CN111181575B - 一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器及处理方法 - Google Patents

一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器及处理方法 Download PDF

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CN111181575B CN201911319759.5A CN201911319759A CN111181575B CN 111181575 B CN111181575 B CN 111181575B CN 201911319759 A CN201911319759 A CN 201911319759A CN 111181575 B CN111181575 B CN 111181575B
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Abstract

本发明提供一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器及处理方法，包括分支度量计算模块、前向递归计算模块、SMC模块、反向计算模块。本发明引入的冗余计算复杂度低，前向递归模块和反向计算模块引入的硬件开销只有简单的加法、移位和比较操作，便于硬件实现。本发明通过创新性的符号比特定义与计算，大幅度降低SMC容量，并实现了精确的反向重算，可以显著减小SMC容量，同时译码性能损失较小，功耗比现有的译码器更低。

Description

一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器及处理方法
技术领域
本发明属于无线通信系统领域，尤其涉及一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码结构及处理方法。
背景技术
近年来，Turbo码由于其良好的纠错性能和接近Shannon极限的译码性能，通过创新性的符号比特定义与计算，大幅度降低SMC容量，并实现了精确的反向重算。在无线通信应用中，译码器被认为是信号接收终端功耗的主要瓶颈，而译码器一半以上的功耗主要用于对SMC的访问。因此，一种降低SMC容量并保持较好的译码性能的低功耗Turbo码译码器结构成为人们研究的重点。
为了降低Turbo码译码器的功耗，目前研究者提出了不同的策略，其中减少SMC容量的策略是一种有效的方法。根据SMC容量降低方式，主要分为变换法和反向重算的设计方法。在变换法设计方法，基-4追溯计算译码方案将状态度量值转化为差值度量和符号位，使SMC容量降低了20％，Walsh-Hadamard变换法通过对状态度量值进行压缩变换，使SMC容量降低了50％，但由于是有损压缩，译码性能损失较大。反向计算方面，反向试探方法通过将不能反向计算的存储在SMC中，并设置特殊的寄存器做识别，译码性能较好，但是冗余计算较大。
现有方法存在的不足：
基-4追溯计算译码方案，SMC容量降低得较少，功耗降低效果并不显著，Walsh-Hadamard变换法译码方案中，由于对状态度量的压缩是有损压缩，SMC容量虽然降低较多，但是译码性能差。
反向试探方法虽然译码性能好，硬件开销大，功耗没有得到有效的降低。
发明内容
本发明主要解决在无线通信系统中Turbo码译码器的功耗问题，通过将网格分为四个基本单元，提出一种基于反向计算的低存储量Turbo码译码器结构，对不满足反向计算的存储起来，满足的下次需要的时候直接反向计算。通过此方法Turbo码译码器的状态量度缓存(SMC)容量减少了65％，误码率(BER)性能和误包率(PER)性能与最优的LOG-MAP译码算法接近，实现了在功率消耗和译码性能之间取得了优异的均衡性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器，包括分支度量计算模块、前向递归计算模块、SMC模块、反向计算模块。
分支度量计算模块，将接收机接收到的经过信道传输后的系统信息和校验比特
Figure BDA0002326817360000021
以及外信息Λapr，k输入到分支度量模块计算出分支度量
Figure BDA0002326817360000022
然后将初始状态度量
Figure BDA0002326817360000023
与分支度量计算模块计算出的
Figure BDA0002326817360000024
输入到前向递归计算模块。
前向递归计算模块，通过基本单元、多路选择器、计数器与选择器后，将得到的符号比特Ik与不满足反向计算的前向状态度量
Figure BDA0002326817360000025
存入到SMC存储器中；同时将输出的状态度量
Figure BDA0002326817360000026
输出，并作为下一次递归计算的状态度量。
SMC模块，完成前向递归计算之后，将计数器C、分支度量
Figure BDA0002326817360000027
与
Figure BDA0002326817360000028
的结果输入到反向计算模块。
反向计算模块，通过反向计算单元、计算与选择模块，同时读取SMC中的符号函数，当判断出状态度量不能反向重算时，需要读取SMC中状态度量，并将得到的状态度量
Figure BDA0002326817360000029
作为下一次递归计算的状态度量输入，同时输出
Figure BDA00023268173600000210
最终完成反向计算操作。
一种应用于Turbo码译码器的信号处理方法，包括以下步骤
步骤1.在分支度量计算单元完成分支度量的计算；
步骤2.在前向递归计算模块内完成相应的计算；
首先将
Figure BDA00023268173600000211
和
Figure BDA00023268173600000212
放入一个寄存器RAM里，
Figure BDA00023268173600000213
为初始值，
Figure BDA00023268173600000214
为递归状态度量；
然后将K-1时刻的8个状态度量
Figure BDA00023268173600000215
Figure BDA0002326817360000031
Figure BDA0002326817360000032
和对应的四个分支度量
Figure BDA0002326817360000033
按照蝶形单元分别输入到4个FU单元中，这四个FU的实现原理是相同的；
将4个FU计算出的状态度量和符号比特进行挑选和计数及S&C模块，存储符号比特Ik和通过多路选择器将得到的状态度量输出，并作为下一次递归计算的状态度量
Figure BDA0002326817360000034
同时对不能反向计算的符号比特Ik进行计数得到C，便于对不能反向计算的状态度量进行恢复，同时挑选出此时的状态度量进行存储；
步骤3.状态度量存储在SMC模块；
步骤4.状态度量完成反向计算；
将完成前向递归的最后一个状态度量
Figure BDA0002326817360000035
作为反向计算的初始状态和反向计算出的
Figure BDA0002326817360000036
存储到RAM中，读取SMC中的符号比特，判断符号比特Ik，如果不满足反向计算，则直接读取SMC存储的状态度量
Figure BDA0002326817360000037
作为K-1时刻的状态度量
Figure BDA0002326817360000038
同时计数器C减去不能反向计算的蝶形单元个数；如果符号比特Ik满足反向计算，通过4个RCU单元进行反向计算，其中这四个RCU单元的原理是相同的，按照编码网，同时输入对应的分支度量4个分支度量
Figure BDA0002326817360000039
Figure BDA00023268173600000311
判断读取的符号比特I k，进行相应的蝶形反向计算，计算出K-1时刻的状态度量
Figure BDA00023268173600000310
本发明的有益效果：
1.本发明创新性的提出了符号比特的定义与计算方式，在实现间接存储降低SMC容量的同时，保证了反向计算的精确性。
2.本发明引入的冗余计算复杂度低。前向递归模块和反向计算模块引入的硬件开销只有简单的加法、移位和比较操作，便于硬件实现。
3.通过本发明可以显著减小SMC容量，同时译码性能损失较小，功耗比现有的译码器更低。
附图说明
图1为本发明提出的反向计算的译码器结构示意图；
图2为本发明的编码网格图；
图3为反向计算蝶形基本计算单元图；
图4为f(x)的近似曲线；
图5为占用SMC容量的情况；
图6为前向递归模块的硬件图；
图7反向计算模块硬件设计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为了进一步降低SMC容量，同时保持较好的译码性能和较低的冗余计算复杂度，本发明以LTE-Advanced标准中的Turbo码为研究对象，提出了一种蝶形反向计算设计结构。
所提出的译码器结构如下图1所示，一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器，包括分支度量计算单元、前向递归计算模块、SMC模块、反向计算模块。首先，将接收机接收到的经过信道传输后的系统信息和校验比特
Figure BDA0002326817360000041
以及外信息Λapr，k输入到分支度量模块计算出分支度量
Figure BDA0002326817360000042
然后将初始状态度量
Figure BDA0002326817360000043
与分支度量计算模块计算出的
Figure BDA0002326817360000044
输入到前向递归计算模块，通过基本单元(FU)、多路选择器、计数器与选择器后，将得到的符号比特Ik与不满足反向计算的前向状态度量
Figure BDA0002326817360000045
存入到SMC存储器中，同时将输出的状态度量
Figure BDA0002326817360000046
输出，并作为下一次递归计算的状态度量；完成前向递归计算之后，将计数器C、分支度量
Figure BDA0002326817360000047
与
Figure BDA0002326817360000048
的结果输入到反向计算模块，通过反向计算单元、计算与选择模块，同时读取SMC中的符号函数，当判断出状态度量不能反向重算时，需要读取SMC中状态度量，并将得到的状态度量
Figure BDA0002326817360000049
作为下一次递归计算的状态度量输入，同时输出
Figure BDA00023268173600000410
最终完成反向计算操作。
并且提出一种应用于Turbo码译码器的信号处理方法，具体实现过程如下：
前向递归计算模块内，首先，将编码网格图分为4个蝶形基本单元；第一个基本单元对应：由K-1时刻的
Figure BDA0002326817360000051
和对应状态从0和1到0和4的分支度量
Figure BDA0002326817360000052
和
Figure BDA0002326817360000053
去计算K时刻的
Figure BDA0002326817360000054
其他的三个蝶形基本单元与此类似。
Figure BDA0002326817360000055
为了便于分析和讨论，给出一个基本单元(FU)，如图3所示，假设K-1时刻的向前状态度量为
Figure BDA0002326817360000056
和对应状态从e1和e2到e3和e4，在K-1时刻的分支度量分别为
Figure BDA0002326817360000057
和
Figure BDA0002326817360000058
K时刻的向前状态度量为
Figure BDA0002326817360000059
由上式可得(FU)单元的计算公式为2式。
Figure BDA00023268173600000510
为了降低复杂度，对max*做如下修正：
Figure BDA00023268173600000511
为了便于硬件实现，如图4所示，通过f(x)＝x+0.375去近似逼近ln(1+exp(x))，可将max*近似如(4)所示：
Figure BDA00023268173600000512
通过近似的max*函数，基本单元(FU)和反向计算单元(RCU)可以分为下边四种情况：
(1)，如果
Figure BDA00023268173600000513
符号比特I(k,1)＝10；
则
Figure BDA0002326817360000061
计算如公式(5)所示：
Figure BDA0002326817360000062
那么，
Figure BDA00023268173600000620
Figure BDA0002326817360000064
反向计算如公式(6)所示：
Figure BDA0002326817360000065
(2)，如果
Figure BDA0002326817360000066
符号比特I(k,2)＝11；
则
Figure BDA0002326817360000067
计算如公式(7)所示：
Figure BDA0002326817360000068
那么
Figure BDA0002326817360000069
可以由公式(8)计算出，
Figure BDA00023268173600000610
不能反向重算，则将他存储在SMC中。
Figure BDA00023268173600000611
(3)，如果
Figure BDA00023268173600000612
符号比特I(k,3)＝01；
则
Figure BDA00023268173600000613
计算如公式(9)所示：
Figure BDA00023268173600000614
那么
Figure BDA00023268173600000615
可用公式(10)反向计算出。
Figure BDA00023268173600000616
(4)，如果
Figure BDA00023268173600000617
符号比特I(k,4)＝00；
则
Figure BDA00023268173600000618
计算公式为：
Figure BDA00023268173600000619
那么
Figure BDA0002326817360000071
可以由公式(12)反向计算出，
Figure BDA0002326817360000072
不能反向重算，所以将它存储在SMC中。
Figure BDA0002326817360000073
最后，将4个符号比特Ik和不满足反向计算的前向状态度量
Figure BDA0002326817360000074
存储到SMC中；
当进行反向计算时，先读出符号比特进行判断，然后满足反向计算的直接进行计算即可，不满足的顺序读取SMC里存储的状态度量。SMC的字长结构如图5所示。
需要2×4个比特存储符号比特，然后需要平均2×10个比特存储不能被反向重算的前向状态度量
Figure BDA0002326817360000075
因此一共需要28个比特，较传统的译码器直接存储8个前向状态度量所需的80比特，SMC容量降低了65％。
还给出了前向递归模块和反向计算模块的硬件设计结构，如图6和图7所示。前向递归模块的硬件如图6所示，首先将
Figure BDA0002326817360000076
和
Figure BDA0002326817360000077
放入一个寄存器RAM里，
Figure BDA0002326817360000078
为初始值，
Figure BDA0002326817360000079
为递归状态度量；然后将K-1时刻的8个状态度量
Figure BDA00023268173600000710
Figure BDA00023268173600000711
和对应的四个分支度量
Figure BDA00023268173600000712
Figure BDA00023268173600000713
按照蝶形单元分别输入到4个FU单元中，这四个FU的实现原理是相同的；将4个FU计算出的状态度量和符号比特进行挑选和计数及S&C模块，首先存储符号比特Ik和通过多路选择器将输出的状态度量输出，作为下一次递归计算的状态度量
Figure BDA00023268173600000714
同时对不能反向计算的符号比特Ik即Ik＝00和Ik＝11的情况进行计数得到C，便于对不能反向计算的状态度量进行恢复，同时挑选出此时的状态度量进行存储。
反向计算模块硬件如图7所示，将完成前向递归的最后一个状态度量
Figure BDA00023268173600000715
作为反向计算的初始状态和反向计算出的
Figure BDA00023268173600000716
存储到RAM中，读取SMC中的符号比特，判断符号比特Ik，如果不满足反向计算，则直接读取SMC存储的状态度量
Figure BDA00023268173600000717
作为K-1时刻的状态度量
Figure BDA00023268173600000718
同时计数器C减去不能反向计算的蝶形单元个数；如果符号比特Ik满足反向计算，通过4个RCU单元进行反向计算，其中这四个RCU单元的原理是相同的，按照图2编码网，同时输入对应的分支度量四个分支度量
Figure BDA00023268173600000719
判断读取的符号比特Ik，进行相应的蝶形反向计算，计算出K-1时刻的状态度量
Figure BDA00023268173600000720
实施例1
以LTE-Advanced标准下的Turbo码译码器的FPGA实现为例；选用的码长为1024，码率为1/3，FPGA芯片选用EP4CE75F23C8目标器件，编程语言为Verilog HDL，使用QuartusⅡ13.1平台进行Turbo码译码器实现。通过对前向状态度量计算部分进行仿真全编译获得的总的存储容量的使用情况表明，传统的直接存储8个状态度量消耗的总的存储容量为2560bits，而我们提出的方法消耗的的总的存储容量为896bits，因此SMC有效的降低了65％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于反向蝶形计算的Turbo码译码器，其特征在于，包括
分支度量计算模块，将接收机接收到的经过信道传输后的系统信息和校验比特
Figure FDA0003074029280000011
以及外信息Λapr,k输入到分支度量模块计算出分支度量
Figure FDA0003074029280000012
然后将初始状态度量
Figure FDA0003074029280000013
与分支度量计算模块计算出的
Figure FDA0003074029280000014
输入到前向递归计算模块；
前向递归计算模块，通过基本单元、多路选择器、计数器与选择器后，将得到的符号比特Ik与不满足反向计算的前向状态度量
Figure FDA0003074029280000015
存入到SMC存储器中；同时将输出的状态度量
Figure FDA0003074029280000016
输出，并作为下一次递归计算的状态度量；
将编码网格图分为4个蝶形基本单元；第一个基本单元对应：由K-1时刻的
Figure FDA0003074029280000017
和对应状态从0和1到0和4的分支度量
Figure FDA0003074029280000018
Figure FDA0003074029280000019
和
Figure FDA00030740292800000110
去计算K时刻的
Figure FDA00030740292800000111
Figure FDA00030740292800000112
其他的三个蝶形基本单元与此类似：
Figure FDA00030740292800000113
SMC模块，完成前向递归计算之后，将计数器C、分支度量
Figure FDA00030740292800000114
与
Figure FDA00030740292800000115
的结果输入到反向计算模块；
反向计算模块，通过反向计算单元、计算与选择模块，同时读取SMC中的符号函数，当判断出状态度量不能反向重算时，需要读取SMC中状态度量，并将得到的状态度量
Figure FDA00030740292800000116
作为下一次递归计算的状态度量输入，同时输出
Figure FDA00030740292800000117
最终完成反向计算操作。
2.一种应用于Turbo码译码器的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1.在分支度量计算单元完成分支度量的计算；
步骤2.在前向递归计算模块内完成相应的状态度量的计算；
首先将
Figure FDA0003074029280000021
和
Figure FDA0003074029280000022
放入一个寄存器RAM里，
Figure FDA0003074029280000023
为初始值，
Figure FDA0003074029280000024
为递归状态度量；
然后将K-1时刻的8个状态度量
Figure FDA0003074029280000025
Figure FDA0003074029280000026
Figure FDA0003074029280000027
和对应的4个分支度量
Figure FDA0003074029280000028
按照蝶形单元分别输入到4个FU单元中，这4个FU的实现原理是相同的；
给出一个基本单元FU，假设K-1时刻的向前状态度量为
Figure FDA0003074029280000029
Figure FDA00030740292800000210
和对应状态从e1和e2到e3和e4，在K-1时刻的分支度量分别为
Figure FDA00030740292800000211
和
Figure FDA00030740292800000212
K时刻的向前状态度量为
Figure FDA00030740292800000213
由上式可得FU单元的计算公式为(2)式；
Figure FDA00030740292800000214
为了降低复杂度，对max*做如下修正：
Figure FDA00030740292800000215
为了便于硬件实现，通过f(x)＝x+0.375去近似逼近ln(1+exp(x))，将max*近似如(4)所示：
Figure FDA00030740292800000216
通过近似的max*函数，基本单元FU和反向计算单元RCU分为下边四种情况：
1，如果
Figure FDA00030740292800000217
符号比特I(k,1)＝10；
则
Figure FDA00030740292800000218
计算如公式(5)所示：
Figure FDA00030740292800000219
那么，
Figure FDA00030740292800000220
反向计算如公式(6)所示：
Figure FDA00030740292800000221
2，如果
Figure FDA0003074029280000031
则
Figure FDA0003074029280000032
计算如公式(7)所示：
Figure FDA0003074029280000033
那么
Figure FDA0003074029280000034
由公式(8)计算出，
Figure FDA0003074029280000035
不能反向重算，则将它存储在SMC中；
Figure FDA0003074029280000036
3，如果
Figure FDA0003074029280000037
符号比特I(k,3)＝01；
则
Figure FDA0003074029280000038
计算如公式(9)所示：
Figure FDA0003074029280000039
那么
Figure FDA00030740292800000310
用公式(10)反向计算出；
Figure FDA00030740292800000311
4，如果
Figure FDA00030740292800000312
符号比特I(k,4)＝00；
则
Figure FDA00030740292800000313
计算公式为：
Figure FDA00030740292800000314
那么
Figure FDA00030740292800000315
由公式(12)反向计算出，
Figure FDA00030740292800000316
不能反向重算，所以将它存储在SMC中；
Figure FDA00030740292800000317
最后，将4个符号比特Ik和不满足反向计算的前向状态度量
Figure FDA00030740292800000318
存储到SMC中；
当进行反向计算时，先读出符号比特进行判断，然后满足反向计算的直接进行计算即可，不满足的顺序读取SMC里存储的状态度量；
需要2×4个比特存储符号比特，然后需要平均2×10个比特存储不能被反向重算的前向状态度量
Figure FDA00030740292800000319
因此一共需要28个比特，较传统的译码器直接存储8个前向状态度量所需的80比特，SMC容量降低了65％；
将4个FU计算出的状态度量和符号比特进行挑选和计数及S&C模块，存储符号比特Ik和通过多路选择器将得到的状态度量输出，并作为下一次递归计算的状态度量
Figure FDA0003074029280000041
同时对不能反向计算的符号比特Ik进行计数得到C，便于对不能反向计算的状态度量进行恢复，同时挑选出此时的状态度量进行存储；
步骤3.状态度量存储入SMC模块；
步骤4.状态度量完成反向计算；
将完成前向递归的最后一个状态度量
Figure FDA0003074029280000042
作为反向计算的初始状态和反向计算出的
Figure FDA0003074029280000043
存储到RAM中，读取SMC中的符号比特，判断符号比特Ik，如果不满足反向计算，则直接读取SMC存储的状态度量
Figure FDA0003074029280000044
作为K-1时刻的状态度量
Figure FDA0003074029280000045
同时计数器C减去不能反向计算的蝶形单元个数；如果符号比特Ik满足反向计算，通过4个RCU单元进行反向计算，其中这四个RCU单元的原理是相同的，按照编码网，同时输入对应的分支度量4个分支度量
Figure FDA0003074029280000046
判断读取的符号比特Ik，进行相应的蝶形反向计算，计算出K-1时刻的状态度量
Figure FDA0003074029280000047
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