基于FPGA的改进型分组交织器的设计与实现 法国人, 通信

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Turbo码是由法国人Berrou于1993年提出的一种性能优越的信道编码方案[1]，其应用已逐步推广到卫星通信、移动通信和计算机通信等领域。交织器作为Turbo码编码器中的重要组成部分，在Turbo码的性能中起着至关重要的作用，因此交织器的设计成了Turbo码设计中的一个重要方面，交织器的好坏将直接关系到整个Turbo码系统的优劣。　　本文分析了交织器在Turbo码中的作用，以及分组交织器[2]存在的缺陷，提出一种改进型的分组交织器，即交织深度和宽度可控的分组交织器的设计方法。该交织器可根据数字通信中信道的实际特性，做到交织矩阵深度和宽度可控，能够更好的满足不同帧长度数据传输的要求，从而达到最佳的抗突发连续错误的目的。
　　交织器设计采用Altera公司生产的Cyclone系列FPGA芯片，利用其内部嵌入式存储资源，用双端口存储器实现。
　　1 传统分组交织器的作用、原理及缺陷
　　1.1 交织器的作用
　　在传统信道编码中，交织器的作用是将信源序列打乱，将它们分散到不同的数据序列中，以消除相邻码元之间的相关性。这样，当信号经历衰落或突发干扰时，邻近码元被噪声淹没的可能性会大大降低，从而增强了抵御长时间突发噪声的能力，同时也有利于接收端的译码接收。
　　另外，交织器作为Turbo码编码器中的重要组成部分，对提高Turbo码的性能起着至关重要的作用。文献[3]指出，Turbo码作为线性码，其纠错译码性能主要由码字的重量分布决定，而交织器实际上正是决定了Turbo码的重量分布。所以，Turbo码的性能很大程度上由交织器所决定。
　　1.2 分组交织器的原理
　　分组交织是一种简单的交织方式，其原理是在发送端将待交织的输入数据均匀分成m个码组，每个码组由n段数据组成，这样便构成一个n×m的交织矩阵，其中，m为交织深度，n为交织约束长度或宽度。待交织数据以的顺序进入交织矩阵，再以的顺序从交织矩阵中送出，这样就完成了对输入数据的分组交织。
　　1.3 分组交织器存在的缺陷
　　分组交织器虽然具有原理简单，易于硬件实现的特点。但其存在的主要缺点是由于交织矩阵的深度和宽度固定，不能够根据信道（特别是变参信道）中突发误码长度、纠错码的约束长度、纠错能力做出调整，这样，信息序列中出现的突发错误就不能够尽量随机分布在数据帧内。交织后，输入至编码器中的消息序列仍有很大的相关性。这就导致了Turbo码译码器在相继译码中不能正确的译码，会产生较高的译码错误。
　　基于以上原因，希望设计出交织矩阵深度和宽度可控的分组交织器，以适应不同数据帧长度的需要。从而更好的适应通信系统的特性要求，提高系统克服突发差错的能力。
　　2 改进分组交织器的FPGA设计与实现
　　2.1 FPGA选取及总体实现
　　交织器的设计采用Altera公司生产的Cyclone系列FPGA实现。根据系统的总体要求选用了一片EP1C3T100C8芯片，该系列芯片具有成本低、设计灵活、系统便于集成等优点[4]，因而在数字通信系统设计中得到了广泛的应用。此外，Cyclone系列芯片内部具有嵌入式RAM存储空间,可以实现较为复杂的逻辑功能，当用作片内存储器时，其存储数据的宽度和深度可由设计人员设定。因而利用存储器可以方便的设计出交织器，从而能够大大减小电路的体积和复杂度。
　　FPGA实现交织器的原理框图如图1所示，从图中可以看出交织器主要由读、写地址序列发生器，双端口RAM以及读写使能控制几部分组成。其中读写使能控制主要用来产生双端口RAM的读写控制信号，并决定读、写地址序列发生器何时启动工作。

　　2.2 读地址序列产生算法及设计
　　2.2.1 交织器读地址产生算法
　　交织器设计的关键部分在于“读/写地址”的产生。设交织器的交织矩阵为n m矩阵，根据分组交织原理，输入数据以0,1,2…,mn-1的顺序地址方式写入存储器，交织后输出为：0，n,2n,…, (m-1)n,1,n+1,2n+1, …,(m-1)n+1,2,…,mn-1.
　　地址产生算法采用双重循环的方式（算法流程如图2所示），算法流程说明如下：

　　①首先根据信道实际情况及数据帧长，选定合适的交织
　　将计数变量i，j清零；
　　②对计数变量j进行判断：如果j＜m，则j++；
　　如果j＝m，则跳到第3步；
　　③对计数变量i进行判断：如果i＜n，则i++并将j清零之后跳回第2步；如果i＝n，则跳回第1步，开始新一轮循环。
　　在整个循环过程中，读地址变量add不断输出“乱序”的交织地址add=j n+i，以达到设计的要求。
　　通过上述分析可以看出，算法中运用了加法、乘法、比较、计数等算术逻辑运算，则地址生成的FPGA设计过程中，需要运用加法器，乘法器，比较器，计数器等器件以实现相应功能。在设计过程中，这些器件采用由QuartusⅡ软件为设计人员提供的参数化宏单元模块LPM（library of parameterized modules）,使用它不仅可以简化电路复杂度，而且大大提高了设计速度。