基于FPGA的改进型分组交织器的设计与实现

基于FPGA的改进型分组交织器的设计与实现

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。待交织数据以公式的顺序进入交织矩阵，再以公式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。

FPGA实现交织器的原理框图

　　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：

算法流程图

　　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。

　　2.2.2 读地址序列产生器设计

　　读地址是整个交织器设计部分的关键，采用“乱序读出”的方式。电路设计主要由加法、乘法器，计数器和比较器模块构成，其地址序列产生流程在算法分析中已作过详细说明，这里只作简单介绍：计数器Ⅰ相当于变量j，首先在时间脉冲cp的驱动下从初始状态“00000000”开始递增计数，当等于设定交织深度m时，产生一个时钟脉冲信号来驱动计数器Ⅱ，此时计数器Ⅱ的计数加一，同时与另一设定数据n进行比较，当相等时计数器Ⅰ、Ⅱ同时清0，重新开始计数。

读地址序列产生器

　　读地址产生结果由数据n与计数器Ⅰ每次的输出数据相乘，再与计数器Ⅱ的计数数据相加而得到。产生的序列依次为：0，n,2n,…,(m-1)n,1,n+1,2n+1,…,(m-1)n+1,2,…,mn-1.

　　2.3 写地址序列产生器设计

　　交织器采用“顺序写入”的写地址方式，即产生“0,1,2 …,mn-1”的顺序地址序列。因此写地址序列产生器的实现可由乘法器，比较器和计数器等宏单元模块构成（如图4所示），写地址具体产生说明如下：

写地址序列产生器

　　首先8位计数器在时钟脉冲cp的驱动下由初始状态“00000000”开始递增计数，产生的计数数据分成两路：一路送到双端口RAM的写地址端，作为交织器的写地址产生信号；另一路则送到比较器的一个输入端，同乘法器输出的结果进行比较：当计数器累计计数值小于乘法器计算结果时，计数器继续累加计数；而当计数值等于乘法器的计算结果时，比较器产生中断控制信号使得计数器清0，并重新开始计数。

2.4 读写使能控制设计

　　考虑到双端口RAM对其内部同一单元地址不能同时进行读写操作，因此，整个交织器设计需用读写使能控制电路用来对双端口RAM的地址读写进行控制，并同时决定读写发生器何时开始工作。由于双端口RAM的读、写实现都是从零地址开始的，因而RAM内的每个存储单元的读操作都应在写操作之后，从而保证每个读出数据的有效性。

　　读写使能控制电路如图5所示，读写控制电路采用类似于分频器原理[4]的工作方式，电路主要由计数器、比较器和D触发器来实现：计数器与n m比较的结果作为D触发器的时钟脉冲信号，当计数器的计数值等于n m时，触发器的输出状态进行一次反转，即相当于构成了一个n m的分频器电路。触发器的输出结果分成两路：一路送到双端口RAM的写地址使能端；另一路经过反相后送给读地址使能端。这样便可以使存储器RAM在“n m”的地址空间范围内交替进行“读/写”数据的操作。

读写使能控制电路

　　2.5 设计中的遇到的问题及解决办法

　　交织器的设计中包含的运算有相乘和相加，相乘会造成字长的变化。这便会带来数据位数匹配的问题，下面我们以读地址电路（图4）为例给出解决办法：

　　进入乘法器的两路数据均为8位，经过乘法运算后，数据位数会增加到16位，同时需要与来自计数器Ⅱ的8位数据进行加法运算。通常情况下多采取舍入或截尾的方法，即将16位数据的高8位字节舍去，这种方法的不足是当m、n的乘积大于256（11111111H）时，数据的高8位不全为0，舍去会带来输出结果的错误，因而可能造成交织器输出码字的错误。因此，可采用“补位”的办法，将输入加法器的8位数据补成16位（在8位数据前补8位0），以增长位宽从而达到数位匹配的目的。

　　3 QuartusⅡ仿真结果及分析

交织器的仿真波形如图6所示（其中“clk”为驱动时钟，“rden”、“wren”为读、写使能，“data”、“result”为输入、输出双端口RAM的数据序列）：

Quartus

　　从QuartusⅡ波形仿真结果看到当交织矩阵的m，n值为5和3时，双口RAM的输出数据为“0、5、10、1、6…”；当m，n调整为8和 6后,双口RAM的输出为“0、8、16、24…”。可以看出，在任意选取不同的m值和n值后，交织器能够根据分组交织的原理将输入RAM的数据字或比特位流进行交织，输出所需的数据序列，达到了交织矩阵深度和宽度可控的目的。

　　4 小结

　　本文介绍了可针对不同交织需要的改进型分组交织器FPGA设计，该交织器的主要特点是可根据信道中突发误码的长度、出现的频率以及纠错码的约束长度、纠错能力设定合适的交织深度和宽度（m,n），需要指出的是，m,n选得越大，信道编码的约束长度越大，从而对付信道中长突发差错的能力也就越强，但m,n选得越大，也就需要越大的存储空间，同时会引入更长的延时，所以应根据数字通信系统的实际情况选择合适的m值和n值。

　　本文作者创新点:对传统分组交织器进行了改进，实现了分组交织器的交织矩阵深度和宽度可控，能够很好的满足不同数据帧传输的要求，具有更好的抗信道突发错误的能力。