TD-SCDMA Turbo 解碼器設(shè)計(jì) （一）
本文討論一種用于TD-SCDMA （3GPP TDD LCR） 技術(shù)的硬件Turbo 解碼器浮點(diǎn)模型，闡述了該模型的設(shè)計(jì)、架構(gòu)和優(yōu)化。這種浮點(diǎn)模型具有簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快的特點(diǎn)，且讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的效率較高。同時(shí)，相關(guān)Turbo解碼器采用了Max-log-MAP 算法和步進(jìn)窗口訓(xùn)練技術(shù)(SW-WT)。
1.?引言
Turbo 編碼方案最早發(fā)表在[1] [3] （1993）中。 如今Turbo編碼已經(jīng)與卷積編碼一同被廣泛用于第三代（3G）個(gè)人無(wú)線通信系統(tǒng)中。
Turbo編碼的優(yōu)勢(shì)在于：對(duì)長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊具有強(qiáng)大的前向糾錯(cuò)能力。然而，相應(yīng)地，Turbo碼一般也僅適用于對(duì)長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊造成的遲延不敏感的傳輸信道，如分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道。
本文討論一種用于TD-SCDMA （3GPP TDD LCR） 技術(shù)的硬件Turbo 解碼器浮點(diǎn)模型，闡述了該模型的設(shè)計(jì)、架構(gòu)和優(yōu)化。這種浮點(diǎn)模型具有簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快的特點(diǎn)，且讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的效率較高。同時(shí)，該Turbo解碼器還采用了Max-log-MAP 算法和步進(jìn)窗口訓(xùn)練技術(shù)(SW-WT)。
當(dāng)在ASIC中實(shí)現(xiàn)該硬件Turbo解碼器時(shí)，要求采用資源高效的定點(diǎn)模型。我們將在稍后的文章中討論這種定點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.?3GPP Turbo 編碼
3GPP Turbo編碼 [2]? 采用的是1/3 碼速率， 其編碼是由2個(gè)結(jié)構(gòu)相同、約束長(zhǎng)度為4、具有生成矩陣的系統(tǒng)遞歸卷積編碼器(RSC) 生成：[3]
EQ? 1

為方便起見(jiàn)，將兩個(gè)RSC 分別記作 RSC0 和 RSC1。
將輸入Turbo 編碼器的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度記作 。對(duì)于3GPP Turbo 編碼器， 。
將輸入編碼器的數(shù)據(jù)比特記作 ，其中，?? 表示輸入RSC0的數(shù)據(jù)比特，? 表示輸入RSC1 的數(shù)據(jù)比特。這里， 表示輸入比特的下標(biāo)（索引）。

將? 輸入RSC0 ，以獲得 的奇偶校驗(yàn)比特 。這樣，RSC0的編碼率是 1/2，其輸出比特包含輸入比特（即稱之為系統(tǒng)比特）? 和奇偶校驗(yàn)比特 。
同時(shí)，原始輸入數(shù)據(jù)比特? 也被輸入Turbo編碼器內(nèi)部交織器，得到交織排列的輸入數(shù)據(jù)比特? 。 之后，將 輸入RSC1，得到 的奇偶校驗(yàn)比特 。為達(dá)到1/3碼率Turbo編碼， RSC1的交織后系統(tǒng)輸出比特 被刪除。此時(shí)Turbo編碼器的輸出比特如下：
EQ? 2

在? 個(gè)輸入比特按時(shí)鐘頻率逐位送入RSC0和 RSC1之后，編碼器將編碼格終止比特，按時(shí)鐘頻率逐位輸出，以清空編碼器，等待下一數(shù)據(jù)塊的輸入。RSC0和RSC1中的每種比特序列產(chǎn)生3個(gè)尾比特，因而，編碼器輸出的比特流總共包含12個(gè)尾比特，12個(gè)尾比特構(gòu)成的序列如下：
EQ? 3

所以，相應(yīng)地，輸出的編碼數(shù)據(jù)塊的總長(zhǎng)度是 。需要說(shuō)明的是，雖然上述編碼器本質(zhì)上是在串行地工作，但由于采用了終止處理以及Turbo交織器的轉(zhuǎn)換作用，使上述編碼器的編碼過(guò)程變成塊編碼操作。

3.?Turbo解碼器
Turbo解碼器的解碼方法，正如這種解碼器名稱的來(lái)由——類似于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。
在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，排氣過(guò)程將更多的氣體壓入進(jìn)風(fēng)口。同樣地，在Turbo解碼器中，解碼被設(shè)計(jì)成迭代的過(guò)程。每一次迭代過(guò)程的輸出結(jié)果，被反饋送入解碼器，作為下一次迭代過(guò)程的輸入， 以提高對(duì)原始解碼數(shù)據(jù)塊做解碼估計(jì)的準(zhǔn)確度。一般來(lái)說(shuō)，每經(jīng)過(guò)一次解碼迭代，原始數(shù)據(jù)塊的解碼估計(jì)都會(huì)進(jìn)一步提高。

每一次Turbo解碼迭代由兩個(gè)解碼階段（stage）構(gòu)成：stage0 和 stage1。
stage0 負(fù)責(zé)處理線性排列的比特串；stage1 負(fù)責(zé)處理經(jīng)過(guò)Turbo 交織的比特串。
將stage0 負(fù)責(zé)處理的比特分別記作? 和? ，? 和? 分別是? 和? 經(jīng)過(guò)衰落和噪聲污染后，在接收端收到的信號(hào)。
將stage1 負(fù)責(zé)處理的比特分別記作? 和? ，? 和? 分別是? 和? 經(jīng)過(guò)衰落和噪聲污染后，在接收端收到的信號(hào)。 其中，? 是由 經(jīng)過(guò)Turbo交織計(jì)算后所得的。
解碼器在stage0 和 stage1 采用的解碼算法是Max-log-MAP算法[4][5][6]。Max-log-MAP算法是次優(yōu)log-MAP算法，同時(shí)也是復(fù)雜度最低的log-MAP算法。
stage0 和 stage1的輸出結(jié)果分別是：外賦對(duì)數(shù)似然比——? ， 后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比—— 。 是在給定序列 的條件下，原始數(shù)據(jù)是? 的條件對(duì)數(shù)似然比。?? 的值可以是+1，也可以是 –1。??? 這一 函數(shù)的取值，可以作為任一解碼階段或任意次數(shù)的迭代過(guò)程的輸出。 但一般來(lái)說(shuō)，使用更多的解碼階段和迭代次數(shù)，可以提高對(duì) 估計(jì)的準(zhǔn)確性。
? 可以用于計(jì)算Turbo交織 后比特的似然性，也可以用于計(jì)算Turbo解交織 后比特的似然性，根據(jù)解碼階段而定( 參見(jiàn)EQ? 4)。并且，在Max-log-MAP算法中， 還被作為后驗(yàn)信息 ，反饋輸入到解碼器輸入端。