CN1374758A - 一种用于turbo码译码器中防止状态度量溢出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种既能避免turbo码MAP译码算法中前反向递推过程中每一步递推所需的大量的归一化操作,同时可保证量化运算位数尽量少且与码长无关的防溢出方法及使用这种方法的防溢出装置。该方法根据上一次递推运算结果中各状态度量的最高位(极性)和次高位而对本次递推运算中的分支度量进行某一增量的加/减/不操作。采用本方法后,运算精度与码长无关,而只与输入量化电平数有关。而有关的操作只是检查各状态度量的最高两位,及加减某一固定数,运算量很少,因而对译码速度的影响很小。因此在实现上所占的芯片面积很小,同时也保证了高吞吐量。

Description

一种用于turbo码译码器中防止状态度量溢出方法

(一)技术领域：

本发明属通信领域或移动通信领域，具体地讲涉及turbo码译码器实现的优化技术。

(二)背景技术：

在通信系统中，turbo编码用来减少由于噪声干扰引起的误码，其性能可以接近信道容量的极限。其译码算法是以其分量卷积码的软输出译码算法为核心的迭代译码。由于软输出译码算法涉及实数运算，比较复杂，且需要迭代多次，造成实现电路的规模较大，而吞吐量较低。其中的最基本的软输出译码算法MAP算法描述如下：

令两级译码之间传递的信息为： $z_{1k}\left(d_k\right)=\mathrm{Pr}\left\{d_k\right|x_1^N\backslash x_k,z_2{|}_1^N\backslash z_{2k},y_1{|}_1^N\}$ $z_{2k}\left(d_k\right)=\mathrm{Pr}\left\{d_k\right|x_1^N\backslash x_k,z_1{|}_1^N\backslash z_{1k},y_2{|}_1^N\}----\left(1\right)$

这里，d_k为未编码信息比特序列中第k个比特，x₁ ^N，

分别为接收到的信息符号序列和两个校验符号序列，x_k，y_1k，y_2k则分别表示序列中的第k个符号，-A\b表示除去元素b的集合A。z_1k和z_2k被称为外信息，即z_1k是，除了第k个信息符号x_k和第k个前次外信息z_2k以外的全部信息符号序列X、前次外信息序列Z₂及校验符号序列Y₁，所提供的关于第k个符号的信息。

为了求得z_1k，先求全部输入序列提供的关于第k个符号的似然信息即后验概率。 $L_{1k}\left(d_k\right)=\mathrm{Pr}\left\{d_k\right|x_1^N,z_2{|}_1^N,y_1{|}_1^N\}----\left(2\right)$

令

                     R_k=(x_k，z_2k，y_1k) ${\mathrm{\α}}_k(d_k,S_k)=\mathrm{Pr}\{d_k,S_k|R_1^k\}$ ${\mathrm{\β}}_k\left(S_k\right)=\mathrm{Pr}\left\{R_{k+1}^N\right|S_k\}/\mathrm{Pr}\{R_{k+1}^N\left|R_1^k\right\}---\left(3\right)$ 则d_k的似然函数为 $L_{1k}\left(d_k\right)=\underset{S_k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Pr}\{d_k,S_k|R_1^N\}=\underset{S_k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_k(d_k,S_k){\mathrm{\β}}_k\left(S_k\right)----\left(4\right)$ 令

       γ_k(R_k，S_k，d_k，S_k-1)＝Pr{R_k，S_k，d_k|S_k-1}

          ＝Pr{d_k|S_k-1}Pr{y_1k|d_k，S_k-1}Pr{x_k|d_k}z_2k(d_k)      (5)有递推算法

我们注意到在(4)中只有α_k项包含γ_k，即包含x_k和z_2k，因此，它们对最终的似然输出的贡献是乘性的，也就是说只要把似然输出值除以它们再做归一化即可得到外信息z_1k

实际算法用的是对数域运算，因此原乘法就变成了加法，而原加法就变成了一种非线性运算。其中的α和β是通过递推而计算的，且每一步要计算M个状态的α和β值，然后分别对M个α和M个β进行归一化。即将M个α加起来，然后将各个α除以这个和(即要有M-1个加法运算和M个除法运算)。

为了保证译码的性能，对运算的量化有一定的要求，即运算中的位数不能太少。这与实现规模及运算速度之间是相矛盾的。特别是由于度量是不断累加的，如果不考虑每一步做归一化处理，这样可能原采样的量化数并不高，但经过很多步累加后(WCDMA中turbo码的码长最长可达5114)，位数将会变得很长(对WCDMA而言，将会增加13位的宽度)，从而需要大量的芯片面积，且运算速度将会大受影响。而如果要采用相对少得多的运算位数，则在运算若干步后，运算结果就会溢出，对此基本的作法是在每一节拍状态度量累加后，做一次归一化处理，这样的做法会成倍地增加运算量(归一化运算量与状态数成正比)，增加延时，从而使译码吞吐量受到很大的影响。

(三)发明内容：

本发明的目的就是要提供一种简化的装置或方法，把每一节拍运算后的结果范围控制很有限的范围内，从而使运算位数大大下降，而此防溢出方法比归一化运算要简化得多。简化地说，本方法就是对每一步计算出的各状态的α或β并不直接修正，而是根据各状态的对数度量值是否有很大的值或是否全负而决定对下一步将要用到的信道对数概率进行修正，且修正值可以只取固定的Δ_p(正修正，当前一步各状态度量全负时)和Δ_n(负修正，当前一步各状态度量至少有一个超过门限T时)。

turbo码的分量码为效率1/2的二进制卷积码，因此每一步信道转移对数概率只有4个值：γ₀₀、γ₀₁、γ₁₀和γ₁₁。一般情况下这四个值的均值应为0，因此如果当前输入的信息位和校验位的信道符号对数似然比(为1的概率比上为0的概率)分别为x和y时，γ₀₀、γ₀₁、γ₁₀和γ₁₁分别为-a，y-a，x-a和x+y-a。其中a＝(x+y)/2。可见这几个值都有一个偏移量a。

而在α和β的递推公式中可以看出，如果γ有一个一致的偏移量，则此偏移量将直接反映到所有状态的α或β上。因此，可以通过调节此偏移量a达到控制α和β计算结果的作用。

具体的做法是(参见附图)：

(1)如果前一步的所有状态的度量值(α或β)均为负值，说明递推有向负溢出的可能，因此在计算当前的γ时将偏移量a增加Δ_p以将当前的所有状态度量值提高Δ_p以避免向负溢出，即a＝(x+y)/2+Δ_p。

(2)如果前一步有一个状态的度量值(α或β)超过某一设定门限T，说明递推有向正溢出的可能，因此在计算当前的γ时将偏移量a减去Δ_n以将当前的所有状态度量值降低Δ_n以避免向正溢出，即a＝(x+y)/2-Δ_n。

(3)如果上述两个条件均不满足，则说明递推运算在正常范围内，不必对其进行干预，即a＝(x+y)/2。

(4)对状态度量计算结果进行限幅处理，即根据所需的位数确定所能表达的最大的数MAX和最小数min，将计算结果与它们相比，如果大于MAX，则以MAX为最终结果供下一步递推，如果小于min，则以min为最终结果供下一步递推。

本发明对门限T和修正值Δ_p和Δ_n的具体取值要求并不严格，因此可以选取较低的有效位数(低位取零)，一般有效位数取2位就够了。实际上只要限X和Y输入位数的高两位为01其它位为零，即可作为T、Δ_p和Δ_n。

本发明有益效果：(1)本发明并不直接对计算出的状态度量进行归一化操作，而只修正下一步的信道转移对数概率的偏移量，从而大大减少了运算量(归一化操作中需要M个减法，M为状态数，而本发明只用一个加法运算，与状态数无关)(2)本发明用状态度量的极性及与一固定值的比较作为修正依据，与标准归一化操作相比大大减少了运算量(标准归一化操作需要M-1个非线性运算才能实现对数域求和)(3)本发明对门限T和修正值Δp和Δn的具体取值要求并不严格，因此可以选取较低的有效位数(低位取零)，从而使运算复杂度进一步降低，一般有效位数取2位就够了。(4)采用本发明后，实际上达到了归一化的效果，即每一步的结果位数只取决于该步递推的计算位数，而与码长无关。(5)虽然进行了简化，但在译码的误码性能上几乎没有任何损失。

(四)附图说明：图1为WCDMA中turbo码译码器防溢出装置总图；图2为信道转移对数概率(γ)计算器。

(五)具体实施方式：

以下结合附图说明本发明方法的具体实施方式：

图1为turbo码译码器防溢出装置总图，分为两个部分，一部分为信道转移对数概率(γ)计算器，另一部分为递推运算器。其中递推运算单元将每一步得到的各状态度量值送γ计算单元，由γ计算单元将修正后的γ送递推单元。注意其中的数据走线为总线，即信道符号输入包括信息位X和校验位Y的似然比对数值；信道转移对数概率包括信息位和校验位之间4种组合的值；各状态度量值包括turbo码分量码所有状态的当前度量值。

图2为信道转移对数概率(γ)计算器，这里以8状态turbo为例，图中UOR、UOS、U1R、U1S、U2R、U2S、U3R和U3S分别表示turbo码分量码8个状态的度量结果，根据这8个度量值确定下一步的修正偏移量，然后锁存一拍以便与下一步的输入同步。

此方法可以在各种可编程逻辑器件中实施，也可用于专用集成电路，还可用于DSP运算，其所能来来的优势是一样的。一个具体的实施例子是用Altera公司的APEX20K200中作为turbo译码器的一部分实现。

Claims (3)

1.一种用于turbo码译码器中防止状态度量溢出的方法，其特征在于：根据各状态的对数度量值是否有很大的值或是否全负而决定对下一步将要用到的信道对数概率进行修正，且修正值可以只取固定的Δ_p(正修正，当前一步各状态度量全负时)和Δ_n(负修正，当前一步各状态度量至少有一个超过门限T时)。

2.如权利要求1所述的一种用于turbo码译码器中防止状态度量溢出的方法，其特征在于：通过调节此偏移量a达到控制α和β计算结果的作用。

3.如权利要求1所述的一种用于turbo码译码器中防止状态度量溢出的方法，其特征在于：所述调节偏移a的方法按以下步骤：

(1)如果前一步的所有状态的度量值(α或β)均为负值，说明递推有向负溢出的可能，因此在计算当前的γ时将偏移量a增加Δ_p以将当前的所有状态度量值提高Δ_p以避免向负溢出，即a＝(x+y)/2+Δ_p，

(2)如果前一步有一个状态的度量值(α或β)超过某一设定门限T，说明递推有向正溢出的可能，因此在计算当前的γ时将偏移量a减去Δ_n以将当前的所有状态度量值降低Δ_n以避免向正溢出，即a＝(x+y)/2-Δ_n，

(3)如果上述两个条件均不满足，则说明递推运算在正常范围内，不必对其进行干预，即a＝(x+y)/2。

(4)对状态度量计算结果进行限幅处理，即根据所需的位数确定所能表达的最大的数MAX和最小数min，将计算结果与它们相比，如果大于MAX，则以MAX为最终结果供下一步递推，如果小于min，则以min为最终结果供下一步递推。

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