MAP譯碼器嵌入式狀態(tài)信息存儲機制設計

　　1．引言

　　在無(wú)線(xiàn)通信系統中，可靠的數據傳輸是一個(gè)非常重要的論題。Turbo編碼得到逼近香農限的譯碼性能，成為研究和應用的熱點(diǎn)。Turbo碼的譯碼采用迭代運算的方式，即將前級譯碼器的輸出作為外信息輸入到本級譯碼運算，如此反復進(jìn)行直到達到相應收斂度才結束譯碼。圖1為turbo碼編譯碼結構框圖。

　　Turbo碼有多種譯碼算法，基于Bahl-Cocke-Je-linek-Raviv(BCJR)算法的MAP譯碼是最為廣泛應用的一種。MAP算法可以通過(guò)系統信息和外信息來(lái)獲得對一個(gè)比特良好的概率估計，其譯碼輸出的信息可以作為外信息由其他譯碼器在下一次迭代過(guò)程中使用。經(jīng)過(guò)一定次數的迭代運算之后，對外部信息的運輸結果收斂時(shí)，譯碼器盼陛能逼近香農限。

　　盡管Turbo碼的性能接近最優(yōu)值，但在實(shí)際集成電路硬件設計中，對于MAP算法的實(shí)現面臨兩個(gè)主要問(wèn)題：

　　(1)時(shí)間延遲過(guò)大。

　　(2)對于存儲器容量空間需求大。

　　MAP譯碼器采用迭代的方式工作，即在每次迭代過(guò)程中，MAP譯碼器首先利用前一次迭代中得到的外信息和信道接收信息，對待譯碼的碼字從頭部到尾部再從尾部到頭部?jì)蓚€(gè)方向收集譯碼信息；利用收集到的譯碼信息，譯碼器做最大釋然估計，估計值可以作為其他譯碼器做下一次迭代過(guò)程中的外信息使用。對于比特長(cháng)度為n的數據幀，前向和后向的信息提取共需2n步處理，另外估計數據需要n步。從而MAP算法共需要3n步操作，因此其譯碼延遲較大。MAP譯碼器在新的外部信息生成之前需要保存之前所有的譯碼信息，對于一個(gè)長(cháng)度為n比特的數據幀，且Turho碼空間為S，則需要2×n × S個(gè)存儲單元來(lái)保存信息。例如，在CDMA2000系統中的Turbo碼中S=8，且n=20730，則MAP譯碼器需要331680個(gè)存儲單元，這對于存儲器的需求壓力較大。為了降低對存儲空間的要求以及提高M(jìn)AP及其改進(jìn)算法Log_MAP[3,4]的度量信息計算速度，本文提出了嵌入式度量存儲(ESMS)。

　　本文內容組織結構如下：在第二部分介紹了Log_MAP算法；第三部分介紹了ESMS方法；第四部分給出ESMS方法的性能分析；第五部分是我們的結論。

　　2．Log_MAP算法

　　為便于表述，將本文所用的符號定義列于表1。

　　Turbo編碼器根據編碼約束關(guān)系利用源數據比特形成冗余的校驗比特，源數據比特與校驗比特形成碼字一同被發(fā)送。接收機收到的是被噪聲“污染”了的碼字，MAP譯碼器根據編碼約束關(guān)系對接收數據從頭部到尾部掃描得到前向搜索網(wǎng)格狀態(tài)信息，然后從尾部到頭部掃描得到反向搜索網(wǎng)格狀態(tài)信息。譯碼器通過(guò)得到的網(wǎng)格狀態(tài)信息從所有可能路徑中找到最佳譯碼路徑，最佳路徑即是對所有輸人數據的最佳估計的譯碼路徑。

　　Turbo譯碼器結構如據圖1所示，每個(gè)譯碼器的輸出為碼字中每個(gè)比特的估計概率概率值，常用對數釋然比(LLR)來(lái)表示，第k個(gè)比特的LLR定義為：

　　可以使用下面的公式簡(jiǎn)化Log_MAP算法中的冪運算。

　　在實(shí)際應用中，In(1+exp(-|b-a|))可以用查找表來(lái)實(shí)現。研究表明長(cháng)度為8的表可以提供足夠的精確度。在Log_MAP算法中對網(wǎng)格信息的歸一化操作如下：

　　3．嵌入式狀態(tài)信息存儲(ESMS)

　　根據Log_MAP算法的原理，每步中的狀態(tài)信息為0到負無(wú)窮間的一組數(實(shí)際應用中為0到一個(gè)有界的負數之間)。一個(gè)狀態(tài)的度量接近0意味著(zhù)該狀態(tài)最優(yōu)譯碼路徑上的正確的狀態(tài)的概率最大。如果αk(s)是最大值，αk(s)=0，s為前向搜索第k步正確狀態(tài)的概率最大。如果βk(s)是最大值，βk(s)=0，s是反向搜索第k步正確狀態(tài)的概率最大。

　　從(9)式可知，LLek的值取決于{αk-1(s′)}中的最大值和{βk-1(s′}中的最大值。如果編碼器的輸出為dsk=+1且譯碼器的估計正確，則LLek為正。如果編碼器的輸出為dsk=-1且譯碼器的估計正確，LLek為負。LLek的絕對值越大，第k步估計為正確估計的概率越大。如果LLek最大值與次大值之差越大，LLek會(huì )越快收斂于正確估計。因此，譯碼的關(guān)鍵在于得到最大信息的狀態(tài)，而狀態(tài)信息的絕對值不影響結果，即這個(gè)最大值是否為0并不影響結果。

　　在Log_MAP譯碼算法中使用模圓周上的相對位置的狀態(tài)信息度量而不是絕對位置的度量。令

　　由此，我們將狀態(tài)轉移到了新的位置，這里αk(0)和βk(0)永遠為0。因此不需要存儲{αk(0)}={α0(0)， α1，(0)……αtength(0)和{β(0)}={β0(0)，β1，(0)……βtength(0)。我們將這種技術(shù)稱(chēng)為嵌入式狀態(tài)信息存儲(ESMS)。它可以降低實(shí)際應用對存儲器的要求。

　　ESMS使用二進(jìn)制補碼加法器和減法器。使用ESMS技術(shù)需要對Log_MAP算法進(jìn)行如下修改。

　　3.1狀態(tài)度量信息更新

　　在ESMS度量更新的時(shí)候同時(shí)完成歸一化操作，因此，在ESMS歸一化過(guò)程中，不需要搜索每一步的最大狀態(tài)信息，從而可以降低VLSI應用中的延遲和面積。

　　3.2外信息計算

　　由于在計算狀態(tài)信息和外信息的過(guò)程中，αk(0)和βk(0)始終為0，所以相關(guān)的運算可以省略；因此ESMS可以減少譯碼運算量。

　　4．性能分析

　　本文使用仿真來(lái)分析ESMS技術(shù)的性能。仿真中采用CDMA2000標準中的turbo碼，仿真參數列于表2。為性能評價(jià)，在設計數據路徑時(shí)采用了Synopsys作為綜合器。為了比較，同時(shí)采用了傳統的Log_MAP算法。圖2和圖3展示了仿真結果，從而得出結論使用了ESMS技術(shù)的Log_MAP算法的譯碼器可以達到傳統算法相同的性能。表3列出了采用ESMS技術(shù)的Log_MAP算法的譯碼器，采用MEPMUM技術(shù)的譯碼器以及采用傳統方法譯碼器為存儲度量信息所要求的存儲器空間數值。從表3中顯示MEPMUM和ESMS能極大的降低存儲器用量，且ESMS能協(xié)助MEPMUM降低12.5％的存儲器空間。

　　采用了ESMS和傳統方法兩種應用來(lái)實(shí)現Log_MAP譯碼器。為了比較，應用還采用了智能歸一化[8]的Log_MAP譯碼器。在綜合中選擇速度最優(yōu)化選項。表4列出了綜合結果。表4顯示智能歸一化和ESMS相比傳統方式能減少超過(guò)36％的面積和17％的延遲。采用了ESMS技術(shù)的Log_MAP算法比智能歸一化實(shí)現多降低了1％的面積和延遲，但相比存儲器空間競降低了12.5％。因此，本文提出的這種新技術(shù)ESMS能夠使Log_MAP譯碼器運算更快，面積更小，存儲器空間消耗更小。

　　5．結論

　　本文提出的嵌入式狀態(tài)信息存儲技術(shù)能夠提高Turbo譯碼器的運算速度，并減小面積占用，這種狀態(tài)信息存儲機制能夠用于Log_MAP和Max-Log_MAP譯碼器的ASIC和FPGA設計中。