专利名称：Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及信息传输中的前向纠错编译码技 术，是TPC编译码算法的一种新的FPGA实现方法。
背景技术：
数据通信中，信道编译码是通信系统中的核心组成部分之一，它致力 于为系统提供更高的传输可靠性。Turbo乘积码(Turbo Product Code,简 称TPC)编译码技术是近十余年来发展的一种差错控制技术，它是将Turbo 码中迭代译码方法引入乘积码(Product Code)译码方案中所构成的新的 编码技术。TPC具有非常好的纠错能力，不仅在加性高斯白噪声信道(AWGN) 中对系统性能有很大幅度的改善，在瑞利衰落信道(Rayleigh Fading Channel)中也能大大改善系统性能。
TPC属于乘积码，基本结构通常如图l所示。在乘积码编码中，先将输 入信息ml排列成klXk2的矩阵，接着对第一列的数据做分组编码(nl， kl， dl)，然后依次完成k2列的分组编码，构成子码长度为nlXk2。然后
将第一次编完的码作为第二次编码的输入数据，对第一行数据进行分组编 码(n2， k2， d2)，然后依次完成nl行的编码，成为乘积码，大小为nlXn2。 为适应应用需求，需要信道编码方案提供更高的误码率性能和系统增 益，并且尽可能的提高译码的速度，以支持数十Mbps到上百Mbps的信息处理速率，这对TPC的实现尤其是译码模块的实现增加了很高的难度。现 有的TPC解决方案，信息处理速率大多在10Mbps到20Mbps (有个别解决方 案可达上百Mbps)。目前围绕TPC编译码算法的研究，主要集中在如何降低 译码算法的复杂度，提高信息处理速率，同时保证比较高的译码性能。
另外，现有的TPC解决方案大多是各类专用IC以及各种高速信号通信 仪器，使用成本较高，应用不便，灵活性差。而IP核(IP core)类则配 置比较繁琐，成本也比较高，或者算法过于简化，性能不高，而且由于没 有核心代码，不能根据开发需要进行自主修改。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种Turbo乘积码优化编译码算法的 F GA实现方法，以降低软判决译码的复杂度，降低译码器内部的占空比，
提高可以支持的数据率。
一种Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现方法，包括以下步骤-
1) 编码，待编码数据传输至随机存取内存中，编码器从随机存取内存 中逐行或逐列读入，并采用Turbo乘积码进行行或列编码，所有行或列编 码完毕后再逐列或逐行进行编码，将编码后的数据写入输出Ram中，当输 出Ram满时，先输出帧头，然后读出输出Ram中的整块数据，数据输出完 毕直到下一块数据输出前的时钟空隙，以0或1或其他冗余信息补足；并 根据码率需要，对信息位进行縮短；
2) 组帧，对编码后输出的数据进行组帧并发送；
3) 译码，对接收到的数据进行解帧和译码。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤1)中，随机存取内存为Rami和Ram2，具体步骤如下
待编码数据传输开始后，1个信息块长度的数据写入Rami后，开始写 入Ram2并且同时编码器开始工作，编码器从Rami中逐行或列读入进行行 编码，写入输出Ram;所有行或列编码完毕后再逐列或行进行编码，写入输 出Ram，在Raml读完后，等1个信息块长度的数据写入Ram2后，在Ram2 中重复Rami同样的操作，Rami和Ram2反复切换，当输出Ram满时，先输 出帧头，然后读出Ram中的整块数据。
作为本发明的另一优选方式，所述步骤l)中，编码端实现的码型包括 扩展汉明码(8，4)， (16,11)， (32,26)， (64,57)， (128， 120)和扩展BCH码 (16,6)， (32,21)， (64,51)， (128， 113)共9种基本码型。
作为本发明的再一优选方式，对信息位进行縮短的方式为按行縮短、 按列縮短或按行列信息位縮短，缩短的码型为以下码型中的一个
(32，26)X(30，24)或(30,24)X(32,26);
(32，21)X(31，20)或(31，20)X(32，26);
(30，24)X(32，21)或(32，21)X(30，24);
(30，24)X(32，21)或(32，21)X(30，24);
(64，57)X(63，56)或(63，56)X(64，57);
(64，51)X(61，48)或(61，48)X(64，51);
(61,48)X(63，56)或(63,56)X(61，48);
(61，48)X(64，57)或(64，57)X(61，48);
(64，51)X(63，56)或(63，56)X(64，51);
(128， 120) x (127， 112)或(127， 112) x (128， 120); (128， 113) x (127， 112)或(127， 112) x (128， 113)。作为本发明的再一优选方式，所述步骤2)组帧中，使用32位或64 位的CAZAC序列作为帧头。
作为本发明的再一优选方式，对于帧之间的空白地带，循环填充固定 序列，序列构成为0、 1均匀分布的3至10位的较短序列。
作为本发明的再一优选方式，所述固定序列的长度为6位。
作为本发明的再一优选方式，所述步骤3)译码包括以下步骤-
31) 检测帧头，检测到帧头之后开始读入一块长度的数据；
32) 对读入的数据进行译码，译码采用基于伴随式的SISO译码算法。 作为本发明的再一优选方式，所述步骤32具体为，先计算伴随式，如
果伴随式为0则认为传输没有错误，直接输出结果，否则按照图4进行迭 代译码，迭代公式为W(m+l):W(mh"(m) +R(m)，式中W(m)是上次迭代的输 出信息，"(m)， R(m)是本次迭代的输入信息，W(m+1)是本次迭代的输出， 迭代次数为4次到6次。
作为本发明的再一优选方式，所述迭代次数为5次，接收到的输入软 信息为6位，所述译码按照chase算法进行译码并计算输出信息，在Chase 算法中对于128码型选择最不可靠的6个位置，对于64码型和32码型选 择最不可靠的4个位置。
本发明的有益效果为达到了较高的编码性能，并且可以针对不同应 用需求进行灵活配置。而且由于是软核，通过并行使用多个译码单元可以 达到更高的数据速率，可用于高速数据通信。对于低速低资源应用环境， 根据实际要求可以配置不同的软件版本，目前已经划分为9个不同的基本 版本，资源占用从3千门到2.5万门不等，对应最大数据速率从低到高， 可以针对不同的系统要求进行配置。
图1为TPC属于乘积码的基本结构；
图2为本发明Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA发送、接收方法实 施例流程图3为本发明实施例中输出Ram的信息位行縮短方式； 图4为本发明实施例中软判决迭代译码实现结构示意图； 图5为本发明实施例中(64， 57) (64， 57) TPC编码性能曲线。
具体实施例方式
如图2所示， 一种Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现方法，包 括以下步骤 1)编码
采用Raml、 Rami两块随机存取内存(Random Access Memory, RAM) 和输出Ram，待编码数据传输开始后，数据写入Raml。 Rami写满时(1个 信息块的长度)，开始写入Ram2并且同时编码器开始工作，编码器从Rami 中逐行读入进行行编码，写入输出Ram，即写入图3中的输入矩阵(i叩ut army)和行奇偶校验位(奇偶校验1位)；所有行编码完毕后再逐列进行 编码，写入输出Ram，即写入图3中的列奇偶校验位(奇偶校验2位)及奇 偶校验位的奇偶校验位(奇偶校验2位)。在Rami读完后，即1个信息块 长度的信息读完后，等待Ram2写满(也是1个信息块的长度)，在Ram2中 重复Raml同样的操作，Rami和Ram2反复切换，以保证编码输入的流水性。 当输出Ram满时，先输出帧头，然后读出Ram中的整块数据。数据输出完毕直到下一块数据输出前的时钟空隙，以0或1或其他冗余信息补足，以 满足码率要求。编码端实现的码型包括扩展汉明码(8，4)， (16,11)， (32， 26)， (64,57)， (128， 120)和扩展BCH码(16， 6) ， (32,21)， (64,51)， (128,113)共9种基本码型，最大支持0.8789的码率。实用中，码率通常 采用0. 75、 0. 7、 0. 6等码率，因此要对信息位进行縮短来得到需要的码率。 常见的縮短方式有按行縮短，按列縮短，按行列信息位縮短等，图3中信 息位同时縮短s行和s列。通过仿真和工程实践，发现有几种改进的縮短 码型在卫星通信和视距通信中有比较好的误码性能，而且信息块是整字节 类型，在实际处理中有很多便利，特别适合这些应用。这些特定的编码类 型如下
1) (32，26)X(30，24)或(30，24)X(32，26);
2) (32，21)X(31,20)或(31，20)X(32，26);
3) (30，24)X(32,21)或(32，21)X(30，24);
4) (30，24)X(32，21)或(32，21)X(30，24);
5) (64，57)X(63，56)或(63，56)X(64，57);
6) (64，51)X(61，48)或(61，48)X(64，51);
7) (61，48)X(63，56)或(63，56)X(61，48);
8) (61，48)X(64，57)或(64,57)X(61，48);
9) (64，51)X(63，56)或(63，56)X(64，51);
9) (128， 120) x (127， 112)或(127， 112) x (128， 120);
10) (128， 113) x (127， 112)或(127， 112) x (128， 113)。 2)组帧
为了方便数据在信道上的非连续传输，就需要对编码后的数据进行组帧。作为帧头，其性能的好坏对译码端帧头检测有比较大的影响。所知的
一些产品和专利采用的多是类似PN码之类作为帧头，其缺陷在于有旁瓣电 平干扰。本发明采用的方法是使用32位或64位的CAZAC序列作为帧头， 其优点是自相关只有一个点上有值，也就是说完全没有旁瓣干扰，对于帧 头检测非常有利。本发明采用的CAZAC序列用于TPC (Turbo乘积码)的思 想，而非移动通信中用于TPC (Transmit Power Control)。对于帧之间的 空白地带，采用全0或者全1时对于调制解调会带来一定的不便，我们采 用了循环填充固定序列的方法，序列构成为0， l均匀分布的较短的序列如 110100，优点是IQ路信号不同(一路为100,另一路为110)有利于调制 解调同时0， 1分布较均匀。这种填充非全0，全1而且0, 1均匀分布的短 序列不限于上述给出的序列实例。
3)译码
31)检测帧头，即对收到的码作自相关。检测到帧头之后开始读入一 块长度的数据。接口也采用Ram3和Ram4两块随机存取内存进行反复切换 的乒乓模式。
32 )在Ram满后，译码器开始工作。译码端内部可以使用多个子译 码器核心同步并行工作。本实施例中，译码采用基于伴随式的SISO译码算 法，即先计算伴随式，如果伴随式为0则认为传输没有错误，直接输出结 果，这样简化了算法，提高了译码速度。如果伴随式不为0，则按照图4开 始进行迭代译码，采用的行或列译码方案为软判决迭代译码，也可以通过 参数设置采用硬判决译码。迭代公式为W(m+l^W(m)^(m) +R(m)。 W(m)是 上次迭代的输出信息，R是接收到的输入软信息，《(m)、 6 (m)是量化参数， R(m)是本次迭代的输入信息，W(m+1)是本次迭代的输出。译码器核心按照chase算法进行译码并计算输出信息。迭代次数可以设置，通常采用4次到 6次迭代，多数情况下5次最为理想。通过大量的实验表明，采用6位输入 软信息可保证较高的量化精度和较低的复杂度，实现量化精度和复杂度的 折衷。本实施例中优选采用5次迭代和6位软信息的参数设置。
译码器核心采用Chase算法，并对算法进行了改进。在不可靠位置的 选择上，原方法是选择最不可靠的S/2个位置。本发明在此基础上，通过 工程实践逐渐减小此范围，最终得到结论，在此数字为6 (对128码型)和 4 (对64码型和32码型)，能够在基本不损失性能的条件下最大限度的简 化译码的复杂度，在发现错误后，按照错误数的奇偶性分别进行后续处理 以优化算法结构。
本发明在以上改进的基础上，降低了资源占用率，相对于业界相似产 品，本发明的IP核(IP core)资源占用率大大降低10% 20%。同时保持 了比较高的编码增益，典型实例如图5所示，采用(64，57)(64，57)码型， 在10E-6误码率下达到了 7. 8dB的编码增益；6bit的软信息位数保证了较 高的译码精度；译码模块支持的速率较高，单独使用一个译码单元最高可 以支持20Mbps的数据速率，达到了业界硬件TPC产品的平均水平。
权利要求
1、一种Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现方法，其特征在于包括以下步骤1)编码，待编码数据传输至随机存取内存中，编码器从随机存取内存中逐行或逐列读入，并采用Turbo乘积码进行行或列编码，所有行或列编码完毕后再逐列或逐行进行编码，将编码后的数据写入输出Ram中，当输出Ram满时，先输出帧头，然后读出输出Ram中的整块数据，数据输出完毕直到下一块数据输出前的时钟空隙，以0或1或其他冗余信息补足；并根据码率需要，对信息位进行缩短；2)组帧，对编码后输出的数据进行组帧并发送；3)译码，对接收到的数据进行解帧和译码。
2、 根据权利要求1所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于所述步骤l)中，随机存取内存为Raml和Ram2，具体 步骤如下待编码数据传输开始后，l个信息块长度的数据写入Raml后，开始写 入Ram2并且同时编码器开始工作，编码器从Rami中逐行或列读入进行行 编码，写入输出Ram;所有行或列编码完毕后再逐列或行进行编码，写入输 出Ram，在Rami读完后，等1个信息块长度的数据写入Ram2后，在Ram2 中重复Raml同样的操作，Rami和Ram2反复切换，当输出Ram满时，先输 出帧头，然后读出Ram中的整块数据。
3、 根据权利要求1或2所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA 实现方法，其特征在于所述步骤l)中，编码端实现的码型包括扩展汉明 码(8，4)' (16， 11)， (32,26)， (64,57)， (128， 120)和扩展BCH码(16, 6)，(32,21)， (64,51)， (128， 113)共9种基本码型。
4、根据权利要求3所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于对信息位进行缩短的方式为按行縮短、按列縮短或按 行列信息位縮短，縮短的码型为以下码型中的一个-(32，26)X(30，24)或(30，24)X(32，26);(32，21)X(31，20)或(31，20)X(32，26);(30，24)X(32,21)或(32,21)X(30，24);(30，24)X(32，21)或(32,21)X(30，24);(64，57)X(63，56)或(63，56)X(64，57);(64，51)X(61，48)或(61,48)X(64，51);(61，48)X(63，56)或(63，56)X(61，48);(61，48)X(64,57)或(64，57)X(61，48);(64，51)X(63，56)或(63，56)X(64，51);(128, 120) x (127， 112)或(127， 112) x (128， 120); (128， 113) x (127， 112)或(127， 112) x (128， 113)。
5、 根据权利要求4所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于所述步骤2)组帧中，使用32位或64位的CAZAC序列 作为帧头。
6、 根据权利要求5所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于对于帧之间的空白地带，循环填充固定序列，序列构 成为0、 1均匀分布的3至10位的较短序列。
7、 根据权利要求6所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于所述固定序列的长度为6位。
8、 根据权利要求4至7中任一权利要求所述的Turbo乘积码优化编译 码算法的FPGA实现方法，其特征在于所述步骤3)译码包括以下步骤31) 检测帧头，检测到帧头之后开始读入一块长度的数据；32) 对读入的数据进行译码，译码采用基于伴随式的SIS0译码算法。
9、 根据权利要求8所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于所述步骤32具体为，先计算伴随式，如果伴随式为0则认为传输没有 错误，直接输出结果，否则按照图4进行迭代译码，迭代公式为 W(m+l)=W(m)*"m) +R(m)，式中W(m)是上次迭代的输出信息，"(m) ， R(m) 是本次迭代的输入信息，W(m+1)是本次迭代的输出，迭代次数为4次到6 次。
10、 根据权利要求9所述的Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现 方法，其特征在于所述迭代次数为5次，接收到的输入软信息为6位， 所述译码按照chase算法进行译码并计算输出信息，在Chase算法中对于 128码型选择最不可靠的6个位置，对于64码型和32码型选择最不可靠的 4个位置。
全文摘要
一种Turbo乘积码优化编译码算法的FPGA实现方法，包括以下步骤1)编码，待编码数据传输至随机存取内存中，编码器从随机存取内存中逐行或逐列读入，并采用Turbo乘积码进行行或列编码，所有行或列编码完毕后再逐列或逐行进行编码，将编码后的数据写入输出Ram中，当输出Ram满时，先输出帧头，然后读出输出Ram中的整块数据，数据输出完毕直到下一块数据输出前的时钟空隙，以0或1或其他冗余信息补足；并根据码率需要，对信息位进行缩短；2)组帧，对编码后输出的数据进行组帧并发送；3)译码，对接收到的数据进行解帧和译码。本发明可以针对不同应用需求进行灵活配置。通过并行使用多个译码单元可以达到更高的数据速率，可用于高速数据通信。
文档编号H03M13/00GK101483443SQ200810207929
公开日2009年7月15日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者丁勇飞, 徐丁海, 裕 李, 沈凯虹, 韬 牛, 石吉利 申请人:中国航空无线电电子研究所