徐永鍵,陸許明,龍光平,譚洪舟

(1.中山大學(xué),廣東廣州510800;2.東莞中山大學(xué)研究院,廣東東莞523808)

基于OFDM技術(shù)的軟比特解碼系統(tǒng)*

徐永鍵1,陸許明1,龍光平2,譚洪舟1

(1.中山大學(xué),廣東廣州510800;2.東莞中山大學(xué)研究院,廣東東莞523808)

提出了基于OFDM基帶系統(tǒng)的軟比特譯碼方法,該方法以Viterbi軟比特譯碼為中心,改善傳統(tǒng)OFDM基帶系統(tǒng)接收端的解映射、解交織、解刪余模塊,使得各個(gè)模塊兼容軟比特判決。軟判決采用3比特的量化作為數(shù)據(jù)處理單位,提高Viterbi譯碼的性能。該方法從解映射模塊入手,將接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)解映射為3比特量化數(shù)據(jù),送入改進(jìn)后兼容3比特量化數(shù)據(jù)的解交織模塊和解刪余模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)比硬比特解碼,所提出的軟比特解碼系統(tǒng)在性能上有很大的提升。

正交頻分復(fù)用基帶系統(tǒng) 軟比特譯碼 維特比譯碼

0 引 言

正交頻分復(fù)用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)由于頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強(qiáng),傳輸可靠等特點(diǎn),已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的傳輸技術(shù)。在OFDM基帶系統(tǒng)的發(fā)送端,分別進(jìn)行了卷積編碼、刪余、交織和映射[1];接收端,需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,其過程的包括:解映射、解交織、解刪余、Viterbi譯碼4個(gè)模塊。解碼的正確率直接影響了系統(tǒng)的性能。因此,提高譯碼精度非常重要。

Viterbi算法由于其強(qiáng)大的解卷積碼的能力,在OFDM解碼中廣泛應(yīng)用,軟判決將解調(diào)器輸出波形進(jìn)行多電平量化,然后送往譯碼器。相比于硬判決,軟判決譯碼充分利用了信道傳輸信號(hào)的信息,在性能上要高出2～3 dB。但現(xiàn)有的軟比特解碼[2]只關(guān)注于Viterbi模塊的解碼算法及實(shí)現(xiàn),在OFDM基帶系統(tǒng)中,還需要考慮整體架構(gòu)的兼容性。

為了設(shè)計(jì)合適于OFDM基帶系統(tǒng)的軟比特解碼系統(tǒng),本文基于Viterbi的軟比特解碼特點(diǎn)與要求,對(duì)OFDM基帶系統(tǒng)接收端的部分模塊如解映射、解交織、解刪余模塊進(jìn)行了兼容性的改進(jìn),使其與Viterbi模塊相兼容,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的軟比特解碼,所以解碼系統(tǒng)的整體譯碼架構(gòu)是本文的一個(gè)創(chuàng)新所在。

1 軟比特解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的硬比特解碼系統(tǒng)見圖1中,硬判決的解調(diào)器根據(jù)其判決門限對(duì)接收到的信號(hào)波形直接進(jìn)行判決,輸出0或1,這種處理方式所包含的信息量小,誤碼率較高,直接影響整體譯碼性能。

圖1 硬比特解碼系統(tǒng)Fig.1 Hardbit decoding system

軟判決系統(tǒng)的接收端在接收到信號(hào)之后,不進(jìn)行判決,直接輸出模擬量進(jìn)行多電平量化,即編碼信道輸出沒有經(jīng)過判決的“軟信息”,將軟信息送入解映射模塊,生成3比特的量化比特,如圖2所示。

圖2 軟比特解碼系統(tǒng)Fig.2 Soft bit decoding system

當(dāng)信號(hào)輸入解交織模塊時(shí),為了兼容3比特?cái)?shù)據(jù)的處理,利用了傳統(tǒng)交織器,在其實(shí)現(xiàn)原理不變的前提下,利用3個(gè)相同的解交織器,分別處理上一模塊輸出3比特位寬的高、中、低位。從而實(shí)現(xiàn)解交織模塊對(duì)3比特?cái)?shù)據(jù)的處理功能。

在解交織輸出后,將數(shù)據(jù)送入解刪余模塊,在刪余模塊中本設(shè)計(jì)對(duì)其的輸入位寬做出改變,為了對(duì)接解交織模塊的數(shù)據(jù)輸出,每個(gè)周期輸入以3比特為一數(shù)據(jù)塊進(jìn)行處理。

至此,完成了軟比特解碼周邊模塊的兼容性改造,對(duì)比傳統(tǒng)硬比特解碼系統(tǒng),軟比特解碼系統(tǒng)的解映射、解交織、解刪余模塊都兼容3比特?cái)?shù)據(jù)的處理,可順利將3比特?cái)?shù)據(jù)輸入至Viterbi解碼器進(jìn)行軟比特解碼。

2 解映射模塊

2.1 軟數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

解映射模塊是整個(gè)解碼架構(gòu)中軟數(shù)據(jù)[3]的產(chǎn)生模塊,這樣才使得量化后的解映射輸出數(shù)據(jù)能與Viterbi軟比特解碼輸入相容,下面將詳細(xì)介紹軟數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程。

在解映射處理部分,BPSK、QPSK無(wú)需進(jìn)行軟數(shù)據(jù)處理。以16-QAM解調(diào)方式為例,其灰度星座映射關(guān)系如表1所示。

表1 16-QAM星座映射關(guān)系Table 1 16-QAM constellation

假設(shè)調(diào)制編碼序列為c,若編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過加性高斯白噪聲AWGN的影響得到接收信號(hào)y,其表達(dá)式為:

式中,n表示均值為μ為零、方差σ2=N0/2的加性高斯白噪聲,N0表示白噪聲的平均功率,其噪聲的概率分布為:

由表1可以看到,對(duì)于軟比特b0而言,當(dāng)b0從0跳轉(zhuǎn)到1時(shí),在星座圖中僅僅實(shí)部受到影響。當(dāng)b0=0時(shí),對(duì)應(yīng)的QAM星座點(diǎn)取-3或-1,此時(shí)接收信號(hào)y的條件概率為:

式中,yre為信號(hào)y的實(shí)部。同理,當(dāng)b0=1時(shí),y的條件概率為:

通過式(3)和式(4)計(jì)算b0的似然比(Likelihood Ratio),并對(duì)其兩邊取對(duì)數(shù)可得b0的軟比特輸出值如式(5)所示:

但式(5)計(jì)算過于復(fù)雜,因此遵循以下原則進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)于輸入值yre,尋找星座點(diǎn)中b0=0和b0= 1對(duì)應(yīng)最接近的位置,并設(shè)這兩個(gè)位置為s0(b0=0)和s1(b0=1),d0=|yre-s0|,d1=|yre-s1|,則其軟比特s(b0)簡(jiǎn)化表示為:

對(duì)式(6)作歸一化處理,即除以歸一化因子2/ σ2得到最終表達(dá)式如下:

由圖2可知,當(dāng)yre＜-2時(shí),最接近yre的b0=0和b0=1的對(duì)應(yīng)位置為-3和1,代入式(7)得:

同理可得,16-QAM基于I相位的軟比特輸出值為:

式中,DI,0=s(b0),DI,1=s(b1),yre=yI。由于多進(jìn)制M-QAM星座圖存在I、Q對(duì)稱關(guān)系,因此,DI,0與DQ,0表達(dá)式相同,DQ,1=DI,1表達(dá)式相同。即s(b2)與s(b0)的表達(dá)式相同,s(b3)與s(b1)的表達(dá)式相同。

可對(duì)16-QAM的軟比特輸出值進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

同理可得64-QAM:

2.2 量化器模塊

對(duì)判決門限值(值為1)進(jìn)行23段等份量化,取值范圍為0～7共8個(gè)值。

將經(jīng)過軟數(shù)據(jù)處理的表達(dá)式根據(jù)表2所示進(jìn)行判決即可得到解映射輸出值。

表2 軟比特?cái)?shù)據(jù)輸出判決取值Table 2 Soft-bit data output value judgment

3 Viterbi譯碼模塊

Viterbi軟比特譯碼器是結(jié)合文獻(xiàn)[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)的,不同的是在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上加深了譯碼深度,因此從度雜度及功耗都遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)。本文也是圍繞此譯碼模塊對(duì)整個(gè)譯碼系統(tǒng)的其它3個(gè)模塊進(jìn)行改進(jìn),從而設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的軟比特譯碼系統(tǒng)。

譯碼模塊主要由3部分組成:分支度量單元(Branch Metric Unit)、加比選單元(Add-Compare-Select Unit)、幸存路徑管理單元(Survivor Management Unit)。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Viterbi譯碼模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Viterbi decoding module structure diagram

3.1 分支度量單元

分支度量主要負(fù)責(zé)完成統(tǒng)計(jì)卷編碼功能,計(jì)算所有卷積編碼情況;并且根據(jù)接收到的編碼數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù),來(lái)計(jì)算出各狀態(tài)的支路距離,才能送入加選比單元。

對(duì)于Viterbi算法,接受序列為兩個(gè)比特,其歐氏距離的計(jì)算方法如下:

式中,Ec為最大歐氏距離取值,ed00,ed01,ed10,ed11表示各狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生的支路距離情況。

表3 量化3電平與數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Correspondence between 3-level quantization and numerical value

3.2 加比選單元

Viterbi算法的實(shí)質(zhì)就是在網(wǎng)格圖上找到最短的那條路徑來(lái)進(jìn)行譯碼,而這部分的工作就是由加比選(ACS)單元來(lái)完成。

圖4 (2,1,7)卷積碼的64狀態(tài)網(wǎng)格Fig.4 64 State trellis diagram of the convolutional code

由于存在64中狀態(tài),需要進(jìn)行64次加比選操作。從圖4可以知道,可以對(duì)64次加比選操作分成32個(gè)蝶形計(jì)算單元來(lái)處理。

圖5 蝶形計(jì)算基本單元Fig.5 Butterfly calculating basic unit

每個(gè)蝶形單元處理兩個(gè)狀態(tài),設(shè)PMt-1表示t-1時(shí)刻各狀態(tài)的累計(jì)路徑距離,PMt表示t時(shí)刻各狀態(tài)累計(jì)路徑距離,BM表示由t-1時(shí)刻轉(zhuǎn)移到t時(shí)刻狀態(tài)對(duì)應(yīng)的支路度量距離,因此,圖5狀態(tài)p和狀態(tài)q更新的累計(jì)路徑距離由下式表示:

由式(7)可得到較小的幸存路徑度量值,并選擇對(duì)應(yīng)分支作為幸存路徑。

3.3 幸存路徑存儲(chǔ)單元

幸存路徑存儲(chǔ)單元(SMU)可根據(jù)各狀態(tài)的幸存路徑進(jìn)行譯碼處理得到譯碼結(jié)果,可以通過兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn):寄存器交換法(RE)和回溯法(TB)。高速通信中要求較高的編譯碼速率,所以本文采用寄存器交換法。如圖6所示。

圖6 寄存器交換單元Fig.6 Register exchange unit

4 綜合及仿真結(jié)果

將卷積編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過加性高斯白噪聲信道后,對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行硬比特譯碼和軟比特譯碼仿真結(jié)果作誤比特率(BER)VS.信噪比(SNR)對(duì)比。其結(jié)果如圖7所示,在SNR在5.5 dB時(shí),BER約為10-3,而當(dāng)SNR＞6 dB時(shí),BER為零。因此,軟比特譯碼系統(tǒng)相對(duì)硬比特譯碼系統(tǒng)在較高SNR時(shí)譯碼性能較好。

圖7 軟判決與硬判決譯碼系統(tǒng)性能比較Fig.7 Performance compared between soft decision and hard decision decoding system

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了OFDM基帶系統(tǒng)中軟比特解碼的實(shí)現(xiàn)方法,以現(xiàn)有的軟比特Viterbi譯碼為中心,搭建了軟比特解映射、解交織、解刪余模塊,并已硬件實(shí)現(xiàn)。從而對(duì)整個(gè)OFDM基帶系統(tǒng)軟比特譯碼的架構(gòu)進(jìn)行了完善,使得各個(gè)模塊能夠很好的兼容Viterbi軟比特譯碼模塊。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果證明,所提出的軟比特解碼系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)硬判決來(lái)說(shuō),整體譯碼性能在相同誤比特率下小2 dB,即可以減少2 dB的發(fā)送功率。因此軟比特譯碼系統(tǒng)可以更好的提高整個(gè)OFDM基帶系統(tǒng)接收端的譯碼性能。

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XU Yong-jian(1983-),male,Ph.D., majoring in semiconductor integrated circuit design.

陸許明(1985—),男,博士,主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體集成電路設(shè)計(jì);

LU Xu-ming(1985-),male,Ph.D.,majoring in semiconductor integrated circuit design.

龍光平(1988—),男,碩士,主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體集成電路設(shè)計(jì);

LONG Guang-ping(1988-),male,M.Sci.,majoring in semiconductor integrated circuit design.

譚洪舟(1965—),男,博士生導(dǎo)師,教授,主要研究方向?yàn)閷拵ㄐ?、信?hào)處理、復(fù)雜系統(tǒng)辨識(shí)及建模、半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)。

TAN Hong-zhou(1965-),male,Ph.D.tutor,professor, principally working at broadband communications,signal processing,identification and modeling of complex systems,semiconductor integrated circuit design.

OFDM-based Soft Bit Decoding System

XU Yong-jian1,LU Xu-ming1,LONG Guang-ping2,TAN Hong-zhou1
(1.Sun Yat-sen University,Guangzhou Guangdong 510006,China; 2.Dongguan Institute of Sun Yat-sen University,Dongguan Guangdong 523808,China)

A method based on soft bit decoding method of OFDM baseband system is proposed.This method takes the Viterbi decoding soft bit as the center part,thus to improve the demapping module,deinterleaving module and depuncturing module at the receiving terminal of the traditional OFDM baseband system.This solution makes each module compatible with soft bit decision which uses 3-bit quantization unit as the data processing units to improve the performance of Viterbi decoding.The method,from the perspective of the demapping module,demaps the received data signal for 3-bit quantized data.Then the quantitative data is put into the deinterleaving module and depuncturing module,which are improved to be compatible with 3-bit quantized data.The experimental results show that,compared to hard bit decoding, the soft bit decoding system has a great improvement in its performance.

OFDM baseband system;soft bit decoding;Viterbi decoding

TN911.23

A

1002-0802(2014)09-0999-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.005

徐永鍵(1983—),男,博士,助理研究員,主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體集成電路設(shè)計(jì);

2014-05-16;

2014-07-21 Received date：2014-05-16;Revised date：2014-07-21

廣東省教育部科技部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)專項(xiàng))(No.2012B090600009);東莞中山大學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目(No.201202B3-0300)

Foundation Item：Province of University-Industry Cooperation Projects(No.2012B090600009);Industrialized Key Support Project(No. 201202B3-0300)