基于OFDM技術的軟比特解碼系統*

徐永鍵,陸許明,龍光平,譚洪舟

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

基于OFDM技術的軟比特解碼系統*

徐永鍵1,陸許明1,龍光平2,譚洪舟1

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

提出了基于OFDM基帶系統的軟比特譯碼方法,該方法以Viterbi軟比特譯碼為中心,改善傳統OFDM基帶系統接收端的解映射、解交織、解刪余模塊,使得各個模塊兼容軟比特判決。軟判決采用3比特的量化作為數據處理單位,提高Viterbi譯碼的性能。該方法從解映射模塊入手,將接收到的數據信號解映射為3比特量化數據,送入改進后兼容3比特量化數據的解交織模塊和解刪余模塊。實驗結果表明,對比硬比特解碼,所提出的軟比特解碼系統在性能上有很大的提升。

正交頻分復用基帶系統 軟比特譯碼 維特比譯碼

0 引 言

正交頻分復用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術由于頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強,傳輸可靠等特點,已經成為第四代移動通信系統中最具競爭力的傳輸技術。在OFDM基帶系統的發送端,分別進行了卷積編碼、刪余、交織和映射[1];接收端,需要對接收到的數據進行解碼,其過程的包括:解映射、解交織、解刪余、Viterbi譯碼4個模塊。解碼的正確率直接影響了系統的性能。因此,提高譯碼精度非常重要。

Viterbi算法由于其強大的解卷積碼的能力,在OFDM解碼中廣泛應用,軟判決將解調器輸出波形進行多電平量化,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的信息,在性能上要高出2～3 dB。但現有的軟比特解碼[2]只關注于Viterbi模塊的解碼算法及實現,在OFDM基帶系統中,還需要考慮整體架構的兼容性。

為了設計合適于OFDM基帶系統的軟比特解碼系統,本文基于Viterbi的軟比特解碼特點與要求,對OFDM基帶系統接收端的部分模塊如解映射、解交織、解刪余模塊進行了兼容性的改進,使其與Viterbi模塊相兼容,從而實現整個系統的軟比特解碼,所以解碼系統的整體譯碼架構是本文的一個創新所在。

1 軟比特解碼系統結構

在傳統的硬比特解碼系統見圖1中,硬判決的解調器根據其判決門限對接收到的信號波形直接進行判決,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Fig.1 Hardbit decoding system

軟判決系統的接收端在接收到信號之后,不進行判決,直接輸出模擬量進行多電平量化,即編碼信道輸出沒有經過判決的“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Fig.2 Soft bit decoding system

當信號輸入解交織模塊時,為了兼容3比特數據的處理,利用了傳統交織器,在其實現原理不變的前提下,利用3個相同的解交織器,分別處理上一模塊輸出3比特位寬的高、中、低位。從而實現解交織模塊對3比特數據的處理功能。

在解交織輸出后,將數據送入解刪余模塊,在刪余模塊中本設計對其的輸入位寬做出改變,為了對接解交織模塊的數據輸出,每個周期輸入以3比特為一數據塊進行處理。

至此,完成了軟比特解碼周邊模塊的兼容性改造,對比傳統硬比特解碼系統,軟比特解碼系統的解映射、解交織、解刪余模塊都兼容3比特數據的處理,可順利將3比特數據輸入至Viterbi解碼器進行軟比特解碼。

2 解映射模塊

2.1 軟數據的產生

解映射模塊是整個解碼架構中軟數據[3]的產生模塊,這樣才使得量化后的解映射輸出數據能與Viterbi軟比特解碼輸入相容,下面將詳細介紹軟數據產生的過程。

在解映射處理部分,BPSK、QPSK無需進行軟數據處理。以16-QAM解調方式為例,其灰度星座映射關系如表1所示。

表1 16-QAM星座映射關系Table 1 16-QAM constellation

假設調制編碼序列為c,若編碼數據經過加性高斯白噪聲AWGN的影響得到接收信號y,其表達式為:

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,對于軟比特b0而言,當b0從0跳轉到1時,在星座圖中僅僅實部受到影響。當b0=0時,對應的QAM星座點取-3或-1,此時接收信號y的條件概率為:

式中,yre為信號y的實部。同理,當b0=1時,y的條件概率為:

通過式(3)和式(4)計算b0的似然比(Likelihood Ratio),并對其兩邊取對數可得b0的軟比特輸出值如式(5)所示:

但式(5)計算過于復雜,因此遵循以下原則進行簡化,對于輸入值yre,尋找星座點中b0=0和b0= 1對應最接近的位置,并設這兩個位置為s0(b0=0)和s1(b0=1),d0=|yre-s0|,d1=|yre-s1|,則其軟比特s(b0)簡化表示為:

對式(6)作歸一化處理,即除以歸一化因子2/ σ2得到最終表達式如下:

由圖2可知,當yre＜-2時,最接近yre的b0=0和b0=1的對應位置為-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。由于多進制M-QAM星座圖存在I、Q對稱關系,因此,DI,0與DQ,0表達式相同,DQ,1=DI,1表達式相同。即s(b2)與s(b0)的表達式相同,s(b3)與s(b1)的表達式相同。

可對16-QAM的軟比特輸出值進行進一步簡化。

同理可得64-QAM:

2.2 量化器模塊

對判決門限值(值為1)進行23段等份量化,取值范圍為0～7共8個值。

將經過軟數據處理的表達式根據表2所示進行判決即可得到解映射輸出值。

表2 軟比特數據輸出判決取值Table 2 Soft-bit data output value judgment

3 Viterbi譯碼模塊

Viterbi軟比特譯碼器是結合文獻[4]進行設計的,不同的是在文獻[4]的基礎上加深了譯碼深度,因此從度雜度及功耗都遠高于文獻中的設計。本文也是圍繞此譯碼模塊對整個譯碼系統的其它3個模塊進行改進,從而設計出一個完整的軟比特譯碼系統。

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)。其結構圖如圖3所示。

圖3 Viterbi譯碼模塊結構Fig.3 Viterbi decoding module structure diagram

3.1 分支度量單元

分支度量主要負責完成統計卷編碼功能,計算所有卷積編碼情況;并且根據接收到的編碼數據與理論數據,來計算出各狀態的支路距離,才能送入加選比單元。

對于Viterbi算法,接受序列為兩個比特,其歐氏距離的計算方法如下:

式中,Ec為最大歐氏距離取值,ed00,ed01,ed10,ed11表示各狀態轉移時產生的支路距離情況。

表3 量化3電平與數值對應關系Table 3 Correspondence between 3-level quantization and numerical value

3.2 加比選單元

Viterbi算法的實質就是在網格圖上找到最短的那條路徑來進行譯碼,而這部分的工作就是由加比選(ACS)單元來完成。

圖4 (2,1,7)卷積碼的64狀態網格Fig.4 64 State trellis diagram of the convolutional code

由于存在64中狀態,需要進行64次加比選操作。從圖4可以知道,可以對64次加比選操作分成32個蝶形計算單元來處理。

圖5 蝶形計算基本單元Fig.5 Butterfly calculating basic unit

每個蝶形單元處理兩個狀態,設PMt-1表示t-1時刻各狀態的累計路徑距離,PMt表示t時刻各狀態累計路徑距離,BM表示由t-1時刻轉移到t時刻狀態對應的支路度量距離,因此,圖5狀態p和狀態q更新的累計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,并選擇對應分支作為幸存路徑。

3.3 幸存路徑存儲單元

幸存路徑存儲單元(SMU)可根據各狀態的幸存路徑進行譯碼處理得到譯碼結果,可以通過兩種方法來實現: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 綜合及仿真結果

將卷積編碼數據經過加性高斯白噪聲信道后,對噪聲數據進行硬比特譯碼和軟比特譯碼仿真結果作誤比特率(BER)VS.信噪比(SNR)對比。其結果如圖7所示,在SNR在5.5 dB時,BER約為10-3,而當SNR＞6 dB時,BER為零。因此,軟比特譯碼系統相對硬比特譯碼系統在較高SNR時譯碼性能較好。

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

5 結 語

本文提出了OFDM基帶系統中軟比特解碼的實現方法,以現有的軟比特Viterbi譯碼為中心,搭建了軟比特解映射、解交織、解刪余模塊,并已硬件實現。從而對整個OFDM基帶系統軟比特譯碼的架構進行了完善,使得各個模塊能夠很好的兼容Viterbi軟比特譯碼模塊。實驗數據和分析結果證明,所提出的軟比特解碼系統相對于傳統硬判決來說,整體譯碼性能在相同誤比特率下小2 dB,即可以減少2 dB的發送功率。因此軟比特譯碼系統可以更好的提高整個OFDM基帶系統接收端的譯碼性能。

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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,吳斌,周玉梅,等.適用于IEEE 802.11n的高速低功耗Viterbi譯碼器的設計[J].微電子學與計算機,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.

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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.

陸許明(1985—),男,博士,主要研究方向為半導體集成電路設計;

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

龍光平(1988—),男,碩士,主要研究方向為半導體集成電路設計;

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

譚洪舟(1965—),男,博士生導師,教授,主要研究方向為寬帶通信、信號處理、復雜系統辨識及建模、半導體集成電路設計。

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,主要研究方向為半導體集成電路設計;

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學研結合項目(科技創新平臺建設專項)(No.2012B090600009);東莞中山大學研究院聯合研發產業項目(No.201202B3-0300)

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