CN101060340B - 选择幸存路径累计度量位宽并防止该度量溢出的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种选择幸存路径累计度量位宽并防止幸存路径累计度量溢出的方法，包括：分支度量值正数化处理步骤，其通过在分支度量上加上一个统一的正值，使后面计算得到的累计度量值恒定为正数；选择幸存路径存贮合理位宽w_dis的步骤；以及，确定防止累计度量溢出的最佳减数的步骤。采用本发明所述方法设计出的电路，与现有常用的查找最大值、最小值技术相比，在电路设计上极为简单，相应电路规模也较小，克服常规电路需要级联许多比较选择器的缺点，减少了关键路径的长度，能使解码器的运行效率得到极大提高，在消费类芯片中，大规模生产时能产生非常可观的效果。

Description

选择幸存路径累计度量位宽并防止该度量溢出的方法 

技术领域

本发明涉及一种维特比(viterbi)硬件解码器中的设计方法，尤其是关于一种如何选择幸存路径累计度量位宽，并防止维特比解码器中幸存路径累计度量值溢出的方法。 

背景技术

现今，无线通讯工具(如手机、无线网卡等)得以迅速发展，从简单的通话、传真、到无线上网、视频接收，传输的速度、数据格式也千差万别。无线通讯和有线通讯的一个显著特点就是它的传输环境比较恶劣，所以无线通讯在传输信道处理是都要进行纠错编码处理，发送端发送经过卷积编码的数据，接收端采用viterbi解码器对相应数据进行解码。 

卷积码(n0，k0，m)是对每段k0长的信息组以一定的规则增加r0＝n0-k0个校验元，组成长度为n0的码段。n0-k0个校验元不仅与本段的信息元有关，而且与前m段的信息元有关。它的码率R＝k0/n0，m+1为编码的约束长度，通讯中用到的卷积码k0通常为1。 

现常见的硬件viterbi译码器在处理幸存路径累计度量上，基本上都是采用常规的简化寻找最大值电路(如中国专利CN1329411A：“多信道维特比译码装置及方法”，见图1)，也就是用多个比较器级联起来，采用流水方式来寻找最大或最小值，这种方法较为浪费电路规模，并且因为输出最大或最小值需要等待几个时钟周期，在一定程度上影响解码器的速度。同时大多数电路，因没有精确推算出累计度量的最小位宽，所以在累计度量位宽上盲目过大取值，电路上存在一些不必要的浪费。 

发明内容

本发明的目的是为viterbi设计提供一种选择幸存路径累计度量值位宽的合理方法，同时从宏观上确定累计度量值范围，从而节约了以往viterbi所需要的多个比较器，减少了减法电路所需要的位宽，降低了整个解码器的电路规模，提高了解码器的解码速率。 

本发明提供了一种选择幸存路径累计度量位宽并防止幸存路径累计度量溢出的方法，该方法应用于维特比硬件解码过程中，包括： 

分支度量值正数化处理步骤，其通过在分支度量上加上一个统一的正值，使后面计算得到的累计度量值恒定为正数； 

选择幸存路径存贮合理位宽w_dis的步骤；以及 

确定防止累计度量溢出的最佳减数的步骤。 

在本发明的一个具体实施例中，所述选择幸存路径存贮合理位宽w_dis的步骤包括： 

确定所有幸存路径累计度量值最大值和最小值的最大差值；以及 

确定幸存路径累计度量值的合理位宽以避免位宽过大。 

在本发明的一个具体实施例中，按照如下公式确定所有幸存路径的累计度量值中最大值和最小值的差值 

m^*n0^*(2^w-1) 

其中，m数值上等于卷积码的约束长度减一，n0为卷积码的码段长度，w为输入采样值位宽。 

在本发明的一个具体实施例中，所述确定防止累计度量溢出的最佳减数的步骤进一步包括： 

当累计度量值的最高位由零变1时，寻找一个范围内的最大的2幂次方，其中所述范围的下限为n0^*(2^w-1)，所述范围的上限为2^w_dis-1-m^*n0^*(2^w-1)； 

在能够找到所述范围内的最大的2幂次方的情况下将该最大的2幂次方作为减数，且在无法找到所述范围内的2幂次方的情况下将n0*2＾w作为减数。 

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。 

附图说明

图1用于显示常规viterbi查找最大值、最小值的比较法。 

图2是viterbi解码器整体框图，用于说明各个部分的连接关系。 

图3是acs蝶型运算单元示意图。它表明状态2k、2K+1所对应的幸存路径是从状态k、k+128所对应的幸存路径加上局部路径后，进行选择得到。 

图4用于显示与本发明相关模块间连线关系。 

图5采用本发明的一例防止累计度量溢出的ACS计算电路图。 

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如后。 

本发明所述的如何选择幸存路径累计度量位宽，并防止幸存路径累计度量溢出的方法包括： 

一、分支度量值正数化处理 

因为Viterbi解码的过程就是比较两条路径度量值的大小，选择其中较大值为幸存路径，所以将同一时刻所有分支度量值加上一个数或者减去一个数，并不影响解码结果。设输入采样值位宽为w，则处理前分支度量subdis的范围为： 

-n0^*2^w-1≤sub_dis≤n0^*(2^w-1-1) 

公式中n0为卷积码的码段长度。 

我们将分支度量上统一加上n0^*2^w-1，则分支度量值的范围为： 

0≤sub_dis≤n0^*(2^w-1) 

这样后面计算得到的累计度量值恒定为正数，避免了数值处理上的符号的不方便。这一步也可以采用变通方法实现：在计算累计度量值时，所有累计度量值都加上n0^*2^w-1，可达相同的效果。 

二、选择幸存路径存贮合理位宽w_dis，其进一步包括： 

1)确定所有幸存路径累计度量值最大值和最小值的最大差值。 

设t时刻所有幸存路径累计度量值的最大值为max_t，则根据图3(蝶型运算)，可知： 

t+1时刻，跟max_t所对应的两个幸存路径累计度量值的范围处于：max_t～max_t+n0^*(2^w-1) 

t+2时刻，跟max_t所对应的4个幸存路径累计度量值的范围处于： 

max_t～max_t+2^*n0^*(2^w-1) 

t+m时刻，所有幸存路径累计度量值的所处范围： 

max_t～max_t+m^*n0^*(2^w-1) 

因为t时刻是任意的，所以可以知道整个viterbi解码过程中，同一时刻所有幸存路径的累计度量值中最大值和最小值的差值为： 

m^*n0^*(2^w-1) 

公式中m数值上等于卷积码的约束长度减一。 

上面说的比较抽象，下面结合结合具体情况给以说明：比如对应于3GPPTS25.212标准中的1/3编码速率来说，它的n0＝3，m＝8，假设解码器输入的位宽为w＝8，则分支度量输入值的范围为：0至255。 

设t时刻，s0对应的幸存路径累计度量值为最大值max_t，则根据图3(蝶型运算)可知： 

t+1时刻，s0，s1状态对应的幸存路径累计度量值范围处于： 

max_t～max_t+3^*255 

t+2时刻，s0，s1，s2，s3状态对应的幸存路径的累计度量值范围处于： 

max_t～max_t+2^*3^*255 

t+3时刻，s0，s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7状态对应的幸存路径的累计度量值范围处于： 

max_t～max t+3^*3^*255； 

… … … …． 

t+8时刻，s0，s1，s2....s255，所有状态对应的幸存路径的累计度量值范围处于： 

max_t～max t+8^*3^*255 

此时，所有幸存路径累计度量中的最大值和最小值的差值为：8^*3^*255，这与直接用公式m^*n0^*(2^w-1)计算出的结果完全一致。 

2)确定幸存路径累计度量值合理位宽，避免位宽过大，造成不必要的浪费。幸存路径累计度量值中最大值和最小值的差值决定幸存路径累计度量值存贮RAM的最小位宽，它与采样位宽和约束长度直接相关。 

m^*n0^*(2^w-1)是同一时刻所有幸存路径中最大值和最小值的差值，viterbi解码只是比较幸存路径累计度量值的大小，将同一时刻所有幸存路径减去或加上相同的值，并不影响解码结果。所以存贮幸存路径累计度量值时，能将幸存路径取值范围限制在：0～m^*n0^*(2^w-1)是最理想的情况。设幸存路径存贮位宽为w_dis，满足公式： 

2^w_dis-1<m^*n0^*(2^w-1)<2^w_dis

中的位宽w_dis是累计度量值存贮的极限位宽。 

viterbi大部分因为约束长度较大，所以基本上都是采用串行计算，这就需要在前一时刻检测所有幸存路径的范围，在下一时刻才进行减法运算，所以选择幸存路径累计度量位宽时，需要加上局部路径度量的范围值，即采用串行解码时，累计度量值位宽必须满足下面公式： 

2^w_dis-1<m^*n0^*(2^w-1)+n0^*(2^w-1)<2^w_dis

运用上面公式设计viterbi电路时，需要监视所有幸存路径的取值范围，然后判别下一步是否做减法运算，典型做法是：采用流水线方式，查找幸存路径中的最大、小值，然后在下一时刻对所有幸存路径做减法运算。 

查找最大值、最小值需要周期，会造成解码过程中处理上的不连续，同时它需要许多比较选择电路。克服这些缺点的一种方法是增加累计度量值位宽，例如，可以将上部计算出来的位宽+1，所以后面的公式中中间项比前面的公式多出一个^*2，按照现有的公式，计算出来的w_dis比按照上面公式计算出来的w_dis大一。此时我们可以根据任何一个输入幸存路径累计度量值的最高位来判断出是否需要做减法运算，在时间处理上不需要任何等待周期。此时选择累计度量存贮位宽w_dis需要满足下列公式： 

2^w_dis-1<(m^*n0^*(2^w-1)+n0^*(2^w-1))^*2<2^w_dis

比如t时刻对应状态s0的幸存路径累计度量最高位为0，则可知此时 所以幸存路径的最大值不超过：2^w_dis-1+m^*n0^*(2^w-1)。 

若下一时刻，对应状态s0的幸存路径累计度量最高位为1，则可知所有幸存路径累计度量的取值范围为： 

2^w_dis-1-m^*n0^*(2^w-1)～2^w_dis-1+m^*n0^*(2^w-1)+n0^*(2^w-1) 

此时可以对所有幸存路径累计度量值做减法运算，以确保它不会溢出。 

三、确定防止累计度量溢出的最佳减数 

当某一状态对应的累计度量值的最高位由零变1时，此刻的所有累计度量值范围为： 

2^w_dis-1-m^*n0^*(2^w-1)～2^w-dis-1+m^*n0^*(2^w-1)+n0^*(2^w-1) 

所以减数的最大值为：2^w_dis-1-m^*n0^*(2^w-1)， 

最小值应该大于等于分支度量最大值，为：n0^*(2^w-1)。 

寻找满足上面条件的最大2的幂次方减数，这样w_dis位宽的减法器就变成高几位的减一运算。若找不到一个2的幂次方减数，最差的情况就是直接减去n0^*2＾w，n0一般为：2、3，n0为3时，也就高几位减去3。这样防止累计度量溢出最复杂的减法器，也就是高几位减去3这样一个减法器，比起常规电路减去最小值来说，减法电路要精减许多。 

按照上面所述方法，在设计viterbi解码器时，能避免盲目选择累计度量位宽造成不必要的逻辑电路浪费，同时，防止累计度量值溢出的处理电路极为简单，只是选用最先输入的幸存路径累计度量值的最高位(顺序计算的话，直接选择s0状态对应的累计度量值最高位)控制输入的2m个幸存路径度量值的高位是否做减1或3运算，即可达到防止累计度量值溢出的目的。 

采用本发明所述方法设计出的电路，与现有常用的查找最大值、最小值技术相比，在电路设计上极为简单，相应电路规模也较小，克服常规电路需要级联许多比较选择器的缺点，减少了关键路径的长度，能使解码器的运行效率得到极大提高，在消费类芯片中，大规模生产时能产生非常可观的效果。 

下面结合附图中显示的具体的例子对本发明的技术方案作进一步的详细描述。 

考虑这样的具体情况，即，要设计的viterbi是针对卷积编码(3,1,8)编码进行串行解码，且采样位宽w＝8。运用上述方法，可以先确定viterbi硬件电路的关键参数： 

第一步：分支度量值正数化处理。 

分支度量模块根据输入的三个采样数值(d0，d1，d2)，计算出8个分支度量的局部路径度量值，分支度量计算时，加上一个n0^*2^w-1＝3^*128＝384，这样就避免了以后所有幸存路径累计度量有可能出现负值的情况。 

sub_dis_001＝384+d3+d2-d1 

sub_dis_010＝384+d3-d2+d1 

sub_dis_011＝384+d3-d2-d1 

sub_dis_100＝384-d3+d2+d1 

sub_dis_101＝384-d3+d2-d1 

sub_dis_110＝384-d3-d2+d1 

sub_dis_111＝384-d3-d2-d1 

第二步选择幸存路径存贮合理位宽w_dis 

根据公式2^w_dis-1<(m^*n0^*(2^w-1)+n0^*(2^w-1))^*2<2^w_dis，得知幸存路径累计度量值位宽w_dis＝14。这里m＝8，，n0＝3，w＝8。 

第三步，确定防止累计度量溢出的最佳减数 

减数允许的最大值为：2w_^dis-1-m^*n0^*(2^w-1)＝2072 

减数允许的最小值为：n0^*(2^w-1)＝765 

可以很容易找到最大的2的幂次方减数：2¹¹＝2048 

图2是一个viterbi解码器的框架结构，其中C、D、H模块选用本发明中所述方法进行设计，它们之间的具体连线如图4所示，ACS计算模块更详细的结构见图5所示。下面对解码过程中C、D、H模块工作过程给以说明： 

1、  首先一个比特编码后的采样值d1,d2,d3输入到图4所示的分支路径度量C模块中，进行分支度量计算：计算公式如下： 

sub_dis_001＝384+d3+d2-d1 

sub_dis_010＝384+d3-d2+d1 

sub_dis_011＝384+d3-d2-d1 

sub_dis_100＝384-d3+d2+d1 

sub_dis_101＝384-d3+d2-d1 

sub_dis_110＝384-d3-d2+d1 

sub_dis_111＝384-d3-d2-d1 

计算出来的分支度量直接送给D模块。 

2、  对应一个比特，需要计算2^m(256)个幸存路径累计度量，此处采用串行计算方式进行，由k来控制顺序递增进行。k＝0时，计算s0、s1状态对应的累计度量值；k＝1时，计算s2、s3状态对应的累计度量值，......k＝127时，计算s254、s255状态对应的累计度量值。具体计算如图5所示： 

a)    k＝0时，输入对应状态S0和S128对应的两个幸存路径累计度量值distance_k、distance_k128，此时模块a锁存S0状态对应的累计度量值最高位distance_k[13]，模块c直接选择distance_k[13]作为控制减法使能信号sub_en，它直接控制模块d、h模块是否对输入的累计度量值减去 2048，也就是高三位是否做减一运算。同时e模块根据输入的k值，选择出相应的计算分支度量值dis_k_2k、dis_k128_2k、dis_k_2k1，dis_k128_2k1，它们和d、 h模块输出的distance_k_sub[13∶0]、distance_k128_sub[13∶0]进行加、比较、选择操作，输出下一步状态0、1所对应幸存路径累计度量值distance_2k、distance_2k1、和相应的路径选择结果trace_2k、trace_2k1，它们分别存贮于图2中的H、E模块中。 

b)    下一时钟节拍，k递增为1，ACS计算模块输入s1和s129对应的两个幸存路径累计度量值distance_k、distance_k128。上一时钟节拍模块a锁存的diantance_0[13]直接控制模块d、h是否做减法运算，从而得到distance_k_sub、distance_k128_sub，它与模块e选择出来的局部路径度量值直接进行加、比较、选择操作，从而输出状态2、3所对应的幸存路径累计度量值distance_2k_distance_2k1、和相应的路径选择结果trace_2k、trace_2k1。 

c)    k依次递增到127，相应得到状态4～255所对应的幸存路径累计度量值和相应的路径选择结果。这样一个比特对应的256个幸存路径累计度量和路径选择全部计算完毕。 

3、重新从1开始，进行下一比特的计算，直到所有比特计算完毕，这样就完成了viterbi解码过程中幸存路径累计度量计算和路径选择。Viterbi解码器中的回溯控制模块对路径选择结果进行回溯，就可以得到解码数据。 

可以看出采用本文所述的方法，在ACS计算过程中，防止幸存路径累计度量溢出的监视、控制、处理电路极为简单，设计出来的电路规模相应很小。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (4)

1.一种选择幸存路径累计度量位宽并防止幸存路径累计度量溢出的方法，该方法应用于维特比硬件解码过程中，其特征在于包括：

分支度量值正数化处理步骤，其通过在分支度量上加上一个统一的正值，使后面计算得到的累计度量值恒定为正数；

选择幸存路径存贮合理位宽w_dis的步骤；以及

确定防止累计度量溢出的最佳减数的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述选择幸存路径存贮合理位宽w_dis的步骤进一步包括：

确定所有幸存路径累计度量值最大值和最小值的最大差值；以及

确定幸存路径累计度量值的合理位宽以避免位宽过大。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于其中：

按照如下公式确定所有幸存路径的累计度量值中最大值和最小值的差值：

m*n0*(2^w-1)

其中，m数值上等于卷积码的约束长度减一，n0为卷积码的码段长度，w为输入采样值位宽。

4.如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于其中所述确定防止累计度量溢出的最佳减数的步骤进一步包括：

当累计度量值的最高位由零变1时，寻找一个范围内的最大的2幂次方，其中所述范围的下限为n0*(2^w-1)，所述范围的上限为2^w_dis-1-m*n0*(2^w-1)；

在能够找到所述范围内的最大的2幂次方的情况下将该最大的2幂次方作为减数，且在无法找到所述范围内的2幂次方的情况下将n0*2^w作为减数。

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