移動通信與寬帶無線接入技術(shù)的融合成為通信發(fā)展的必然趨勢。為此，3GPP啟動了通用移動通信技術(shù)的長期演進(jìn)項目。為了將系統(tǒng)帶寬從5 M提高到20 M，LTE在下行傳輸中采用了正交頻分多址、上行采用單載波頻分多址的技術(shù)^[1]。OFDM技術(shù)實質(zhì)就是將串行的數(shù)據(jù)映射到并行的信道進(jìn)行傳輸，符號的延續(xù)時間由此得以延長，從而對時延擴(kuò)展有更高的包容性。為了滿足LTE系統(tǒng)對更大的系統(tǒng)容量的需求，低成本支持更多的天線系統(tǒng)要求，在信道編碼中采用了咬尾卷積編碼和Turbo編碼^[2]。本文詳細(xì)闡述了咬尾卷積編碼的編碼原理,通過Matlab仿真對咬尾卷積編碼在不同信道環(huán)境下的性能進(jìn)行了探究,重點闡述了一種咬尾卷積編碼的DSP實現(xiàn)方法，最后，選取一種可靠的譯碼方式在接收端完成咬尾卷積譯碼。

1 咬尾卷積編碼的實現(xiàn)原理

        該信道編碼的編碼和譯碼復(fù)雜度低、處理時延小，適合小碼塊控制信息和對時延敏感的數(shù)據(jù)傳輸。

        咬尾卷積是建立在卷積碼編碼器的起始狀態(tài)，不需要全0狀態(tài)，可以是任何其他狀態(tài)。在LTE系統(tǒng)中，將咬尾卷積編碼的約束長度設(shè)置為7，即配置了6個移位寄存器，采用速率為1/3進(jìn)行編碼。咬尾卷積編碼的初始比特可以不為零，但起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)相同。因此不需要傳輸額外的比特，具有較高的編碼效率。編碼器的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)由數(shù)據(jù)包的最后幾個比特決定^[3]，也就是把一個數(shù)據(jù)包的最后6 bit用來初始化寄存器狀態(tài)。其編碼原理和實現(xiàn)框圖如圖1所示，對于輸入數(shù)據(jù)流CK,編碼后按3路輸出, 輸出分別為5路數(shù)據(jù)右移，對得到的5路數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，產(chǎn)生最后的結(jié)果。

2 咬尾卷積編碼性能測試

        利用QPSK高斯信道、ETU、EVA、EPA四種信道對咬尾卷積編碼的性能進(jìn)行分析。仿真過程中,選取PBCH的MIB信息進(jìn)行仿真測試,天線配置為4發(fā)4收,帶寬為5 MB，載波頻率為2 GHz，得到的仿真結(jié)果如圖2所示。

        通過圖2不難看出，誤碼率為10-4時，咬尾卷積編碼的編碼增益在7 dB左右，這一結(jié)果完全可以應(yīng)用在綜合儀表開發(fā)中。

3 咬尾卷積編碼的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 DSP處理器

        采用了TI公司的C64x系列，該系列采用了取指令和執(zhí)行指令可以并行運(yùn)行的哈佛結(jié)構(gòu)，程序總線和數(shù)據(jù)總線也是獨(dú)立運(yùn)行的。其中程序總線有256 bit，內(nèi)存單次操作取8條指令，實現(xiàn)了高速運(yùn)行的目的?；贑64芯片的高容量、運(yùn)行速度快的特征，在綜合測試儀表的開發(fā)中采用了該芯片^[1]。

3.2編碼與內(nèi)存區(qū)設(shè)計

        以TD-LTE為例，1個子幀有2個時隙,頻域上的最大資源塊數(shù)為110，1個資源塊的大小為180 kHz，1個時隙有6個或者7個OFDM符號^[1]，因此對寄存器和內(nèi)存的設(shè)計如表1所示,內(nèi)存設(shè)計如下。

         _Input_Data         .uset”d_dest”,5000

         _Data_lens           .uset”d_dest”,4

         _Out_Data           .uset”d_dest”,15000

         _Out_Data_lens       .uset”d_dest”,4

3.3 詳細(xì)設(shè)計

        咬尾卷積的DSP實現(xiàn)主要包括三個步驟:取數(shù)據(jù)包的最后6 bit進(jìn)行寄存器初始化;根據(jù)移位寄存器的要求進(jìn)行移位異或操作，完成編碼；再對完成編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行比特字節(jié)化，為咬尾卷積編碼的速率匹配做準(zhǔn)備。

3.3.1寄存器初始化完成

        在進(jìn)行寄存器初始化的實現(xiàn)中，要考慮有無剩余比特兩種情況，計算出需要偏移地址的數(shù)A7。若有剩余比特，則取最后一個半字與剩余比特，把它們合并存放在一起， 然后進(jìn)行左移得到最后的6 bit，存于A10的高6位。左移的位數(shù)便是“剩余比特數(shù)+10”；若沒有剩余比特，就取最后兩個半字，通過左移26位得到后6 bit，存于A10的高6位。以數(shù)據(jù)流長度=43為例，具體實現(xiàn)如圖3所示。

3.3.2 咬尾卷積編碼實現(xiàn)

        取每一輪參與編碼的那一個半字，存于A7的低16位,左移10位，空出A7左端的6位與尾比特(6 bit)進(jìn)行或操作，完成22 bit的拼接，存儲于A10把數(shù)據(jù)流的最后6 bit與第一個半字構(gòu)成22 bit，形成第一輪參與編碼的數(shù)據(jù)。每一輪參與編碼的22 bit，是上一輪的最后6 bit與這一輪的那一個半字。具體的實現(xiàn)如圖4所示。

3.3.3 比特字節(jié)化的實現(xiàn)

        比特字節(jié)化，來為交織操作中的取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備，取數(shù)據(jù)時地址的偏移是以字節(jié)為偏移單位進(jìn)行的。環(huán)進(jìn)行字節(jié)化，直至16 bit字節(jié)化完成，后6 bit不參與，將參與編碼的比特數(shù)存于B0，每完成一次編碼，對應(yīng)的記錄的寄存器減一。當(dāng)還沒進(jìn)行到最后一部分時， 就這樣以22 bit為單位進(jìn)行編碼、字節(jié)化， 第一輪時是數(shù)據(jù)流的最后6 bit與第一個半字結(jié)合的22 bit,第二輪是第一輪22 bit的后6 bit與第二個半字形成的22 bit。

        在比特字節(jié)化時，最后的那一輪只字節(jié)化剩余比特數(shù)次，比如最后一輪的22 bit，以數(shù)據(jù)長度為31為例，字節(jié)化時只進(jìn)行11次的字節(jié)化。具體流程如圖5所示。

        編碼后的數(shù)據(jù)存儲如圖6所示。

3.4 DSP運(yùn)行性能分析

        DSP軟件中的實現(xiàn)代碼要盡量精簡,減少執(zhí)行的“NOP”數(shù)目，合理控制循環(huán)次數(shù)，本文通過對半字?jǐn)?shù)及字?jǐn)?shù)為單位的控制進(jìn)行地址偏移，使得運(yùn)算量盡量減少，減少運(yùn)算的周期數(shù)目。當(dāng)編碼數(shù)據(jù)為4 200時，運(yùn)行的cycles數(shù)如表2所示。

        TMS320C64DSP芯片,處理器的頻率達(dá)到1 GHz，運(yùn)行一個cycle的時間是1 ns，測試平臺上，通過對GPIO口的控制，測量函數(shù)運(yùn)行時間，運(yùn)行時間可以滿足對實時性的要求。

4 咬尾卷積譯碼方式性能測試

        Viterbi譯碼的算法主要有循環(huán)維特比譯碼算法(CVA)^[4]、M比特重復(fù)循環(huán)維特比譯碼算法(N+M-CVA)、有界循環(huán)維特比譯碼算法(BDD-CVA)[5]、環(huán)繞維特比譯碼算法(WAVA)、最大似然維特比譯碼算法(ML-VA)[6],其中L+Win-CVA,算法是一種基于循環(huán)Viterbi譯碼算法的改進(jìn)，L3-WAVA算法是將碼塊重復(fù)三次的WAVA算法^[7]，ML-VA^[8]算法是一種犧牲算法復(fù)雜度換取遍歷的算法，算法復(fù)雜度極大，本文不作考慮。設(shè)定碼塊大小為200 bit時，用Matlab仿真各種譯碼算法的誤比特率。得到的結(jié)果如圖7所示^[1]。

        從仿真的結(jié)果不難看出，L3-WAVA算法性能最好，并且契合了“TD-LTE無線綜合儀表測試開發(fā)”的性能和運(yùn)算精度的要求，因此選取L3-WAVA算法作為咬尾卷積碼的譯碼算法。

        本文首先從LTE背景分析，闡述了LTE系統(tǒng)采用咬尾卷積編碼的必要性。根據(jù)咬尾卷積編碼技術(shù)的原理，模擬驗證咬尾卷積編碼在不同信道環(huán)境下的性能，提出一種DSP的實現(xiàn)方法，在TMS320C6000平臺上實現(xiàn)并且對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行性能分析，選取L3-WAVA方法為咬尾卷積譯碼方式進(jìn)行仿真。該方案已應(yīng)用到LTE-TDD無線綜合測試儀表的開發(fā)中。

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