LTE标准下Turbo码编译码器的集成设计

摘  要： 针对固定码长Turbo码适应性差的缺点，以LTE为应用背景，提出了一种帧长可配置的Turbo编译码器的FPGA实现方案。该设计可以依据具体的信道环境和速率要求调节信息帧长，平衡译码性能和系统时延。方案采用"自顶向下"的设计思想和"自底而上"的实现方法，对Turbo编译码系统模块化设计后优化统一，经时序仿真验证后下载配置到Altera公司Stratix III系列的EP3SL150F1152C2N中。测试结果表明，系统运行稳健可靠，并具有良好的移植性；集成化一体设计，为LTE标准下Turbo码ASIC的开发提供了参考。

LTE（Long Term Evolution）是3GPP展开的对UMTS技术的长期演进计划。LTE具有高数据速率、低延迟、分组传送、广域覆盖和向下兼容等显著优势，在各种"准4G"标准中脱颖而出，最具竞争力和运营潜力。运营商普遍选择LTE，为全球移动通信产业指明了技术发展的方向。设备制造商亦纷纷加大在LTE领域的投入，其中包括华为、北电、NEC和大唐等一流设备制造商，从而有力地推动LTE不断前进，使LTE的商用相比其他竞争技术更加令人期待。

Turbo码[3]以其接近香农极限的优异纠错性能被选为LTE标准的信道编码方案之一。对Turbo编译码器进行FPGA集成设计，能够加速LTE的商用步伐，具有广阔的应用前景。在不同的信道环境中，通信系统对信息可靠性和数据实时性具有不同的指标要求，实际应用中必须对二者进行适当折中。因此，硬件设计一种纠错性能与译码时延可灵活配置的Turbo码编译码器更具商业价值。

Altera公司推出的功率优化、性能增强的Stratix III系列产品采用了与业界领先的Stratix II系列相同的FPGA体系结构，含有高性能自适应逻辑模块(ALM)，支持40多个I/O接口标准，具有业界一流的灵活性和信号完整性。Stratix III FPGA和Quartus II软件相结合后，为工程师提供了极具创新的设计方法，进一步提高了性能和效能[5]。Stratix III L器件逻辑单元较多，为帧长可配置Turbo码编译码器的FPGA设计提供了便利条件。

Turbo码的误码性能在很大程度上取决于信息帧长，信息帧越长，译码性能越好，代价是译码延时的增大。基于这一点，本设计提出一种帧长可配置的Turbo码编译码器的FPGA实现方案，详细介绍了该系统中交织器的工作原理，并对时序仿真结果和功能实现情况进行了分析，为LTE标准下Turbo编译码专用集成芯片的开发提供了参考。

1 帧长可配置的Turbo编译码器的系统结构

LTE标准中，信道编码主要采用Tail Biting（咬尾）卷积码和Turbo编码[4]两种方案。其中Turbo码码率为1/3，由两个生成多项式系数为(13，15)的递归系统卷积码（RSC）和一个QPP（二次置换多项式）随机交织器组成，采用典型的PCCC编码结构。

根据Turbo码编译码结构原理可知，信息帧长关键取决于交织深度的大小，如果交织器能够根据不同帧长参数自动植入不同的交织图样，并对其他模块进行相应参数控制，即可实现设计功能。由此得到可配置Turbo编译码器的设计思想：在编译码之前，由键盘电路输入信息帧长，系统据此对编译码器进行初始化，主要包括设置电路中存储器的深度，计算、存储交织图样，并通过LCD同步显示帧长信息；初始化过程结束时输出状态标志位，编译码器进入准备状态，一旦有数据输入，即启动编译码流程。由此得到Turbo编译码器系统结构图如图1所示。

图1的Turbo码编译码器中，所有有关信息长度的参数均设置为输入变量，包括存储器深度、计数器周期等，以方便配置。

2 FPGA功能模块的设计与实现

2.1 交织模块的设计

交织器是Turbo编译码器的主要构成部分之一，其能否根据帧长参数产生相应的交织图样也是本设计的关键所在。LTE标准中规定交织器采用QPP伪随机交织方案，交织长度范围为40~6 114，该方案对不同帧长产生不同的交织图样，能够有效改善码字的汉明距离和码重分布。假设输入交织器的比特序列为d0，d1，…，dK-1，其中K为信息序列帧长，交织器输出序列d′0，d′1，…，d′K-1。则有：

参数f1和f2取决于交织长度K，具体值可参见参考文献。

传统交织器的FPGA设计一般采用软件编程的方法。根据通信协议，将所确定帧长的交织图样预先计算出来，生成存储器初始化文件(.mif或.hex格式)载入到ROM中[6]。这样虽然降低了硬件复杂度，却不能自行配置编码帧长，缺乏灵活性和通用性。因此，设计中将交织算法集成于FPGA内部，需要改变信息帧长时启动交织器重新计算交织地址存储于RAM中。QPP交织器的硬件结构框图如图2所示。

图2中，在系统初始化阶段，由键盘电路采集输入的信息帧长K，经消抖处理，一路传输给LCD同步显示模块，另一路传送到f1、f2运算单元，查表得到f1、f2的值，提供给交织算法集成模块。

交织算法集成单元是交织器设计的核心部分。主要功能是根据LTE协议标准以及参数K、f1、f2，在时序控制模块的约束下，计算交织地址。运算过程中，将FPGA不能综合的对任意整数取余的运算，均转化为固定次数的加减循环操作，在时钟管理模块的控制下，采取小时钟计算、大时钟输出的措施，保证交织数据的正确读取。

计算交织地址的同时产生写入地址，将交织地址顺序存储到双口RAM中，由此完成了交织器的主体设计。随后发送握手信号，可以开始Turbo码编译码流程。

因为并不是每帧信息编译码时都需要运行交织算法模块，所以只是在初始化阶段载入交织地址，使交织算法与编译码器分时工作。调用交织器模块时只需将顺序地址输入到双口RAM的读地址端，便能得到既定帧长的QPP伪随机交织地址，不会增加译码延时。得到交织图样以后即可进行交织、解交织过程。

2.2 Turbo码编码器的设计

在完成交织模块的基础上对Turbo码编码器进行FPGA设计。Turbo码编码器由RSC（递归系统卷积码）子编码器、交织器、复接电路等构成，硬件实现框图如图3所示。

系统初始化完毕后，交织器已存储有对应帧长的交织图样，编码器首先接收到一帧信息存储于RAM中，开始信号启动编码过程。在时钟管理模块和时序控制模块的指引下，计数器产生顺序地址，再按该顺序地址访问交织器得到交织地址，分别以顺序地址和交织地址从存储有信息序列的RAM中读取数据进入对应的RSC进行编码，同时复接电路对信息位和校验位进行并串转换，一帧信息编码完毕对子编码器做归零处理。

来源：维库开发网