憑借著高端7 GHz無(wú)需授權(quán)頻譜資源，60-GHz無(wú)線個(gè)域網(wǎng)已經(jīng)成為了短距離吉比特?zé)o線傳輸?shù)闹匾鉀Q方案^[1]。而由于超高的頻點(diǎn)，相位噪聲和功放非線性等射頻非理想因素嚴(yán)重影響著60-GHz無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的系統(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)[2]中指出，在考慮射頻非理想因素影響下，里所碼^[3]RS(Reed-Solomon codes)和卷積碼^[4]CC(convolution codes)級(jí)聯(lián)碼可以取得比低密度奇偶校驗(yàn)碼LDPC(Low-Density Parity-Check)編碼更為魯棒的譯碼性能。因此，針對(duì)60-GHz無(wú)線個(gè)域網(wǎng)系統(tǒng)，本文提出了一種吉比特低復(fù)雜度RS-CC級(jí)聯(lián)譯碼器架構(gòu)。

1 RS-CC級(jí)聯(lián)碼

    根據(jù)IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)^[5]，本文設(shè)計(jì)了吉比特RS-CC級(jí)聯(lián)編碼模式，如圖1所示。作為RS(255，239)截?cái)啻a，RS(224，208)又為級(jí)聯(lián)碼外碼，每個(gè)塊包含208個(gè)8-bit輸入符號(hào)。經(jīng)過RS編碼，RS編碼器每個(gè)塊輸出224個(gè)8-bit符號(hào)。通過32×32交織器，RS編碼結(jié)果串/并轉(zhuǎn)換后進(jìn)行卷積碼編碼。本文采用CC(3，1，7)編碼器為級(jí)聯(lián)碼內(nèi)碼。卷積碼的約束長(zhǎng)度為7，生成多項(xiàng)式為(133₈，171₈，165₈)，基本碼率為1/3。為了獲得高吞吐率，使用8路CC獨(dú)立編碼。經(jīng)過IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)制定的打孔刪除操作，產(chǎn)生1/3、1/2、4/7、 2/3、4/5 5種內(nèi)碼碼率。最終數(shù)據(jù)經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換，輸出編碼結(jié)果。

2 吉比特RS-CC級(jí)聯(lián)譯碼器設(shè)計(jì)

    吉比特RS-CC級(jí)聯(lián)譯碼器由8個(gè)獨(dú)立CC(3，1，7)譯碼器、32×32解交織、RS(224，208)譯碼器等模塊組成，如圖2所示。輸入的譯碼數(shù)據(jù)經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后分別輸入對(duì)應(yīng)的8個(gè)獨(dú)立CC(3，1，7)譯碼器。CC(3，1，7)譯碼器的譯碼輸出經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后進(jìn)行32×32解交織；解交織后數(shù)據(jù)輸入到RS(224,208)譯碼器，最終獲得級(jí)聯(lián)碼譯碼結(jié)果。

2.1 基于Viterbi譯碼算法的CC(3，1，7)譯碼器

    Viterbi譯碼算法是1967年由Viterbi提出的一種最大概率譯碼算法^[6]。作為CC的最優(yōu)譯碼算法，Viterbi譯碼算法被廣泛應(yīng)用于2G、3G以及衛(wèi)星通信等多種通信系統(tǒng)中^[4]。基于RS-CC級(jí)聯(lián)碼結(jié)構(gòu)，本文給出了基于Viterbi算法的CC(3,1,7)譯碼器設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。因?yàn)槭褂?路CC獨(dú)立編碼，所以8個(gè)相同的CC譯碼器獨(dú)立譯碼。

     接收到的譯碼輸入數(shù)據(jù)采用3比特軟判決譯碼輸入，相對(duì)于硬判決可以獲得大約2 dB的信道編碼增益。根據(jù)IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)^[5]，解除刪余單元對(duì)于卷積碼打孔刪除位置進(jìn)行填充補(bǔ)償，補(bǔ)償后數(shù)據(jù)被輸入到分支度量單元。分支度量單元計(jì)算當(dāng)前輸入的判決信息與期望信息的歐氏距離。分支度量值越小，表示相似度越高，否則，反之。

    加比選模塊對(duì)狀態(tài)路徑度量的每個(gè)狀態(tài)可能的輸入路徑度量進(jìn)行累積加法計(jì)算（即：加），然后比較各個(gè)數(shù)值大小（即：比），判決選擇出最小路徑度量（即：選），更新路徑度量寄存器數(shù)據(jù)^[4]，如圖4所示。對(duì)于一個(gè)約束長(zhǎng)度為7的Viterbi譯碼器，每一步譯碼需要處理64個(gè)加比選運(yùn)算。加比選運(yùn)算本身要求下一次加法運(yùn)算必須是在上一步的狀態(tài)度量選擇運(yùn)算之后，如果直接插入流水線，會(huì)導(dǎo)致整體無(wú)法同時(shí)運(yùn)算，因此并沒有提高吞吐速度。為了提高吞吐率，采用了64個(gè)加比選運(yùn)算單元全并行地譯碼。

    對(duì)于CC（3，1，7）譯碼器，其幸存路徑管理單元需采用One-pointer回溯算法或者K-pointer回溯算法^[4]實(shí)現(xiàn)譯碼輸出。與One-pointer回溯算法相比，K-pointer回溯算法只需要單一運(yùn)行時(shí)鐘，因此其在譯碼器實(shí)現(xiàn)中更為普遍采納。本文使用2-pointer回溯算法，回溯譯碼長(zhǎng)度定為64。由于采用并行獨(dú)立的卷積碼編碼，因而圖3中各路的回溯譯碼獨(dú)立并行執(zhí)行。

2.2 基于RiBM算法的RS(224，208)譯碼器

    RS碼是一種特殊的BCH碼，所以RS碼的譯碼方案也可以從BCH碼的譯碼方案推算得到。本文采用的是改進(jìn)的無(wú)逆RiBM算法^[4]，屬于時(shí)域譯碼的一種。RS譯碼器由伴隨式計(jì)算單元、關(guān)鍵方程求解單元、計(jì)算誤碼位置的Chien搜索、求解誤碼位置差值Forney算法組成，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

    對(duì)求逆運(yùn)算是高復(fù)雜度運(yùn)算。因?yàn)镚F(2^t)域取值范圍有限，在實(shí)現(xiàn)中預(yù)設(shè)一個(gè)GF(2^t)元素的逆值表，采用查表法的方法來(lái)直接獲得逆值。

3 實(shí)現(xiàn)與分析

    基于Verilog HDL語(yǔ)言，本文完成了RS(224，208)-CC(3，1，7)級(jí)聯(lián)譯碼器的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)在CC碼率為1/3、1/2、4/7、2/3、4/5 5種情況下分別進(jìn)行ModelSim RTL級(jí)仿真驗(yàn)證，誤碼率BER（Bit Error Rate）與MATLAB級(jí)聯(lián)譯碼函數(shù)性能基本相同。其中在CC為1/3、1/2碼率下的RS-CC級(jí)聯(lián)譯碼性能比較如圖6所示。

    本設(shè)計(jì)在Xilinx Virtex-6 FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)， 最高工作時(shí)鐘為200 MHz，級(jí)聯(lián)譯碼器靜吞吐率達(dá)到1.6 Gb/s。然后，采用TSMC 0.13 μm CMOS工藝，供電電壓為1.2 V，本文完成了級(jí)聯(lián)譯碼器的ASIC設(shè)計(jì)。DC compiler門級(jí)綜合工具給出了芯片的綜合報(bào)告，如表1所示。該譯碼器的邏輯面積為5.19 mm²，芯片工作時(shí)鐘為250 MHz，譯碼器最大吞吐速率為2 Gb/s，功耗為271 mW。本設(shè)計(jì)滿足60 GHz無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)^[5]的吉比特吞吐率指標(biāo)要求，在高速前向糾錯(cuò)編譯碼領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Zhang Xin，Lu Liru，F(xiàn)UNADA R，et al.Physical layer design and performance analysis on multi-Gbps millimeter-wave WLAN system[C].IEEE Int.Conf.on Comm.Syst.，2010：92-96.

[2] Gao Bo，Xiao Zhenyu，Zhang Changming，et al.Performance comparison of channel coding for 60 GHz SC-PHY and a  multigigabit Viterbi decoder[C].IEEE Int.Conf.on Comp. Problem-Solving，2011：714-718.

[3] 殷愛菡，劉方仁，陳燕燕.基于FPGA的高速RS譯碼器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(11)：66-68.

[4] BLACK P J，MENG T H.A 1-Gb/s，four-state，sliding block viterbi decoder[J].IEEE J.Solid-State Circuits，1997，32(6)：797-805.

[5] IEEE 802.15.3c：Wireless medium access Control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for high rate wireless personal area networks(WPANs)[S].2009.

[6] 陶杰，王欣，張?zhí)燧x.基于VHDL語(yǔ)言的卷積碼和Viterbi譯碼的實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(16)：3-5.