專利名稱：用于多帶正交頻分復用超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超寬帶技術領域，具體涉及一種適用于多帶正交頻分復用超寬帶(MB-OFDM UWB)系統(tǒng)的高速維特比解碼器，該技術能有效地降低解碼器硬件復雜度和功耗。
技術背景超寬帶(UWB)技術作為一種極具潛力的高速、短距離的無線傳輸技術，近些年在學術界和工業(yè)界都弓I起了極大的關注。結(jié)合多帶正交頻分復用(MB-OFDM)技術，MB-OFDM UWB系統(tǒng)能有效地抵抗多徑衰落和各種窄帶干擾(Narrow-Band Interference),并因其實現(xiàn)的經(jīng)濟性和可行性在無線手持設備，PC及外圍設備以及家庭消費電子類產(chǎn)品等領域有較廣的應用前 旦尿o在MB-OFDM系統(tǒng)中信道編碼采用碼率為R = 1/3，生成多項式為go=1338， gl=1658， g2=1718 的巻積碼，具體電路如圖l所示。通過鑿孔(puncture)可進一步得到更高碼率的鑿孔碼，以 適應系統(tǒng)不同的傳輸速率和對糾錯能力的要求。巻積碼的解碼需要采用維特比解碼器。 一般的維特比解碼器結(jié)構上分為分支度量單元( BMU)，加-比-選單元(ACSU)，回溯單元(TBU)。 BMU計算從狀態(tài)S,到^的分支度量;iy。在ACSU中狀態(tài)度量被迭代更新，更新式為其中rt代表狀態(tài)S在時間n的狀態(tài)度量。TBU處理來自ACSU的幸存路徑信息并最終輸出解 碼結(jié)果。一般而言，實現(xiàn)高速維特比解碼器的主要挑戰(zhàn)在于算法中ACSU操作迭代進行而產(chǎn)生的 速度瓶頸，這一迭代過程使得流水線無法直接引入到ACSU中。解決這一問題的方法，主要 有超前(基-211)， ACSU比特級流水線，滑塊結(jié)構等。超前方法一般采用超前一級，即基-4的 方法，速度和硬件開銷均提高一倍；更多的超前則會導致硬件開銷隨速度的增加呈平方關系 增長，故硬件經(jīng)濟性較差，速度提高能力有限?；瑝K技術能夠基本達到面積代價與速度提高 的線性關系，不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)塊之間的并行，滑塊內(nèi)部也可以采用展開技術形成脈動結(jié)構 進一步提高速度。但其寄存器開銷極大，只適合約束長度較短的巻積碼解碼。ACSU比特級流水線結(jié)構適用于時鐘頻率高的應用環(huán)境。該結(jié)構不需要很大的緩存來存儲數(shù)據(jù)，但其結(jié)構 本身較為復雜，設計時需要考慮的細節(jié)很多。另外也需要盡可能的控制流水線的密度，以免 插入的寄存器數(shù)量過大?？紤]到MB-OFDM UWB通信系統(tǒng)的速度變化范圍大(53.3 - 480Mbps )，維特比解碼器狀態(tài)多(64個狀態(tài))，故解碼器在滿足高速率的要求時必須注意硬件開銷的 經(jīng)濟性，同時也要盡可能減小低速率時的功耗。由此可見以上針對高速設計的各個方案很難 直接適用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種能經(jīng)靈活的配置達到高速率時的硬件經(jīng)濟性和低速率時的低 功耗特性的用于MB-OFDM超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器。滑塊結(jié)構通過開發(fā)維特比算法中的并行性提高解碼器的處理速度。該結(jié)構基于對數(shù)據(jù)塊的 處理，從而在理論上能夠通過成倍增加硬件開銷獲得相應倍數(shù)的速度提高。如圖2所示，數(shù) 據(jù)塊長度為M，劃分為兩個同步塊和一個解碼塊。其中同步塊長度為Z，其作用是保證各狀 態(tài)度量在進入解碼塊之前能夠充分區(qū)分開來。解碼的具體過程如下1. BMU根據(jù)數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生分支度量，然后輸出給ACSU單元2. ACSU分為正向ACS和反向ACS兩組進行操作，以提高解碼速度。ACSU根據(jù)分支 度量更新正向和反向狀態(tài)度量，同時將幸存路徑信息輸出至TBU。3. ACS操作至數(shù)據(jù)塊中間后正向和反向狀態(tài)度量相加合并，并通過比較找到最優(yōu)的狀態(tài) 度量(一般是最小值)，從而可確定正向和反向回溯操作的初始狀態(tài)，并輸出至TBU。4. TBU進行正向和反向回溯操作找出幸存路徑，即可得到解碼塊的最終譯碼結(jié)果。 正/反向同步塊的長度Z對解碼器的性能影響至關重要。結(jié)合MB-OFDM系統(tǒng)要求，本解碼器確定丄=28，它能同時滿足編碼增益和較低硬件復雜度的要求。同時選擇M=4￡=112，即 解碼塊長度為56。本發(fā)明提出的維特比解碼器整體結(jié)構框圖如圖3所示，它采用滑塊和折疊結(jié)構，具體由軟 信息存儲器2、處理單元PE/ (/=1， 2，…，8)、力卩-比單元(AC) 4、回溯單元存儲器7、 4 個回溯單元(TBU) 8、 9、 10、 11以及4個2路選擇器(MUX) 3、 5、 12、 13組成。待解 碼的數(shù)據(jù)輸入后保存在軟信息存儲器2中，處理單元PE/與之相連，接收待處理的數(shù)據(jù)。PEz' 處理后的結(jié)果一部分(狀態(tài)度量)輸出給下一級PE/，或者通過2路選擇器3或5輸出至加-比單元(AC) 4，另一部分結(jié)果(路徑信息判決結(jié)果)輸出至回溯單元存儲器7?；厮輪卧? 、9、 10、 11接收回溯單元存儲器7的輸出。力n-比單元4的輸出提供回溯的初始信息，與TBU9和10相連或者通過2路選擇器12和13進入TBU8和11 。TBU 9通過2路選擇器12與TBU 8相連，TBU10通過2路選擇器13與TBU 11相連。所有的2路選擇器3、 5、 12、 13的選擇 端均由碼率選擇信號6控制。最終的解碼結(jié)果由4個TBU的輸出端14、 15、 16和17輸出。 一個PE/內(nèi)部結(jié)構如圖4所示，包含分支度量計算單元(BMU) 19、正向/反向(ACSU )21以及控制迭代次數(shù)以完成ACSU 14次復用的2路選擇器25和計數(shù)器單元26。軟信息進 入BMU 19并計算分支度量，之后輸出至正向/反向21。正向/反向21的輸出為更新后的64 組狀態(tài)度量23和路徑信息判決結(jié)果27。更新后的64組狀態(tài)度量23和更新前的64組狀態(tài)度 量24通過由計數(shù)器26控制的2路選擇器25進入正向/反向21。在圖3中，處理單元PE1、 PE2對應正向同步塊的操作，處理單元PE3 - PE6對應解碼塊 的操作，處理單元PE7、 PE8對應反向同步塊的操作。通過這一折疊結(jié)構能夠在保證處理速度 的前提下降低硬件開銷，僅需8個PE即可完成長度為112的數(shù)據(jù)塊的解碼工作。MB-OFDM共有8種不同的工作速率，分別為53.3、 80、 110、 160、 200、 320、 400和 480Mbps，不同的工作模式下速率變化較大。本發(fā)明在低速模式時可以通過禁用部分模塊來降 低功耗。該維特比解碼器因此設定了三種工作模式在高速時，所有模塊同時工作，解碼器 四路并行輸出；中速時，PE4禾BPE5禁用，解碼器二路并行輸出；低速時，PE5-PE8禁用， 解碼器只有正向工作，僅一路輸出。由此既保證了解碼器的高速度，也使低速時功耗能夠得 到控制。


圖1 MB-OFDM UWB巻積碼編碼器結(jié)構圖。圖2維特比解碼器滑塊結(jié)構工作原理圖。圖3用于MB-OFDM超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器結(jié)構圖。圖4維特比解碼器處理單元(PE)結(jié)構圖。圖中標號l為數(shù)據(jù)輸入端，2為軟信息存儲器，3，5為2路選擇器，4為加-比單元(AC)， 6為碼率選擇端，7為回溯單元存儲器，8,9,10,11為回溯單元(TBU)， 12,13為2路選擇器， 14,15,16,17為解碼結(jié)果輸出端，18為軟信息輸入端，19為分支度量計算單元(BMU)， 20為 分支度量計算結(jié)果，21為正向/反向(ACS) U， 22為正向/反向(ACSU)輸入端，代表待更 新的狀態(tài)度量，23為正向/反向(ACSU)輸出端，代表更新后的狀態(tài)度量，24為更新前的狀 態(tài)度量輸入端，25為2路選擇器，26為計數(shù)器輸出，27為正向/反向(ACSU)輸出端，代表 路徑信息判決結(jié)果。
具體實施方式
下面結(jié)合圖3和圖4進一步描述本發(fā)明。圖4中PE的計數(shù)器26每14個時鐘周期循環(huán)一次，其中前13個時鐘周期均讓更新后的 狀態(tài)度量23通過2路選擇器25返回至正向/反向ACSU 21的輸入端22，此時BMU 19也產(chǎn) 生新一組數(shù)據(jù)的分支度量進入ACSU，從而ACSU可以連續(xù)的更新狀態(tài)度量。在計數(shù)器的第 14個周期，2路選擇器25將前一級的狀態(tài)度量輸入至ACSU的輸入端22，從而開始下一次 14個時鐘周期的迭代;本輪14次迭代更新后的狀態(tài)度量23也被下一級的PE或加-比模塊AC 4讀入做進一步處理。通過這一折疊結(jié)構，僅需8個PE即可完成長度為112的數(shù)據(jù)塊的解碼 工作。解碼器解碼的具體過程如下1. 系統(tǒng)前級(解交織器)將待解碼的數(shù)據(jù)1以軟信息的形式輸入解碼器的軟信息存 儲器2。待解碼的數(shù)據(jù)塊準備好后解碼過程即開始。2. 處理單元PE1 、 PE2從軟信息存儲器2讀取正向同步塊，通過28次迭代完成28 次正向ACS操作，生成正向同步塊數(shù)據(jù)對應的64組狀態(tài)度量，并輸出至處理單元PE3;處理 單元PE7、 PE8從軟信息存儲器2讀取反向同步塊，同樣通過28次迭代生成反向同步塊數(shù)據(jù) 對應的狀態(tài)度量，并輸出至處理單元PE6。3. 處理單元PE3、 PE4從軟信息存儲器2讀取解碼塊前半部分，在處理單元PE2輸 出的狀態(tài)度量基礎上繼續(xù)進行ACS操作，經(jīng)過28次迭代后完成正向ACS操作，將最終的64 組正向狀態(tài)度量輸出至中間的加-比單元(AC) 4，并將28次迭代產(chǎn)生的幸存路徑信息輸出至 回溯單元TBU8和9;處理單元PE5、 PE6對解碼塊后半部分做類似的反向操作，得到相應的 反向狀態(tài)度量和幸存路徑信息并輸出。4. 力H-比單元AC 4將64組正向狀態(tài)度量和對應的64組反向狀態(tài)度量相加，得到64組 數(shù)據(jù)塊總的狀態(tài)度量，從中選出最優(yōu)值，將其位置信息輸出至TBU9和10。5. TBU 8禾口 9進行正向回溯操作，TBU 10和11進行反向回溯操作，從TBU的輸出端 14-17輸出最終的解碼結(jié)果，經(jīng)過一定的調(diào)整即可輸出至后級(解擾器)。系統(tǒng)時鐘頻率為B2MHz，四路并行輸出為滿足最高480Mbps的速率。這一結(jié)構的最大優(yōu) 點是可以通過禁用部分模塊或重新配置某些PEi達到低速時的低功耗的目的，并且靈活滿足 各種不同速率碼率條件下的系統(tǒng)要求1. 320， 400, 480Mbps在這最高三種速率工作下，所有的處理單元PEi均處于工作狀態(tài)，處理單元PE1， PE2， PE7,PE8是正向/反向的同步塊，處理單元PE3， PE4， PE5, PE6是正向/反向的解碼塊。在時鐘頻率 為132MHz情況下，4路并行輸出能夠達到系統(tǒng)所要求的最高速率480Mbps。2. 110, 160,200Mbps在這三種中速工作模式下，處理單元PE4、 PE5、 TBU9、 TBU 10處于禁用狀態(tài)以節(jié)省功 耗，因為兩路并行輸出14和17已經(jīng)足以滿足200Mbps的要求。四個同步塊處理單元PE1、 PE2、 PE7、 PE8仍然工作以確保糾錯能力。處理單元PE3和PE6的輸出通過2路選擇器3和 5直接進入中間的AC模塊4。 AC模塊的最優(yōu)狀態(tài)輸出則通過2路選擇器12和13直接進入 TBU8禾B TBU 11。3. 55.3,80Mbps在這兩種低速工作模式下，反向工作模塊整體禁用(處理單元PE5-PE8， TBU 10， TBU 11 )，同時處理單元PE3將被配置為同步塊，TBU8禁用，從而使得這一模式下同步塊的長度增 加到42。這是因為此時系統(tǒng)只有正向模塊工作，需要比雙向ACS更多的同步塊以保證性能； 另外55.3Mbps是MB-OFDM必須具備的速度，幀結(jié)構中的一些重要信息均是以1/3碼率在這 一速度傳輸，所以需要保證此工作模式下的糾錯能力。處理單元PE4仍然為解碼模塊，而AC 模塊4此時只接受來自2路選擇器3的正向輸入的狀態(tài)信息。解碼由TBU9完成并從15—路 輸出。
權利要求
1、一種用于多帶正交頻分復用超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器，其特征在于由軟信息存儲器(2)、處理單元PEi(i＝1，2，…，8)、加-比單元(4)、回溯單元存儲器(7)、4個回溯單元(8、9、10、11)以及4個2路選擇器(3、5、12、13)組成；其中，待解碼的數(shù)據(jù)輸入后保存在軟信息存儲器(2)中，處理單元PEi與之相連，接收待處理的數(shù)據(jù)；處理單元PEi處理后的結(jié)果一部分輸出給下一級處理單元PEi，或者通過2路選擇器(3)或(5)輸出至加-比單元AC(4)，另一部分結(jié)果輸出至回溯單元存儲器(7)；回溯單元(8、9、10、11)接收回溯單元存儲器(7)的輸出；加-比單元(4)的輸出提供回溯的初始信息，與回溯單元(9和10)相連或者通過2路選擇器(12和13)進入回溯單元(8和11)；回溯單元(9)通過2路選擇器(12)與回溯單元(8)相連，回溯單元(10)通過2路選擇器(13)與回溯單元(11)相連；所有的2路選擇器(3、5、12、13)的選擇端均由碼率選擇信號(6)控制；最終的解碼結(jié)果由4個回溯單元的輸出端(14、15、16和17)輸出。
2、 根據(jù)權利要求1所述的用于多帶正交頻分復用超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器，其特 征在于所述的每個處理單元Pe/， /=1， 2，…，8，包含分支度量計算單元(19)、正向/反向 (21)以及控制迭代次數(shù)以完成正向/反向14次復用的2路選擇器(25)和計數(shù)器單元(26);軟信息進入分支度量計算單元(19)并計算分支度量，之后輸出至正向/反向(21);正向/ 反向(21)的輸出為更新后的64組狀態(tài)度量(23)和路徑信息判決結(jié)果(27);更新后的64 組狀態(tài)度量(23)和更新前的64組狀態(tài)度量(24)通過由計數(shù)器(26)控制的2路選擇器( 25)進入正向/反向(21)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的用于多帶正交頻分復用超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器，其特 征在于處理單元PE1、 PE2對應正向同步塊的操作，處理單元PE3-PE6對應解碼塊的操作， 處理單元PE7、 PE8對應反向同步塊的操作。
4、 根據(jù)權利要求3所述的用于多帶正交頻分復用超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器，其特 征在于該解碼器具有三種工作模式在高速時，所有模塊同時工作，解碼器四路并行輸出； 中速時，處理單元PE4和PE5禁用，解碼器二路并行輸出；低速時，處理單元PE5-PE8禁 用，解碼器只有正向工作，僅一路輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于超寬帶技術領域，具體是一種用于多帶正交頻分復用超寬帶系統(tǒng)的高速維特比解碼器。本發(fā)明中，電路采用了滑塊和折疊結(jié)構，解碼器的硬件復雜度和功耗大大降低，并且完全滿足系統(tǒng)多種碼率和編碼增益等要求。該結(jié)構也適用于其他需要高速維特比解碼器的應用場合。
文檔編號H04J11/00GK101247380SQ20081003523
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權日2008年3月27日
發(fā)明者任俊彥, 凡 葉, 卓 徐, 寧 李, 王雪靜 申請人:復旦大學