基于OFDM技术的软比特解码系统*

2014-02-10徐永键陆许明龙光平谭洪舟

通信技术 2014年9期

关键词：交织译码基带

徐永键,陆许明,龙光平,谭洪舟

(1.中山大学,广东广州510800;2.东莞中山大学研究院,广东东莞523808)

基于OFDM技术的软比特解码系统*

徐永键1,陆许明1,龙光平2,谭洪舟1

(1.中山大学,广东广州510800;2.东莞中山大学研究院,广东东莞523808)

提出了基于OFDM基带系统的软比特译码方法,该方法以Viterbi软比特译码为中心,改善传统OFDM基带系统接收端的解映射、解交织、解删余模块,使得各个模块兼容软比特判决。软判决采用3比特的量化作为数据处理单位,提高Viterbi译码的性能。该方法从解映射模块入手,将接收到的数据信号解映射为3比特量化数据,送入改进后兼容3比特量化数据的解交织模块和解删余模块。实验结果表明,对比硬比特解码,所提出的软比特解码系统在性能上有很大的提升。

正交频分复用基带系统软比特译码维特比译码

0 引言

正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术由于频谱利用率高、抗多径衰落能力强,传输可靠等特点,已经成为第四代移动通信系统中最具竞争力的传输技术。在OFDM基带系统的发送端,分别进行了卷积编码、删余、交织和映射[1];接收端,需要对接收到的数据进行解码,其过程的包括:解映射、解交织、解删余、Viterbi译码4个模块。解码的正确率直接影响了系统的性能。因此,提高译码精度非常重要。

Viterbi算法由于其强大的解卷积码的能力,在OFDM解码中广泛应用,软判决将解调器输出波形进行多电平量化,然后送往译码器。相比于硬判决,软判决译码充分利用了信道传输信号的信息,在性能上要高出2～3 dB。但现有的软比特解码[2]只关注于Viterbi模块的解码算法及实现,在OFDM基带系统中,还需要考虑整体架构的兼容性。

为了设计合适于OFDM基带系统的软比特解码系统,本文基于Viterbi的软比特解码特点与要求,对OFDM基带系统接收端的部分模块如解映射、解交织、解删余模块进行了兼容性的改进,使其与Viterbi模块相兼容,从而实现整个系统的软比特解码,所以解码系统的整体译码架构是本文的一个创新所在。

1 软比特解码系统结构

在传统的硬比特解码系统见图1中,硬判决的解调器根据其判决门限对接收到的信号波形直接进行判决,输出0或1,这种处理方式所包含的信息量小,误码率较高,直接影响整体译码性能。

图1 硬比特解码系统Fig.1 Hardbit decoding system

软判决系统的接收端在接收到信号之后,不进行判决,直接输出模拟量进行多电平量化,即编码信道输出没有经过判决的“软信息”,将软信息送入解映射模块,生成3比特的量化比特,如图2所示。

图2 软比特解码系统Fig.2 Soft bit decoding system

当信号输入解交织模块时,为了兼容3比特数据的处理,利用了传统交织器,在其实现原理不变的前提下,利用3个相同的解交织器,分别处理上一模块输出3比特位宽的高、中、低位。从而实现解交织模块对3比特数据的处理功能。

在解交织输出后,将数据送入解删余模块,在删余模块中本设计对其的输入位宽做出改变,为了对接解交织模块的数据输出,每个周期输入以3比特为一数据块进行处理。

至此,完成了软比特解码周边模块的兼容性改造,对比传统硬比特解码系统,软比特解码系统的解映射、解交织、解删余模块都兼容3比特数据的处理,可顺利将3比特数据输入至Viterbi解码器进行软比特解码。

2 解映射模块

2.1 软数据的产生

解映射模块是整个解码架构中软数据[3]的产生模块,这样才使得量化后的解映射输出数据能与Viterbi软比特解码输入相容,下面将详细介绍软数据产生的过程。

在解映射处理部分,BPSK、QPSK无需进行软数据处理。以16-QAM解调方式为例,其灰度星座映射关系如表1所示。

表1 16-QAM星座映射关系Table 1 16-QAM constellation

假设调制编码序列为c,若编码数据经过加性高斯白噪声AWGN的影响得到接收信号y,其表达式为:

式中,n表示均值为μ为零、方差σ2=N0/2的加性高斯白噪声,N0表示白噪声的平均功率,其噪声的概率分布为:

由表1可以看到,对于软比特b0而言,当b0从0跳转到1时,在星座图中仅仅实部受到影响。当b0=0时,对应的QAM星座点取-3或-1,此时接收信号y的条件概率为:

式中,yre为信号y的实部。同理,当b0=1时,y的条件概率为:

通过式(3)和式(4)计算b0的似然比(Likelihood Ratio),并对其两边取对数可得b0的软比特输出值如式(5)所示:

但式(5)计算过于复杂,因此遵循以下原则进行简化,对于输入值yre,寻找星座点中b0=0和b0= 1对应最接近的位置,并设这两个位置为s0(b0=0)和s1(b0=1),d0=|yre-s0|,d1=|yre-s1|,则其软比特s(b0)简化表示为:

对式(6)作归一化处理,即除以归一化因子2/ σ2得到最终表达式如下:

由图2可知,当yre＜-2时,最接近yre的b0=0和b0=1的对应位置为-3和1,代入式(7)得:

同理可得,16-QAM基于I相位的软比特输出值为:

式中,DI,0=s(b0),DI,1=s(b1),yre=yI。由于多进制M-QAM星座图存在I、Q对称关系,因此,DI,0与DQ,0表达式相同,DQ,1=DI,1表达式相同。即s(b2)与s(b0)的表达式相同,s(b3)与s(b1)的表达式相同。

可对16-QAM的软比特输出值进行进一步简化。

同理可得64-QAM:

2.2 量化器模块

对判决门限值(值为1)进行23段等份量化,取值范围为0～7共8个值。

将经过软数据处理的表达式根据表2所示进行判决即可得到解映射输出值。

表2 软比特数据输出判决取值Table 2 Soft-bit data output value judgment

3 Viterbi译码模块

Viterbi软比特译码器是结合文献[4]进行设计的,不同的是在文献[4]的基础上加深了译码深度,因此从度杂度及功耗都远高于文献中的设计。本文也是围绕此译码模块对整个译码系统的其它3个模块进行改进,从而设计出一个完整的软比特译码系统。

译码模块主要由3部分组成:分支度量单元(Branch Metric Unit)、加比选单元(Add-Compare-Select Unit)、幸存路径管理单元(Survivor Management Unit)。其结构图如图3所示。

图3 Viterbi译码模块结构Fig.3 Viterbi decoding module structure diagram

3.1 分支度量单元

分支度量主要负责完成统计卷编码功能,计算所有卷积编码情况;并且根据接收到的编码数据与理论数据,来计算出各状态的支路距离,才能送入加选比单元。

对于Viterbi算法,接受序列为两个比特,其欧氏距离的计算方法如下:

式中,Ec为最大欧氏距离取值,ed00,ed01,ed10,ed11表示各状态转移时产生的支路距离情况。

表3 量化3电平与数值对应关系Table 3 Correspondence between 3-level quantization and numerical value

3.2 加比选单元

Viterbi算法的实质就是在网格图上找到最短的那条路径来进行译码,而这部分的工作就是由加比选(ACS)单元来完成。

图4 (2,1,7)卷积码的64状态网格Fig.4 64 State trellis diagram of the convolutional code

由于存在64中状态,需要进行64次加比选操作。从图4可以知道,可以对64次加比选操作分成32个蝶形计算单元来处理。

图5 蝶形计算基本单元Fig.5 Butterfly calculating basic unit

每个蝶形单元处理两个状态,设PMt-1表示t-1时刻各状态的累计路径距离,PMt表示t时刻各状态累计路径距离,BM表示由t-1时刻转移到t时刻状态对应的支路度量距离,因此,图5状态p和状态q更新的累计路径距离由下式表示:

由式(7)可得到较小的幸存路径度量值,并选择对应分支作为幸存路径。

3.3 幸存路径存储单元

幸存路径存储单元(SMU)可根据各状态的幸存路径进行译码处理得到译码结果,可以通过两种方法来实现:寄存器交换法(RE)和回溯法(TB)。高速通信中要求较高的编译码速率,所以本文采用寄存器交换法。如图6所示。

图6 寄存器交换单元Fig.6 Register exchange unit

4 综合及仿真结果

将卷积编码数据经过加性高斯白噪声信道后,对噪声数据进行硬比特译码和软比特译码仿真结果作误比特率(BER)VS.信噪比(SNR)对比。其结果如图7所示,在SNR在5.5 dB时,BER约为10-3,而当SNR＞6 dB时,BER为零。因此,软比特译码系统相对硬比特译码系统在较高SNR时译码性能较好。

图7 软判决与硬判决译码系统性能比较Fig.7 Performance compared between soft decision and hard decision decoding system

5 结语

本文提出了OFDM基带系统中软比特解码的实现方法,以现有的软比特Viterbi译码为中心,搭建了软比特解映射、解交织、解删余模块,并已硬件实现。从而对整个OFDM基带系统软比特译码的架构进行了完善,使得各个模块能够很好的兼容Viterbi软比特译码模块。实验数据和分析结果证明,所提出的软比特解码系统相对于传统硬判决来说,整体译码性能在相同误比特率下小2 dB,即可以减少2 dB的发送功率。因此软比特译码系统可以更好的提高整个OFDM基带系统接收端的译码性能。

[1] 赵海龙,张健,周劼,等.基于FPGA的OFDM系统设计与实现[J].通信技术,2010,43(09):12-14.

ZHAO Hai-long,ZHANG Jian,ZHOU Jie,et al.OFDM System Design and Implementation base on FPGA[J]. Communication Engineering,2010,43(9):12-14.

[2] 朱勇旭,吴斌,周玉梅,等.适用于IEEE 802.11n的高速低功耗Viterbi译码器的设计[J].微电子学与计算机,2010,27(07):10-14.

ZHU Yong-xu,WU Bin,ZHOU Yu-mei,et al.Highspeed Low-power Viterbi Decoder Design Suitable for IEEE 802.11n[J].Microelectronics and Computer, 2010,27(7):10-14.

[3] TOSATO F,BISAGLIA P.Simplified Soft-output Demapper for Binary Interleaved COFDM with Application to HIPERLAN/2[C]//Communications,2002.ICC 2002.IEEE International Conference on.[s.l.]:IEEE, 2002:664-668.

[4] 温伟杰,陆许明,朱伟鸿,等.基于FPGA的指针反馈式低功耗Viterbi译码器设计[J].电子技术应用, 2013,39(07):7-9.

WEN Wei-jie,LU Xu-ming,ZHU Wei-hong,et al.Pointer Feedback Design of Low-power Viterbi Decoder based on FPGA[J],Application of Electronic Technique,2013,39(7):7-9.

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

陆许明(1985—),男,博士,主要研究方向为半导体集成电路设计;

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

龙光平(1988—),男,硕士,主要研究方向为半导体集成电路设计;

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

谭洪舟(1965—),男,博士生导师,教授,主要研究方向为宽带通信、信号处理、复杂系统辨识及建模、半导体集成电路设计。

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

1002-0802(2014)09-0999-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.005