基于 VCP2 協(xié)處理器的 Viterbi 譯碼器實(shí)現(xiàn)

基于 VCP2 協(xié)處理器的 Viterbi 譯碼器實(shí)現(xiàn)

文/唐貴林  張金菊  侯小毛

針對(duì)LTE通信系統(tǒng)采用的卷積編碼，介紹了采用TI公司多核定點(diǎn) DSP 芯片 TMS320C6670 中內(nèi)嵌的VCP2協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)快速Viterbi譯碼的原理和方法，并在DSP硬件平臺(tái)上對(duì)VCP2的譯碼性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析。

【關(guān)鍵詞】TMS320C6670 VCP2 Viterbi 譯碼 誤碼率

1 引言

卷積編碼是3G和LTE等無線通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的信道編碼方式，可以增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力，提高通信系統(tǒng)的可靠性。本文介紹了一種新的快速信道譯碼的方案，即基于TI 公司高速多核定點(diǎn) DSP 芯片 TMS320C6670中嵌入的第二代維特比譯碼協(xié)處理器（VCP2）實(shí)現(xiàn)卷積信道譯碼。

卷積碼的 Viterbi 譯碼算法通過使整個(gè)碼序列成為一個(gè)最大似然序列，同時(shí)利用網(wǎng)格圖的重復(fù)性結(jié)構(gòu)，減少譯碼所需的計(jì)算次數(shù)。TMS320C6670 中的 Viterbi 譯碼協(xié)處理器 VCP2 在 333MHz 時(shí)鐘工作頻率時(shí)能夠處理 76212.2Kbps 的 AMR 語音信道，支持限制長度 K 為 5、6、7、8、9，碼速率為 1/2、1/3和 1/4 的 Viterbi 譯碼。它使用歐氏距離衡量接收信號(hào)同分支標(biāo)號(hào)之間的差異，即分支度量(Branch Metric)。考慮到對(duì)稱性，對(duì)于限制長度 K，輸入 n 比特，碼速率 1/R 的卷積碼，譯碼的每個(gè)時(shí)刻需要預(yù)先計(jì)算 2(R − 1)個(gè)分支度量作為輸入。每個(gè)時(shí)刻均有 2(K − 1)個(gè)狀態(tài)。可以通過比較進(jìn)入某一狀態(tài)不同路徑的狀態(tài)度量來決定幸存路徑，并可以靈活地設(shè)置生成多項(xiàng)式及輸出軟判決或硬判決的譯碼結(jié)果。VCP控制寄存器負(fù)責(zé)控制整個(gè)譯碼過程，VCP2 通過直接存儲(chǔ)器訪問單元 EDMA3 與片內(nèi)L2 存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而和CPU 協(xié)同完成譯碼任務(wù)。

2 VCP2譯碼的實(shí)現(xiàn)

VCP2 的譯碼需要進(jìn)行分支度量、數(shù)據(jù)量化、寄存器設(shè)置和數(shù)據(jù)交互等工作，本文重點(diǎn)介紹分支度量和詳細(xì)的譯碼步驟。

2.1 分支度量

Viterbi 譯碼算法必須計(jì)算前一個(gè)狀態(tài)到各個(gè)新狀態(tài)的分支度量值。當(dāng)采用硬判決輸入時(shí)，分支度量值可用漢明距離表示。對(duì)于限制長度為 K，輸入為 n 比特，碼速率為 1/R 的卷積碼，譯碼的每個(gè)時(shí)刻需要預(yù)先計(jì)算 (2R-1)個(gè)分支度量作為輸入。設(shè) r(t) 為初始符號(hào)，則針對(duì)不同編碼速率R，BM算法迭代次數(shù)不同。當(dāng)R=1/2 時(shí)，算法為：BM0(t)=r0(t)+r1(t)BM1(t)=r0(t)-r1(t)

2.2 譯碼實(shí)現(xiàn)步驟

（1）根據(jù)待譯碼數(shù)據(jù)預(yù)先計(jì)算其分支度量，寫入指定的DSP緩沖區(qū)。

（2）分配 DSP 輸出緩沖區(qū)，準(zhǔn)備存儲(chǔ)譯碼結(jié)果。

（3）準(zhǔn)備 VCP2 的寄存器配置參數(shù)，放在 DSP 的內(nèi)存或外存，當(dāng) VCP2 啟動(dòng)時(shí)由EDMA3寫入VCP2內(nèi)部寄存器。

（4） 設(shè) 置 EDMA3 通 道 29 參 數(shù)， 由VCPXEVT 觸 發(fā)， 搬 移 VCP2 配 置 參 數(shù) 到VCP2 內(nèi)部寄存器，搬移待譯碼數(shù)據(jù)的分支度量及量化值到 VCP 內(nèi)部輸入 FIFO；設(shè)置EDMA3 通道 28 參數(shù)，由 VCPREVT 觸發(fā)，從 VCP2 輸出 FIFO 搬移 VCP 譯碼結(jié)果到指定的輸出緩沖區(qū)。

（5）使能 EDMA3 通道 28 和 29，使其可以響應(yīng) VCPREVT 和 VCPXEVT 同步觸發(fā)事件。

（6）寫“開始”命令到 VCP2 內(nèi)部的命令寄存器 VCPEXE，使 VCP2 生成 VCPXEVT事件，觸發(fā) EDMA3 通道 29，搬移配置參數(shù)和待譯碼數(shù)據(jù)的分支度量到VCP2。

（7）VCP2 譯碼完成后觸發(fā) EDMA3，由EDMA3 通道 28 搬移譯碼結(jié)果到指定的輸出緩沖區(qū)，并產(chǎn)生到 DSP 內(nèi)核的中斷；DSP 響應(yīng)中斷，對(duì)譯碼結(jié)果進(jìn)行處理。

3 VCP2譯碼性能分析

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了固定長度的 LTE 信道數(shù)據(jù)并進(jìn)行卷積編碼，然后進(jìn)行 BPSK 調(diào)制，將已調(diào)信號(hào)加入高斯白噪聲，對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行AGC、定標(biāo)和防溢出處理，計(jì)算分支度量后將待譯碼數(shù)據(jù)輸入到 VCP2 中進(jìn)行譯碼。最后，將譯碼結(jié)果與最初生成的隨機(jī)序列相比較，計(jì)算其誤碼率。結(jié)果如圖1所示。

由圖 1 可見，誤碼率隨著信噪比的提高而降低，隨著數(shù)據(jù)長度的增加而減小。在有限范圍內(nèi)誤碼率始終未超過50%，且當(dāng)信噪比高于 0dB 時(shí)誤碼率很低（< 20%），高于 1.5dB時(shí)誤碼率達(dá)到 數(shù)量級(jí)。通過對(duì)不同碼速率在同一高斯白噪聲分量的標(biāo)準(zhǔn)差 (Sigma) 的比較還可以發(fā)現(xiàn)碼速率越大則誤碼率越高。

4 結(jié)束語

VCP2 作為 TMS320C6670 的協(xié)處理器，在卷積碼譯碼性能有較大的提高。用戶只需通過簡單的速率適配、數(shù)據(jù)量化和參數(shù)設(shè)置就可以方便地實(shí)現(xiàn)高效的 Viterbi 譯碼，同傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方法及軟件譯碼算法相比具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

作者單位

湖南信息學(xué)院電子信息系  湖南省長沙市 410151