèi)部生成。一般情況下選用TCP3D內(nèi)部生成交織表，可降低DSP工作負擔，提高系統(tǒng)效率。

TCP3D 輸入數(shù)據(jù)格式為6 比特軟信息，最高比特為符號位，即數(shù)據(jù)范圍為-32 ～31。在LTE 模式下，輸入數(shù)據(jù)存放規(guī)則如圖4，還有一點必須注意，TCP3D 是一個小端對齊的處理器，當DSP 為小端對齊格式時，數(shù)據(jù)端對齊管理器對數(shù)據(jù)無影響。TCP3D 總是工作在小端對齊模式，所以輸入輸出數(shù)據(jù)也是小端對齊格式。

TCP3D 引入了滑動窗（SW）來限制存儲單元的數(shù)量來對數(shù)據(jù)塊的每一部分來進行譯碼。在WiMAX 和LTE 模式下，1 個數(shù)據(jù)塊被分為4 個等長的子數(shù)據(jù)塊，每個子數(shù)據(jù)塊再進一步的分割，得到長度可能相同也可能不同的小數(shù)據(jù)塊，即滑動窗?；瑒哟暗淖畲箝L度為128 個信息比特?；瑒哟翱梢苑譃镾W0，SW1 和SW2 三種。SW0 可以有多個，但是SW1和SW2只能有1個。SW0表示比特的數(shù)量，長度為{0, 16, 32, 48, 64, 96, 128}其中之一。SW0 的長度及數(shù)量，通過TI 規(guī)定的相關(guān)規(guī)則進行計算[4]，劃分細則如圖5 所示。

TCP3D 與DSP 內(nèi)部存儲器之間的數(shù)據(jù)交互是通過EDMA3 控制器進行的，這個數(shù)據(jù)傳輸過程并行于DSP 內(nèi)核。EDMA3 控制器控制4 類數(shù)據(jù)從系統(tǒng)存儲器到TCP3D 的傳輸，分別是：輸入配置寄存器參數(shù)、待譯碼信息LLR 值、觸發(fā)寄存器(如果為自動觸發(fā)模式則不需要)、交織地址(如果是選擇TCP3D 內(nèi)部交織，則不需要)。同時EDMA3 控制器控制3 類數(shù)據(jù)從TCP3D 到系統(tǒng)存儲器的傳輸，分別為譯碼輸出硬判決數(shù)據(jù)信息、譯碼輸出軟判決數(shù)據(jù)信息及輸出狀態(tài)寄存器參數(shù)[5]。

圖4 LTE 模式TCP3D 輸入數(shù)據(jù)存放規(guī)則

圖5 TCP3D 輸入數(shù)據(jù)子模塊劃分滑動窗規(guī)則

2.2 TCP3D 的實現(xiàn)流程

結(jié)合TCP3D 的特性，在LTE 模式下譯碼實現(xiàn)流程如圖6 所示。

首先進行系統(tǒng)復位，在確認TCP3D 復位之后， DSP 通過32-bit VBUS_CFG 接口執(zhí)行TCP3D 初始化；隨后DSP 準備完成待譯碼數(shù)據(jù)和譯碼參數(shù)，包括：軟信息LLR 的縮放、飽和處理及數(shù)據(jù)封裝；進行內(nèi)交織表參數(shù)、滑動窗長度及個數(shù)等輸入配置參數(shù)計算；接下來DSP 對EDMA3 進行初始化及配置，并通過128-bit VBUS_DMA 接口傳輸配置寄存器及包括系統(tǒng)碼、校驗碼0 及校驗碼1 的三路譯碼數(shù)據(jù)。譯碼開始后，EDMA3 通過寫觸發(fā)寄存器啟動TCP3D，TCP3D 開始進行碼塊譯碼；TCP3D 發(fā)送一個傳輸事件給EDMA3，準備將碼塊譯碼完成數(shù)據(jù)傳送出去；最后碼塊譯碼進程確認完成后，EDMA3產(chǎn)生中斷給DSP。如果有多個碼塊數(shù)據(jù)參與譯碼，在最后一個碼塊數(shù)據(jù)完成譯碼后，DSP 再發(fā)送中斷，至此結(jié)束了一次完整的譯碼流程[6]。

3 TCP3D 性能仿真測試

對TCP3D 的性能測試中，計劃測試四種碼率，對應四種不同的業(yè)務速率：300M，r1=2880/3808= 0.756；150M，r2=2880/3700=0.778；64M，r3=2880/4342= 0.663；32M：r4=2880/4156=0.692。圖7 是測試流程圖。

首先通過MATLAB 產(chǎn)生C6670 協(xié)處理器BCP發(fā)端輸入數(shù)據(jù)源并保存；隨之在工程板中BCP 的發(fā)模塊對數(shù)據(jù)源進行CTC 編碼及RM（交織刪余）處理，產(chǎn)生發(fā)端數(shù)據(jù)并采集，將采集數(shù)據(jù)在MATLAB中進行格式轉(zhuǎn)換并完成BPSK 調(diào)制，將調(diào)制完成數(shù)據(jù)進行AWGN 函數(shù)加噪并進行量化和極值截取處理；將處理完成數(shù)據(jù)在工程板的BCP 收模塊中對進行RD（解刪余解交織）處理；將RD 輸出數(shù)據(jù)作為TCP3D 輸入，在調(diào)試板中完成TCP3D 的譯碼并采集數(shù)據(jù)；最后將譯碼結(jié)果與初始MATLAB 產(chǎn)生數(shù)據(jù)源進行對比，統(tǒng)計誤碼個數(shù)，計算誤碼率，并結(jié)合的相應SNR 值、碼率和式（14），得出Eb/N0[7]:

最終得到BER-Eb/N0性能曲線圖如圖8 所示，曲線從左到右對應數(shù)據(jù)業(yè)務速率64M、32M、300M和150M。

圖8 TCP3D 不同業(yè)務速率對應的譯碼性能曲線圖

4 結(jié) 語

為實現(xiàn)TCP3D 譯碼，本文研究了CTC 譯碼原理及常用譯碼算法，結(jié)合TCP3D協(xié)處理器工作特性，總結(jié)出了其調(diào)用實現(xiàn)流程，最終實現(xiàn)其LTE 模式下的CTC 譯碼工作并進行了性能測試。測試結(jié)果表明，LTE 模式下TCP3D 譯碼性能非常理想，與LTE 協(xié)議描述的CTC 譯碼性能基本一致。