劉暢

（重慶郵電大學移動通信技術重點實驗室，重慶 400065）

Turbo譯碼器低功耗設計

劉暢

（重慶郵電大學移動通信技術重點實驗室，重慶 400065）

Turbo譯碼器由于其接近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能而被現(xiàn)代通信系統(tǒng)所廣泛使用。在實際的硬件設計中，考慮到功耗和譯碼延遲的存在，本文基于TD-SCDMA系統(tǒng)的Turbo譯碼器，對迭代譯碼性能進行了仿真，并對通過CRC校驗進行找停的機制進行了仿真，對整個TD-SCDMA系統(tǒng)有很大的應用價值。

TD-SCDMA；Turbo碼；迭代譯碼；數(shù)字信號處理

上世紀90年代ICC會議上提出了一種重復迭代（Turbo）的并行級聯(lián)譯碼方式，通過軟輸入/輸出的方式實現(xiàn)了接近香農(nóng)極限的優(yōu)良性能，從而被現(xiàn)代通信系統(tǒng)廣泛采用。Turbo碼的一個重要特點就是采用了迭代譯碼的思想，在迭代的過程中，隨著迭代次數(shù)的增加譯碼性能會相應的增加，誤碼率也會隨之減少，但是過高的迭代次數(shù)會帶來大量的功耗和譯碼延遲。本文基于TD-SCDMA系統(tǒng)的Turbo譯碼器，通過對不同迭代次數(shù)下的譯碼性能仿真，提出了一種新的迭代找停準則。

1 Turbo編碼器與譯碼器結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA系統(tǒng)中的Turbo編碼器是一個并行級聯(lián)卷積碼（PCCC），包括一個2分支8狀態(tài)編碼器和一個Turbo碼內(nèi)交織器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖 1 碼率為1/3的Turbo編碼器結(jié)構(gòu)圖

Turbo譯碼器采用迭代譯碼的思想和軟輸入/軟輸出（SISO）的譯碼器結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖 2 Turbo譯碼器結(jié)構(gòu)圖

Turbo碼迭代譯碼器中的兩個分量譯碼器的輸入為系統(tǒng)信息Ys、校驗信息Yp和先驗信息La，其中先驗信息La是另一個分量譯碼器產(chǎn)生的外信息Le經(jīng)過交織或解交織后的對數(shù)似然比。第一次迭代時，La=0，經(jīng)過分量譯碼器1后產(chǎn)生外信息Le1，經(jīng)過交織進入分量譯碼器2，產(chǎn)生的外信息Le2經(jīng)過解交織后反饋作為分量譯碼器的先驗信息輸入，完成一次迭代譯碼。

隨著迭代次數(shù)的增加，兩個分量譯碼器得到的外信息對譯碼性能提高的作用越來越小，在達到一定的迭代次數(shù)后，譯碼性能不再提高。這時將分量譯碼器2的輸出對數(shù)似然比經(jīng)過解交織后再進行硬判決，就可以得到譯碼輸出。從Turbo碼的迭代譯碼結(jié)構(gòu)可以看出，最大的特點在于它采用了迭代譯碼，通過兩個分量譯碼器之間外信息的交換來提高譯碼性能。

2 不同迭代次數(shù)的仿真

通過上文對迭代次數(shù)的分析，可以看出每次迭代將經(jīng)過大量的計算，包括交織器等。在硬件設計中，考慮到算法的復雜度，以及譯碼延遲和功耗的制約，必須對迭代次數(shù)進行控制。圖3為TD-SCDMA系統(tǒng)中的Turbo譯碼器鏈路在不同迭代次數(shù)時的性能曲線（BER），仿真環(huán)境為：編碼端輸入的TB塊長度為200比特，調(diào)制方式為QPSK，CRC長度為8比特，打孔率為0，傳輸間隔TTI為20ms，擴頻因子SF為8，信道為AWGN信道。

圖 3 不同迭代次數(shù)時的Turbo譯碼器性能仿真

圖中從左到右分別為迭代次數(shù)為2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次的BER曲線?？梢钥闯觯S著迭代次數(shù)的增加，Turbo譯碼器的性能得到顯著提高（10次迭代比2次迭代在相同仿真環(huán)境下增益約為2.2DB）。然而性能增益并非隨著迭代次數(shù)的增加而線性提高，例如3次迭代要比2次迭代性能增益約0.9DB，而10次迭代僅比9次迭代性能增益約0.1DB。所以在譯碼器的最大迭代上限設置時，沒必要追求大量迭代，而是應根據(jù)實際的系統(tǒng)需求設置合理的迭代上限。本設計中的Turbo譯碼器采用最大迭代次數(shù)為10次的上限設置。

3 基于CRC校驗的找停準則

CRC校驗（Cyclic Redundancy Check）即循環(huán)冗余校驗碼，是數(shù)據(jù)通信領域最常用的一種差錯校驗碼。CRC校驗的基本原理是在發(fā)端收到長度為K位的信息碼后，從第K+1位拼接長度為R位的校驗碼，該校驗碼通過信息碼與不同格式的CRC生成多項式進行按位異或得出，具體的多項式除法原則為從輸入序列的高位開始異或計算，若首位為0，則右移至第一個非0的信息位，再次計算，直至計算出長度為R的校驗序列。收端做同樣的運算，若得出的R位校驗碼與譯碼器輸出的校驗碼一致，則表示譯碼正確。

現(xiàn)對TD-SCDMA系統(tǒng)的CRC校驗復雜度進行分析，假設輸入長度為K，生成多項式長度為G（G=9，13，17，25），考慮多項式除法高位為0時的移位，但由于信息序列是隨機的，無法得出具體的0比特比例，則粗略估計對于長度為K的輸入序列，至少應做K*G次異或運算。

假設在Turbo譯碼器中加入如下設計：在每次迭代后加入硬判決和CRC校驗。先對軟輸出信息進行硬判決，將硬判決得到的譯碼比特輸入CRC校驗模塊，若校驗正確，則停止迭代。同時，設置譯碼器的最大迭代次數(shù)為10次，若迭代次數(shù)超過10次，則停止迭代，無論對錯都輸出硬判決后的譯碼比特信息。

基于上文假設，圖4對不同擴頻因子下的CRC找停準則進行了迭代次數(shù)的統(tǒng)計。仿真環(huán)境為：編碼端輸入的TB塊長度為200比特，調(diào)制方式為QPSK，CRC長度為8比特，打孔率為0，傳輸間隔TTI為20ms，信道為AWGN信道。

圖 4 不同SF時的CRC找停準則迭代次數(shù)統(tǒng)計

圖5是在相同仿真環(huán)境下有CRC找停機制的譯碼算法和無CRC找停機制的原始譯碼算法的性能（BER）仿真。仿真環(huán)境為：編碼端輸入的TB塊長度為200比特，調(diào)制方式為QPSK，CRC長度為8比特，打孔率為0，傳輸間隔TTI為20ms，擴頻因子SF為8，信道為AWGN信道。

通過對圖4和圖5的分析可以得出以下結(jié)論：在信道環(huán)境較好的情況下，通過CRC找停準則進行迭代次數(shù)的控制，可以使迭代次數(shù)自適應的減少，最終收斂于1次迭代；而在信道環(huán)境較差的情況下，CRC找停準則將做大量迭代，有悖于降低復雜度的出發(fā)點，這時將采取最大迭代次數(shù)的上限控制進行迭代的停止（本設計中的最大迭代次數(shù)設置為10次迭代）。而在迭代次數(shù)為[1，10）的區(qū)間內(nèi)，由于CRC找停準則的核心思想是判別對了才停止迭代，結(jié)合BER曲線，可以看出性能并未受到惡化。

圖 5 相同仿真環(huán)境下CRC找停準則與原始算法性能仿真

4 結(jié)束語

CRC找停準則能夠使譯碼器自適應的控制迭代次數(shù)，通過減少迭代的方式降低復雜度，從而減少功耗和譯碼延遲，通過硬件仿真可以發(fā)現(xiàn)，利用本文提出的CRC找停準則進行設計將減少28%左右的功耗。但由于CRC校驗每次操作仍需做大量運算，所以CRC找停準則僅在信道環(huán)境較好時具有優(yōu)勢，因此結(jié)合最大迭代次數(shù)的上限設置，控制信道環(huán)境較差時的迭代上限，從而使CRC找停準則更為完善。

[1]Berrou C，Glavieux A.Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding：Turbo Codes.IEEE Trans.Commun，vol.44，1996，（10）：1261-1271

[2]3GPP TS 25.222 V10.2.0 3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group Radio Access Network，Multiplexing and Channel Coding（TDD）（Release4）.2011-12.

[3]王新梅，肖國鎮(zhèn).糾錯碼——原理與方法[M].西安：西安電子技術大學出版社.

[4]劉東華.Turbo碼原理應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社.

[5]李小文.TD-SCDMA.第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

TN911

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1671-0037（2014）03-58-2

劉暢（1986-），男，碩士研究生，研究方向：數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)以及通信系統(tǒng)基帶信號處理方面的研究。