移動(dòng)通信系統中交織編碼器的設計

　　軟件無(wú)線(xiàn)電是一種實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的新的體系結構，是無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)業(yè)從模擬到數字、從固定到移動(dòng)這兩次革命后的第三次革命，是從硬件無(wú)線(xiàn)通信到軟件無(wú)線(xiàn)通信的革命。

　　在從事使用軟件無(wú)線(xiàn)實(shí)現GSM基站研究中，在深入研究GSM通信系統信道編碼結構、交織方式的基礎上，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言完成GSM基站信道編碼中使用的交織器的具體設計，為進(jìn)一步研究軟件無(wú)線(xiàn)技術(shù)在GSM基站系統中應用打下基礎。

1 GSM的話(huà)音編碼與信道編碼

　　在GSM通信系統中，全速率話(huà)音編碼算法為規則脈沖激勵及長(cháng)期預測算法(RPE-LTP)。模擬話(huà)音首先通過(guò)一個(gè)ADC以8 kHz采樣頻率進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)用均勻13 b編碼。話(huà)音編碼器對每20 ms一段的話(huà)音進(jìn)行壓縮編碼，編碼結果為每20 ms產(chǎn)生260 b的數據塊。這260 b的數據根據他們的重要性分成為3類(lèi)：Ia類(lèi)、Ib類(lèi)和Ⅱ類(lèi)。Ia類(lèi)共50 b，為非常重要的數據。如果這些數據被修改，恢復的話(huà)音將發(fā)生很大的錯誤，甚至無(wú)法恢復正常的話(huà)音，因此這些數據需要嚴格保護。Ib類(lèi)數據共132 b，是比較重要的數據，需要進(jìn)行較好的保護。Ⅱ類(lèi)數據共78 b，為一般重要的數據，發(fā)生一些差錯也不會(huì )對恢復的話(huà)音有太大的影響，通常不對其進(jìn)行保護。根據數據重要性的不同，決定信道編碼中采用不同的保護方法。

　　GSM通信系統的信道編碼首先對Ia類(lèi)數據進(jìn)行差錯檢測編碼，產(chǎn)生3個(gè)循環(huán)冗余校驗(CRC)比特，這些比特的產(chǎn)生使用多項式為G(x)=X3⊕X⊕1。3個(gè)CRC比特附在Ia類(lèi)的50 b后面，再與Ib類(lèi)數據組合在一起進(jìn)行K=5，r=1／2的卷積編碼，卷積編碼器使用的2個(gè)多項式為P1(x)=X4⊕X3⊕1和P2(x)=X4⊕X3⊕X⊕1，卷積編碼產(chǎn)生的結果是兩個(gè)189 b的序列，將他們與不需要保護的Ⅱ類(lèi)數據復合在一起，產(chǎn)生一個(gè)完整的經(jīng)過(guò)信道編碼的話(huà)音幀，共456 b。

2 交織編碼器工作原理

　　信道編碼中采用交織技術(shù)，可打亂碼字比特之間的相關(guān)性，將信道中傳輸過(guò)程中的成群突發(fā)錯誤轉換為隨機錯誤，從而提高整個(gè)通信系統的可靠性。交織編碼根據交織方式的不同，可分為線(xiàn)性交織、卷積交織和偽隨機交織。其中線(xiàn)性交織編碼是一種比較常見(jiàn)的形式。所謂線(xiàn)性交織編碼器，是指把糾錯編碼器輸出信號均勻分成m個(gè)碼組，每個(gè)碼組由n段數據構成，這樣就構成一個(gè)n×m的矩陣。這里把這個(gè)矩陣稱(chēng)為交織矩陣。如圖1所示，數據以a11，a12，…，a1n，a21，a22，…，a2n，…，aij，…，am1，am2，…，amn(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)的順序進(jìn)入交織矩陣，交織處理后以a11，n21，…，am1，a12，a22，…，am2，…，a1n，a2n，…，amn的順序從交織矩陣中送出，這樣就完成對數據的交織編碼。還可以按照其他順序從交織矩陣中讀出數據，不管采用哪種方式，其最終目的都是把輸入數據的次序打亂。如果aij只包含1個(gè)數據比特，稱(chēng)為按比特交織；如果aij包含多個(gè)數據比特，則稱(chēng)為按字交織。接收端的交織譯碼同交織編碼過(guò)程相類(lèi)似。

　　一般來(lái)說(shuō)，如果有n個(gè)(m，k)碼，排成，n×m矩陣，按列交織后存儲或傳送，讀出或接收時(shí)恢復原來(lái)的排列，若(m，k)碼能糾t個(gè)錯誤，那么交織后就可糾m個(gè)錯誤。對糾正信道傳輸過(guò)程中出現的突發(fā)錯誤效果明顯。

　　GSM中使用這種比特交織器。其交織方式為將信道編碼后的每20 ms的數據塊m=456 b拆分到8組中，每組57 b，然后這每組57 b分配到不同的Burst中。

3 交織編碼器的軟件設計

　　GSM通信系統必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，因此，交織編碼引入的延時(shí)應盡可能小。為了同時(shí)滿(mǎn)足塊內交織進(jìn)行(57，8)矩陣轉置變換和延時(shí)盡可能小的要求，該交織器利用2片雙口RAM實(shí)現，記作RAM_和RAM_B。交織處理時(shí)，按地址從0～455將456 b輸入數據全部寫(xiě)入RAM_A，待456 b數據全部送入RAM_A后，控制信號使RAM_A由寫(xiě)狀態(tài)轉換到讀狀態(tài)，同時(shí)，將輸入的待交織數據寫(xiě)入RAM_B，RAM_B為寫(xiě)狀態(tài)，交織器由RAM_A輸出數據。經(jīng)過(guò)456個(gè)時(shí)鐘周期后，從RAM_A讀出456 b數據的同時(shí)，RAM_B寫(xiě)入一個(gè)時(shí)隙的456 b數據。此時(shí)，改變RAM_A和RAM_B的讀寫(xiě)狀態(tài)，RAM_A開(kāi)始寫(xiě)，從RAM_B中讀取數據。如此反復完成數據的實(shí)時(shí)連續交織處理。

　　完成交織處理的核心問(wèn)題是處理好讀／寫(xiě)地址之間的關(guān)系，該交織器讀／寫(xiě)地址的變換采用如下算法完成：

　　為減少FPGA運算量，可利用Matlab，C語(yǔ)言等實(shí)現讀／寫(xiě)地址矩陣轉置運算。這里采用Matlab完成讀／寫(xiě)地址矩陣轉置運算，具體程序為：x=0：1：455；reshape(x，57，8)。讀／寫(xiě)地址的變換結果存儲在address_ROM.mif文件中。利用VHDL語(yǔ)言描述該交織編碼器完整代碼如下：

4 仿真分析

　　利用Altera公司的QuartusⅡ工具軟件，對該交織器仿真分析，得到的時(shí)序仿真波形如圖2所示。從讀地址(rd_addr_A)和寫(xiě)地址(wr_addr_A)以及(data_in)和(intlv_out)可以看出，該交織器完成既定的交織功能，延時(shí)相當小，該設計方法正確可行。

5 結語(yǔ)

　　本文提出基于FPGA實(shí)現交織器的方法，給出利用VHDL語(yǔ)言描述該交織器的全部代碼。通過(guò)仿真分析驗證該實(shí)現方案的正確性和可行性。為進(jìn)一步研究GSM通信系統基站軟件化打下了良好的基礎。