Turbo碼是近年來通信系統(tǒng)糾錯(cuò)編碼領(lǐng)域的重大突破,，他以其接近Shannon限的優(yōu)越性能博得眾多學(xué)者的青睞,。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，Turbo碼在各種標(biāo)準(zhǔn)中被普遍作為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道編碼方式,，如何實(shí)現(xiàn)高性能的Turbo碼譯碼器,，成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)開發(fā)中接收機(jī)基帶處理部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。Turbo譯碼" title="Turbo譯碼">Turbo譯碼器中的分量譯碼器的實(shí)現(xiàn)算法有SOVA算法,，Max-Log-Map算法和Log-Map算法,，其中SOVA算法復(fù)雜度最低，性能最差,；Log-Map算法性能最佳,，復(fù)雜度最大，本文采用基于Max-Log-Map的優(yōu)化譯碼算法,，對狀態(tài)量度歸一化計(jì)算和滑動(dòng)窗算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,，在滿足性能要求的情況下，大大降低算法復(fù)雜度,。

　　1 Turbo編碼器.譯碼器及算法

　　Turbo編碼器采用3G" title="3G">3GPP的編碼方案,，由約束長度K為4,，碼率為1／2的RSC編碼器通過1個(gè)交織器并行級聯(lián)而成,，為提高性能對2個(gè)譯碼器分別附加3個(gè)尾比特使譯碼器的最終狀態(tài)為全0。

　　譯碼器采用反饋迭代結(jié)構(gòu),，每級譯碼模塊除了交織器,，解交織器外主要包括兩個(gè)級聯(lián)的分量譯碼器；一個(gè)分量譯碼器的輸出的軟判決信息經(jīng)過處理成為外信息輸入另一個(gè)分量譯碼器,，形成迭代譯碼,，在迭代一定級數(shù)后硬判決輸出。

　　編碼網(wǎng)格表貫穿整個(gè)譯碼過程,，任意時(shí)刻k～k+1的RSC網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示,，圖中編碼器輸入的0～7狀態(tài)可以由二進(jìn)制表示。

　　下面介紹Max-Log-Map算法,。

　　由于需要進(jìn)行大量的乘法運(yùn)算和指數(shù)運(yùn)算,，Map算法不適用于硬件實(shí)現(xiàn)。Erfanian和Pasupanthy最早提出了Map算法在對數(shù)域的簡化算*og-Map算法,。通過轉(zhuǎn)換到對數(shù)域運(yùn)算,，避免了指數(shù)運(yùn)算，同時(shí)乘法變成加法,，而加法則變成Max運(yùn)算,，不過由此也會帶來了一定的性能損失。下面簡要描述Max-Log-Map算法,。設(shè)Ak(s),，Bk(s),，Γk(s)分別代表對數(shù)域的前向狀態(tài)度量、后向狀態(tài)度量和分支度量,，其表達(dá)式分別可表示為：

　　如圖3所示,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)s都對應(yīng)于一個(gè)Ak(s)，1個(gè)Bk(5)和2個(gè)Γk(s),。因此編碼網(wǎng)絡(luò)貫穿整個(gè)編譯碼過程,，譯碼前要先按圖3建立網(wǎng)格映射表。

　　2譯碼器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵改進(jìn)與優(yōu)化

　　Turbo碼譯碼是一個(gè)復(fù)雜的過程,，之所以這么說,，除了算法本身復(fù)雜外，還有兩個(gè)主要的原因,，一個(gè)是遞推計(jì)算過程中前,、反向度量不斷增大給信號處理器帶來的麻煩，即經(jīng)常說的溢出,；另一個(gè)是大存儲量需求,。這里，就這兩個(gè)細(xì)節(jié)問題進(jìn)行討論和總結(jié),，并且給出詳細(xì)解決方案,。

　　2.1狀態(tài)量度歸一化問題

　　由式(1)，式(2)可注意到,，隨著計(jì)算的不斷深入,，狀態(tài)量度值不斷增加，為防止計(jì)算溢出和減小硬件復(fù)雜度,，必須對其進(jìn)行歸一化處理,。一種方法是減去前一時(shí)刻狀態(tài)度量的最小值，這種方法在每個(gè)時(shí)刻都需要減法器和用于計(jì)算最小值的比較器,，當(dāng)狀態(tài)數(shù)較多時(shí),，由此帶來的額外的時(shí)延和硬件消耗是不能忽略的。本算法采用一種十分有效的歸一化方法(以Ak(s)為例),，在每個(gè)計(jì)算時(shí)刻,，判斷有沒有狀態(tài)度量值(A或B)大于某一門限值T，若有則所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)度量值(A或B)都減去T,，若沒有則保持原值不變,。這樣便大大減少了減法器使用的次數(shù)，也無需計(jì)算最小值,。由于所有的節(jié)點(diǎn)都減去了相同的值,，因此式(5)的結(jié)果不會受到影響。T值不宜設(shè)置太大，但設(shè)置得太小,，歸一化發(fā)生的很頻繁,，會增加譯碼時(shí)延和硬件開銷。通過試驗(yàn)仿真,，若q代表狀態(tài)量度值的量化字長,，則T設(shè)為2q-2為合適。

　　2.2 引入滑動(dòng)窗減小存儲量由于Turbo碼譯碼算法的迭代特性,，每一級Map譯碼器需要大量存儲器,。在譯碼時(shí)引入滑動(dòng)窗，能有效減少所需的存儲量,。采用滑動(dòng)窗的Map譯碼步驟為：每次譯碼過程被分為若干段以間隔L(假設(shè)滑動(dòng)窗的長度為L,，L《N)連續(xù)進(jìn)行，只需在對nL長的數(shù)據(jù)進(jìn)行前向處理后,，每個(gè)反向子處理過程即可執(zhí)行,，而未使用滑動(dòng)窗時(shí)，需要對整個(gè)數(shù)據(jù)塊處理后才能進(jìn)行,。實(shí)驗(yàn)證明,，滑動(dòng)窗大小選擇7～8倍的約束長度時(shí)對誤碼率的性能影響幾乎可以忽略。本算法中約束長度為4,，選擇窗口大小為32,。下面給出采用滑動(dòng)窗譯碼前后兩種算法存儲空間分配情況的比較。假設(shè)編碼幀長為L,，B表示窗口長度,，L為B的整數(shù)倍,。

　　按照表1,，這個(gè)存儲空間為26L，當(dāng)L=1K時(shí),，為26K,。如果我們采用分塊譯碼，按照表2,，那么整個(gè)譯碼的存儲需求為20B+8L,，B一般取編碼約束長度的5～10倍，對于8狀態(tài)編碼,，取B=32,，那么這個(gè)存儲空間為640+8L，與表1的26L相比要小的多,。

　　當(dāng)L=1K時(shí),，存儲空間只占原來的33.2％。當(dāng)編碼幀長L的取更大值時(shí)，存儲空間的節(jié)約更加可觀,，比較得知采用滑動(dòng)窗后,，Turbo譯碼能夠大大節(jié)省硬件的存儲資源。

 　　3 Turbo譯碼的DSP" title="DSP">DSP實(shí)現(xiàn)

　　3.1 TMS320C6416" title="TMS320C6416">TMS320C6416簡介

　　TM S320C6416是TI公司推出的功能強(qiáng)大的DSP產(chǎn)品,，他采用先進(jìn)的VelociTI結(jié)構(gòu),，將超長指令字VLIW結(jié)構(gòu)和高并行性結(jié)合起來，通過增加指令級的并行性使其性能有了較大的飛躍,。C6416的最高工作時(shí)鐘達(dá)到1 GHz,，指令周期僅為1 ns，最大處理能力可以達(dá)到9 000 MIPS,，比TMS320C62系列芯片性能高出15倍之多,，是當(dāng)前市場上最先進(jìn)的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。

　　片內(nèi)有8個(gè)可完全并行運(yùn)算的功能模塊(2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)邏輯單元),，他們分為相同的兩組,，屬于兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)數(shù)據(jù)通道與一組32個(gè)32位寄存器相連,，不同組的兩個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)交換是通過兩個(gè)寄存器組之間的交叉總線實(shí)現(xiàn),。典型片內(nèi)資源還包括1 MB的片內(nèi)RAM和一個(gè)32位的外部存儲器接口，可以支持多類型RAM,，包括同步隨機(jī)訪問存儲器(SDRAM)和同步突發(fā)靜態(tài)隨機(jī)存儲器SBSRAM等,。 DMA控制器包括4個(gè)可編程通道和一個(gè)輔助通道，能夠在內(nèi)存,、片內(nèi)輔助資源及外部器件之間以CPU的時(shí)鐘速率實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,，這種傳輸發(fā)生在CPU運(yùn)行后臺。CPU和DMA控制器對數(shù)據(jù)存儲器的操作可以按8位字節(jié),，16位半字或者32位字的長度進(jìn)行,。

　　3.2 用DSP實(shí)現(xiàn)Turbo譯碼器的優(yōu)化措施和技術(shù)

　　TMS320C6416的特殊結(jié)構(gòu)對編譯器和軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提出了很高的要求，軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化將成為整個(gè)系統(tǒng)性能的決定因素,，代碼的高度并行性將是獲得超強(qiáng)性能的關(guān)鍵,。采用流水線技術(shù)和功能模塊多重化技術(shù)是開發(fā)處理器的指令級并行性的兩個(gè)主要手段。C6416對指令獲取,、指令分配,、指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲等階段進(jìn)行了多級流水線的劃分,，不同指令執(zhí)行的流水延遲也不相等,，因此各種指令的安排要盡量不中斷指令流水執(zhí)行，同時(shí),，使盡可能多的功能模塊并行運(yùn)行,。

　　由于TMS320C6416芯片的結(jié)構(gòu)對于基于匯編語言的編程過于復(fù)雜,，這里采用C語言編寫主程序。Turbo譯碼采用并行算法,，為提高程序執(zhí)行效率,，充分利用Max-Log-Map譯碼算法的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對程序進(jìn)行寄存器級優(yōu)化：把Viusal C++實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)算法改為定點(diǎn)算法,，將前后向累積路徑度量計(jì)算的最內(nèi)層循環(huán)展開,，合理分配寄存器，使指令中參與運(yùn)算的寄存器盡量屬于同一個(gè)數(shù)據(jù)通道,，以減少交叉數(shù)據(jù)通道沖突,，對于訪問頻繁的變量，置成寄存器型,。同時(shí)利用功能強(qiáng)大TMS320C6416的C語言編譯器和優(yōu)化器對程序進(jìn)行全程優(yōu)化,，從而得到效率較高的代碼。

　　4測試結(jié)果及性能分析

　　首先在Visual C++6.0上完成信息比特的產(chǎn)生,，Turbo編碼和AWGN信道加噪通過DSP的RTDX(Real-Time Data Exchange)技術(shù),，把加噪后的信息比特送到TMS320C6416的EVM板上，測試其誤碼率和完成譯碼所花費(fèi)的周期,。譯碼器的許多參數(shù)都可以改變,，如編碼長度，滑動(dòng)窗大小，歸一化門限，迭代次數(shù)等,。這種靈活性便于滿足不同系統(tǒng)的需要，可移植性好,。本文系統(tǒng)仿真采用BPSK調(diào)制，在AWGN環(huán)境下傳輸，發(fā)送端Turbo編碼采用約束長度為4，生成矩陣為(15,，13)的分量譯碼器，交織算法為3GPP標(biāo)準(zhǔn)交織算法,，譯碼算法為Max-Log- Map算法,。

　　4.1 不同迭代次數(shù)

　　圖4為采用1／3碼率,，交織長度為1 024,，迭代3，4,，5次,，通過AWGN信道時(shí)的誤碼率曲線。從圖中可以看到,，隨著迭代次數(shù)的增加,，獲得的編碼增益越高,，但增加迭代次數(shù)會帶來系統(tǒng)延時(shí)和增加系統(tǒng)的譯碼復(fù)雜性。仿真充分說明了不同迭代次數(shù)對碼字糾錯(cuò)性能的改善程度,。

　　4.2 不同的交織長度

　　圖5采用1／3碼率,，不同交織長度，5次迭代通過AWGN信道的誤碼率曲線,。從圖5仿真結(jié)果看,，在同樣的碼率、生成矩陣,、交織算法和迭代次數(shù)條件下,，所取交織長度越長，對碼字中各個(gè)比特的交織距離就越大,，誤碼率性能就越好,，且隨著信噪比的增加，誤碼率性能改善越明顯,。但交織長度的增加也會帶來譯碼延時(shí)的增大和存儲量的增加,，所以應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)的要求來采用不同交織長度。

　　4.3 不同的碼率

　　圖6為1 024交織長度,，迭代譯碼5次,，1／2和1／3碼率的誤碼率曲線，從圖中可以看出碼率越低誤碼率性能越好,，但是隨著碼率的降低,，所需傳輸?shù)娜哂啾忍匾簿€性增加，對于固定的信息傳輸率而言,，會導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐率降低,，需求的帶寬增加。

　　4.4譯碼處理時(shí)間

　　采用5次迭代譯碼,，1 024交織長度,，1／3碼率的Max-Log-Map算法在TMS6416EVM板上用CCS軟件測試得到所需要的周期數(shù)為45 867 356個(gè)時(shí)鐘周期，而TMS320C6416EVM的主頻為1 GHz,，計(jì)算得到所花費(fèi)的時(shí)間大約為4.5 ms,，而在3G系統(tǒng)中最小延時(shí)為10 ms，所以滿足3G系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的要求,。

　　5結(jié)語

　　本文從譯碼算法和硬件存儲方法對Max-Log-Map算法進(jìn)行優(yōu)化,，使他在譯碼性能損失滿足要求的情況下，能大大降低算法復(fù)雜度,，減少運(yùn)算量和緩存器數(shù)量,。

　　實(shí)驗(yàn)表明，本文實(shí)現(xiàn)的Turbo碼在3G系統(tǒng)中具有良好的性能和實(shí)用價(jià)值,。