CN102611464B - 基于外信息并行更新的Turbo译码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于外信息并行更新的Turbo译码器，包括第一分量译码器和第二分量译码器，每个分量译码器中均含有数量与码字长度K相等的网格及外信息更新单元；每个译码时钟，两个分量译码器均以惯序的方式进行网格信息更新，并分别产生K个外信息；所述第一分量译码器每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成第二分量译码器在下一个译码时钟所需要的外信息；第二分量译码器每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成第一分量译码器在下一个译码时钟所需要的外信息；外信息以并行的方式在两个分量译码器之间进行传递和更新，译码过程中不需要专门的存储器在译码过程中保存网格信息和外信息，无存储容量需求，能有效缩短解码延时。

Description

基于外信息并行更新的Turbo译码器

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于外信息并行更新的Turbo译码器。

背景技术

纠错编码是数字通信系统的重要组成部分。1948年，香农的“通信中的数学理论”一文提出了著名的有噪信道编码原理，奠定了差错控制码的基石。自20世纪40年代以来，有关纠错编码技术的研究已经取得了很多骄人的成果。在1993年的国际通信会议(ICC’93)上，法国不列颠通信大学的Claude Berrou教授等提出了Turbo码方案。该编码方式由于很好的运用了香农信道编码定理中的随机性编译码条件而获得了几乎接近香农理论极限的译码性能。

Turbo码的译码算法有很多中，其中基于BCJR算法(由Bahl、Cocke、Jelinek和Raviv于1974年提出)的MAP(Maximum a posteriori probability)算法应用范围最为广泛。为了便于实现MAP算法进行了相应的改造形成了log_MAP和MAX_log_MAP等实现形式。由于Turbo码卓越的性能，它一直是工业界和学术界的研究热点。Turbo码已经被3gpp、3gpp2和LTE等移动通信系统标准所采用，成为这些系统中的信道纠错编码方案。

虽然MAP算法有着非常优越的性能，但是由于MAP算法采用迭代方式进行运算，而且每次迭代运算中必须进行前向和反向的网格信息(metrics)逐个符号地进行搜索和更新，待完成整个码字前向和反向的网格信息更新后，才能计算用于下一次迭代的外部信息，因此解码时较延长。除了待解码的样值信息需要保存外，前向和反向网格信息以及用于迭代的外部信息在解码过程中都需要进行保持和更新，如果Turbo码的状态空间较大时，保存这些信息的存储器空间会变得非常庞大，数据交换量巨大。

因此，MAP算法在利用超大规模集成电路技术(VLSI)进行实现时，其面临有解码时延、存储容量需求等挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于外信息并行更新的Turbo译码器，其网格信息在网格及外信息更新单元MEU(Metrics and Extrinsic information Update)之间惯序传递，而外信息在两个分量译码器之间并行传递，译码过程中不使用独立的存储器来保存每个分量译码器产生的外信息和网格信息。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于外信息并行更新的Turbo译码器，所述译码器包括第一分量译码器和第二分量译码器，每个分量译码器中均含有数量与码字长度K相等的网格及外信息更新单元MEU；

每个译码时钟，所述第一分量译码器和第二分量译码器均以惯序的方式进行网格信息更新，并分别产生K个外信息；

所述第一分量译码器每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成第二分量译码器在下一个译码时钟所需要的外信息；所述第二分量译码器每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成第一分量译码器在下一个译码时钟所需要的外信息；外信息以并行的方式进行传递和更新。

其中，在译码过程中：所述第一分量译码器的第K-1个MEU的前向网格信息输出，作为第二分量译码器第0个MEU的前向网格信息的输入；第一分量译码器的第0个MEU的后向网格信息输出，作为第二分量译码器第K-1个MEU的后向网格信息的输入；

所述第二分量译码器的第K-1个MEU的前向网格信息输出，作为第一分量译码器第0个MEU的前向网格信息的输入；第二分量译码器的第0个MEU的后向网格信息输出，作为分量译码器第K-1个MEU的后向网格信息的输入。

其中，每个网格及外信息更新单元MEU包括：边信息计算单元、前向网格信息更新单元、后向网格信息更新单元、外信息更新单元和译码判决输出单元，在每一个译码时钟：

所述边信息计算单元，用于根据待译码信息第K个信元的系统码和校验码软信息及来自另一个分量译码器的对应第k个信元的外信息，计算产生第一边信息和第二边信息；

所述前向网格信息更新单元，用于根据第k级MEU输出的前向网格信息和所述边信息计算单元输出的第一边信息，计算产生本MEU输出的前向网格信息；

所述后向网格信息更新单元，用于根据第k+1级MEU输出的后向网格信息和所述边信息计算单元输出的第一边信息，计算产生本MEU输出的后向网格信息；

所述外信息更新单元，用于根据所述边信息计算单元输出的第二边信息、所述前向网格信息更新单元输出的前向网格信息、和所述后向网格信息更新单元输出的后向网格信息，计算产生本MEU输出的外信息；

所述译码判决输出单元，用于根据所述边信息计算单元输出的第一边信息、所述前向网格信息更新单元输出的前向网格信息、和所述后向网格信息更新单元输出的后向网格信息，计算产生符号判决输出信息。

优选的，所述Turbo译码器的MEU采用MAP算法、log-MAP算法、MAX-log-MAP算法之一进行信息更新。

优选的，所述Turbo译码器以专用集成电路、可编程逻辑门阵列和可编程通用微处理器电路之一的形式实现。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)、由于外信息在两个分量译码器之间并行传递，每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成下一个译码时钟所需要的外信息，无等待过程，解码延时小；

2)、本发明每一个译码时钟都会并行地更新一次外信息，网格信息在MEU之间惯序传递，而外信息在两个分量译码器之间并行传递，本发明的Turbo译码器不需要专门的存储器在译码过程中保存网格信息和外信息，无存储容量需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例Turbo译码器结构示意图；

图2为本发明实施例Turbo译码器中网格及外信息更新单元MEU的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的基于外信息并行更新的Turbo译码器设计方案，根据MAP算法或其改进算法实现Turbo译码，本发明所设计的Turbo译码器有两个分量译码器，每个分量译码器有数量与码字长度K相等的网格及外信息更新单元(MEU，Metrics and Extrinsic information Update)。将待译码的信息分别送到对应的MEU，每一个译码时钟每个MEU均根据待译码的信息和来自另一个分量译码器相应的MEU输出的外信息，产生新的前向网格信息、后向网格信息和外信息；其中前向网格信息以码字从头到尾的方向在各MEU间逐次传递，(即第i个MEU输出作为第i+1个MEU的输入以进下一个译码时钟的信息更新)；后向网格信息以码字从尾到头的方向在各MEU间逐次传递，(即第i个MEU输出作为第i-1个MEU的输入以进下一个译码时钟的信息更新)；而每个分量译码器产生的K个外信息在两个分量译码之间进行并行交换，并用于下一个译码时钟的相应MEU的信息更新。外信息的并行交换根据Turbo码的交织图案进行。因此本发明每一个译码时钟都会并行地更新一次外信息，网格信息在MEU之间惯序传递，而外信息在两个分量译码器之间并行传递，本发明的Turbo译码器不需要专门的存储器在译码过程中保存网格信息和外信息。

本发明实施例中，所述Turbo译码器的MEU可以采用MAP算法、log-MAP算法、MAX-log-MAP算法之一进行信息更新。

参见图1，为本发明设计的Turbo译码器结构示意图，所述Turbo译码器包括第一分量译码器101和第二分量译码器102，每个分量译码器中均含有数量与码字长度K相等的网格及外信息更新单元MEU104；

每个译码时钟，所述第一分量译码器101和第二分量译码器102均以惯序的方式进行网格信息更新，并分别产生K个外信息，即分量译码器中的各网格及外信息更新单元MEU104所产生的网格信息α_k和β_k分别向前和向后传递给下一个MEU，各MEU所产生的K个外信息输出到连线交叉网络103。

所述第一分量译码器101每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络103，形成第二分量译码器102在下一个译码时钟所需要的外信息；所述第二分量译码器102每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络103，形成第一分量译码器101在下一个译码时钟所需要的外信息；外信息以并行的方式进行传递和更新。

具体为：第一分量译码器101根据待译码的信息(其中x_k为系统码信息，y_k为校验码信息)和经连线交叉网络103重新排序后的第二分量编码器102输出的K个外信息，每个时钟进行一次信息更新计算，各网格及外信息更新单元MEU104所产生的网格信息α_k和β_k分别向前和向后传递给下一个MEU；第一分量译码器101各MEU所产生的K个外信息输出到连线交叉网络103，形成第二分量译码器102在下一个译码时钟所需要的外信息。

而第二分量译码器102根据待译码的信息(其中x’_k为系统码信息，y’_k为校验码信息)和经连线交叉网络103重新排序后的第一分量编码器101输出的K个外信息，每个时钟进行一信息更新计算，各MEU104所产生的网格信息112和113分别向前和向后传递给下一个MEU104；所述第二分量译码器102各MEU所产生的K个外信息输出到连线交叉网络103，形成第一分量译码器101在下一个译码时钟所需要的外信息；如此进行信息更新到译码结束。

其中，在译码过程中：所述第一分量译码器101的第K-1个MEU的前向网格信息输出105，作为第二分量译码器102第0个MEU的前向网格信息的输入；第一分量译码器101的第0个MEU的后向网格信息输出108，作为第二分量译码器102第K-1个MEU的后向网格信息的输入。所述第二分量译码器102的第K-1个MEU的前向网格信息输出107，作为第一分量译码器101第0个MEU的前向网格信息的输入；第二分量译码器102的第0个MEU的后向网格信息输出106，作为第一分量译码器101第K-1个MEU的后向网格信息的输入。

参见图2，为本发明实施例Turbo译码器中网格及外信息更新单元MEU的结构示意图。所述MEU包括边信息计算单元Γ201、前向网格信息更新单元A202、后向网格信息更新单元B203、外信息更新单元Extr204和译码判决输出单元Dec单元205。

所述边信息计算单元201在每一个译码时钟，根据待译码信息第K个信元的系统码软信息x_k和校验码软信息y_k及来自另一个分量译码器的对应第k个信元的外信息LLe_k，根据下面公式计算产生第一边信息γ_k和第二边信息

${\mathrm{\γ}}_k(s^{\′},s)=p(s_k=s/s_{k-1}=s^{\′})=\exp [\frac{1}{2}{\mathrm{ds}}_k({\mathrm{LLe}}_k+L_c{x}_k)+\frac{1}{2}{L}_{c}d{p}_k{y}_k]=\exp \left[\frac{1}{2}{\mathrm{ds}}_k({\mathrm{LLe}}_k+L_c{x}_k)\right]\·{\mathrm{\γ}}_k^e(s^{\′},s)$

${\mathrm{\γ}}_k^e(s^{\′},s)=\exp \left(\frac{1}{2}{L}_c{\mathrm{dp}}_k{y}_k\right);$

其中，x_k和y_k分别为从信道接受第k个信元的系统码和校验码软信息；ds_k和dp_k分别第k步搜索从状态s′到状态s根据状态转移图得到的系统和校验信息；LLe_k是来自另一个分量译码器对应第k个信元的外信息；L_c为信道信息，决定于信道噪声；s∈S，s′∈S，S为Trubo码的状态空间。

所述前向网格信息更新单元202，在每一个译码时钟，根据第k级MEU输出的前向网格信息α_k和所述边信息计算单元201输出的第一边信息γ_k，根据下列公式计算产生本MEU输出的前向网格信息α_k+1：

${\mathrm{\α}}_{k+1}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{s^{\′}}{\mathrm{\α}}_k\left(s^{\′}\right){\mathrm{\γ}}_k(s^{\′},s)}{{\mathrm{\Σ}}_s{\mathrm{\Σ}}_{s^{\′}}{\mathrm{\α}}_k\left(s^{\′}\right){\mathrm{\γ}}_k(s^{\′},s)}$

其中，α_k(s′)为k-1级MEU输出的前向网格信息，s∈S，s′∈S，S为Trubo码的状态空间。

所述后向网格信息更新单元203，在每一个译码时钟，根据第k+1级MEU输出的后向网格信息β_k+1和所述边信息计算单元201输出的第一边信息γ_k，根据下列公式计算产生本MEU输出的后向网格信息β_k：

${\mathrm{\β}}_k\left(s^{\′}\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_s{\mathrm{\β}}_{k+1}\left(s\right){\mathrm{\γ}}_k(s^{\′},s)}{{\mathrm{\Σ}}_s{\mathrm{\Σ}}_{s^{\′}}{\mathrm{\β}}_{k+1}\left(s\right){\mathrm{\γ}}_k(s^{\′},s)}$

其中，β_k+1(s′)为k+1级MEU输出的前向网格信息，s∈S，s′∈S，S为Trubo码的状态空间。

所述外信息更新单元Extr204，在每一个译码时钟，根据所述边信息计算单元201输出的第二边信息所述前向网格信息更新单元202输出的前向网格信息α_k+1、和所述后向网格信息更新单元203输出的后向网格信息β_k，根据下列公式计算产生本MEU输出的外信息LLe_k：

${\mathrm{LLe}}_k=\frac{\underset{s^{+}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{k+1}\left(s^{\′}\right){\mathrm{\γ}}^e(s^{\′},s){\mathrm{\β}}_k\left(s\right)}{\underset{s^{-}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{k+1}\left(s^{\′}\right){\mathrm{\γ}}^e(s^{\′},s){\mathrm{\β}}_k\left(s\right)}$

其中，s∈S，s′∈S，s⁺为S中完成‘0’转移的集会；s^-为S中完成‘1’转移的集会；S为Trubo码的状态空间。

所述译码判决输出单元DEC单元205，在每一个译码时钟，根据所述边信息计算单元201输出的第一边信息γ_k、所述前向网格信息更新单元202输出的前向网格信息α_k+1、和所述后向网格信息更新单元203输出的后向网格信息β_k，根据下列公式计算产生符号判决输出信息：

$\mathrm{LLR}\left(s_k\right)=\log \frac{P(c_k=1/X)}{P(c_k=0/X)}=\frac{\underset{s^{+}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{k+1}\left(s^{\′}\right)\mathrm{\γ}(s^{\′},s){\mathrm{\β}}_k\left(s\right)}{\underset{s^{-}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{k+1}\left(s^{\′}\right)\mathrm{\γ}(s^{\′},s){\mathrm{\β}}_k\left(s\right)}$

$d\left(s_k\right)=\begin{array}{cc}0,& \mathrm{LLR}(\left(s_k\right)\&GreaterEqual;0\\ 1,& \mathrm{LLR}(\left(s_k\right)<0\end{array}$

其中，s∈S，s′∈S，s⁺为S中完成‘0’转移的集会；s^-为S中完成‘1’转移的集会；S为Trubo码的状态空间。

本发明Turbo译码器可在卫星通信系统、移动通信系统、无线电话系统、无线数据传输系统等中使用。本发明实施例Turbo译码器可以以专用集成电路的形式实现，也可以以可编程逻辑门阵列的形式实现，还可以以可编程通用微处理器电路的形式实现。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.基于外信息并行更新的Turbo译码器，其特征在于，所述Turbo译码器包括第一分量译码器和第二分量译码器，在译码过程中：所述第一分量译码器的第K-1个MEU的前向网格信息输出，作为第二分量译码器第0个MEU的前向网格信息的输入；第一分量译码器的第0个MEU的后向网格信息输出，作为第二分量译码器第K-1个MEU的后向网格信息的输入；所述第二分量译码器的第K-1个MEU的前向网格信息输出，作为第一分量译码器第0个MEU的前向网格信息的输入；第二分量译码器的第0个MEU的后向网格信息输出，作为第一分量译码器第K-1个MEU的后向网格信息的输入；

每个分量译码器中均含有数量与码字长度K相等的网格及外信息更新单元MEU，每个网格及外信息更新单元MEU包括：边信息计算单元、前向网格信息更新单元、后向网格信息更新单元、外信息更新单元和译码判决输出单元，在每一个译码时钟：所述边信息计算单元，用于根据待译码信息第k个信元的系统码和校验码软信息及来自另一个分量译码器的对应第k个信元的外信息，计算产生第一边信息和第二边信息；所述前向网格信息更新单元，用于根据第k个MEU输出的前向网格信息和所述边信息计算单元输出的第一边信息，计算产生本MEU输出的前向网格信息；所述后向网格信息更新单元，用于根据第k+1个MEU输出的后向网格信息和所述边信息计算单元输出的第一边信息，计算产生本MEU输出的后向网格信息；所述外信息更新单元，用于根据所述边信息计算单元输出的第二边信息、所述前向网格信息更新单元输出的前向网格信息、和所述后向网格信息更新单元输出的后向网格信息，计算产生本MEU输出的外信息；所述译码判决输出单元，用于根据所述边信息计算单元输出的第一边信息、所述前向网格信息更新单元输出的前向网格信息、和所述后向网格信息更新单元输出的后向网格信息，计算产生符号判决输出信息；

每个译码时钟，所述第一分量译码器和第二分量译码器均以惯序的方式进行网格信息更新，其中前向网格信息以码字从头到尾的方向在各MEU间逐次传递，后向网格信息以码字从尾到头的方向在各MEU间逐次传递，并分别产生K个外信息；所述第一分量译码器每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成第二分量译码器在下一个译码时钟所需要的外信息；所述第二分量译码器每个译码时钟产生的外信息经连线交叉网络，形成第一分量译码器在下一个译码时钟所需要的外信息；外信息以并行的方式进行传递和更新，译码过程中不使用独立的存储器来保存每个分量译码器产生的外信息和网格信息。

2.如权利要求1所述的Turbo译码器，其特征在于，所述Turbo译码器的MEU采用MAP算法、log-MAP算法、MAX-log-MAP算法之一进行信息更新。

3.如权利要求1所述的Turbo译码器，其特征在于，所述Turbo译码器以专用集成电路、可编程逻辑门阵列和可编程通用微处理器电路之一的形式实现。