Turbo译码器低功耗设计

刘畅

（重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆 400065）

Turbo译码器低功耗设计

刘畅

（重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆 400065）

Turbo译码器由于其接近香农极限的优异性能而被现代通信系统所广泛使用。在实际的硬件设计中，考虑到功耗和译码延迟的存在，本文基于TD-SCDMA系统的Turbo译码器，对迭代译码性能进行了仿真，并对通过CRC校验进行找停的机制进行了仿真，对整个TD-SCDMA系统有很大的应用价值。

TD-SCDMA；Turbo码；迭代译码；数字信号处理

上世纪90年代ICC会议上提出了一种重复迭代（Turbo）的并行级联译码方式，通过软输入/输出的方式实现了接近香农极限的优良性能，从而被现代通信系统广泛采用。Turbo码的一个重要特点就是采用了迭代译码的思想，在迭代的过程中，随着迭代次数的增加译码性能会相应的增加，误码率也会随之减少，但是过高的迭代次数会带来大量的功耗和译码延迟。本文基于TD-SCDMA系统的Turbo译码器，通过对不同迭代次数下的译码性能仿真，提出了一种新的迭代找停准则。

1 Turbo编码器与译码器结构

TD-SCDMA系统中的Turbo编码器是一个并行级联卷积码（PCCC），包括一个2分支8状态编码器和一个Turbo码内交织器。其结构如图1所示：

图 1 码率为1/3的Turbo编码器结构图

Turbo译码器采用迭代译码的思想和软输入/软输出（SISO）的译码器结构，如图2所示：

图 2 Turbo译码器结构图

Turbo码迭代译码器中的两个分量译码器的输入为系统信息Ys、校验信息Yp和先验信息La，其中先验信息La是另一个分量译码器产生的外信息Le经过交织或解交织后的对数似然比。第一次迭代时，La=0，经过分量译码器1后产生外信息Le1，经过交织进入分量译码器2，产生的外信息Le2经过解交织后反馈作为分量译码器的先验信息输入，完成一次迭代译码。

随着迭代次数的增加，两个分量译码器得到的外信息对译码性能提高的作用越来越小，在达到一定的迭代次数后，译码性能不再提高。这时将分量译码器2的输出对数似然比经过解交织后再进行硬判决，就可以得到译码输出。从Turbo码的迭代译码结构可以看出，最大的特点在于它采用了迭代译码，通过两个分量译码器之间外信息的交换来提高译码性能。

2 不同迭代次数的仿真

通过上文对迭代次数的分析，可以看出每次迭代将经过大量的计算，包括交织器等。在硬件设计中，考虑到算法的复杂度，以及译码延迟和功耗的制约，必须对迭代次数进行控制。图3为TD-SCDMA系统中的Turbo译码器链路在不同迭代次数时的性能曲线（BER），仿真环境为：编码端输入的TB块长度为200比特，调制方式为QPSK，CRC长度为8比特，打孔率为0，传输间隔TTI为20ms，扩频因子SF为8，信道为AWGN信道。

图 3 不同迭代次数时的Turbo译码器性能仿真

图中从左到右分别为迭代次数为2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次的BER曲线。可以看出，随着迭代次数的增加，Turbo译码器的性能得到显著提高（10次迭代比2次迭代在相同仿真环境下增益约为2.2DB）。然而性能增益并非随着迭代次数的增加而线性提高，例如3次迭代要比2次迭代性能增益约0.9DB，而10次迭代仅比9次迭代性能增益约0.1DB。所以在译码器的最大迭代上限设置时，没必要追求大量迭代，而是应根据实际的系统需求设置合理的迭代上限。本设计中的Turbo译码器采用最大迭代次数为10次的上限设置。

3 基于CRC校验的找停准则

CRC校验（Cyclic Redundancy Check）即循环冗余校验码，是数据通信领域最常用的一种差错校验码。CRC校验的基本原理是在发端收到长度为K位的信息码后，从第K+1位拼接长度为R位的校验码，该校验码通过信息码与不同格式的CRC生成多项式进行按位异或得出，具体的多项式除法原则为从输入序列的高位开始异或计算，若首位为0，则右移至第一个非0的信息位，再次计算，直至计算出长度为R的校验序列。收端做同样的运算，若得出的R位校验码与译码器输出的校验码一致，则表示译码正确。

现对TD-SCDMA系统的CRC校验复杂度进行分析，假设输入长度为K，生成多项式长度为G（G=9，13，17，25），考虑多项式除法高位为0时的移位，但由于信息序列是随机的，无法得出具体的0比特比例，则粗略估计对于长度为K的输入序列，至少应做K*G次异或运算。

假设在Turbo译码器中加入如下设计：在每次迭代后加入硬判决和CRC校验。先对软输出信息进行硬判决，将硬判决得到的译码比特输入CRC校验模块，若校验正确，则停止迭代。同时，设置译码器的最大迭代次数为10次，若迭代次数超过10次，则停止迭代，无论对错都输出硬判决后的译码比特信息。

基于上文假设，图4对不同扩频因子下的CRC找停准则进行了迭代次数的统计。仿真环境为：编码端输入的TB块长度为200比特，调制方式为QPSK，CRC长度为8比特，打孔率为0，传输间隔TTI为20ms，信道为AWGN信道。

图 4 不同SF时的CRC找停准则迭代次数统计

图5是在相同仿真环境下有CRC找停机制的译码算法和无CRC找停机制的原始译码算法的性能（BER）仿真。仿真环境为：编码端输入的TB块长度为200比特，调制方式为QPSK，CRC长度为8比特，打孔率为0，传输间隔TTI为20ms，扩频因子SF为8，信道为AWGN信道。

通过对图4和图5的分析可以得出以下结论：在信道环境较好的情况下，通过CRC找停准则进行迭代次数的控制，可以使迭代次数自适应的减少，最终收敛于1次迭代；而在信道环境较差的情况下，CRC找停准则将做大量迭代，有悖于降低复杂度的出发点，这时将采取最大迭代次数的上限控制进行迭代的停止（本设计中的最大迭代次数设置为10次迭代）。而在迭代次数为[1，10）的区间内，由于CRC找停准则的核心思想是判别对了才停止迭代，结合BER曲线，可以看出性能并未受到恶化。

图 5 相同仿真环境下CRC找停准则与原始算法性能仿真

4 结束语

CRC找停准则能够使译码器自适应的控制迭代次数，通过减少迭代的方式降低复杂度，从而减少功耗和译码延迟，通过硬件仿真可以发现，利用本文提出的CRC找停准则进行设计将减少28%左右的功耗。但由于CRC校验每次操作仍需做大量运算，所以CRC找停准则仅在信道环境较好时具有优势，因此结合最大迭代次数的上限设置，控制信道环境较差时的迭代上限，从而使CRC找停准则更为完善。

[1]Berrou C，Glavieux A.Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding：Turbo Codes.IEEE Trans.Commun，vol.44，1996，（10）：1261-1271

[2]3GPP TS 25.222 V10.2.0 3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group Radio Access Network，Multiplexing and Channel Coding（TDD）（Release4）.2011-12.

[3]王新梅，肖国镇.纠错码——原理与方法[M].西安：西安电子技术大学出版社.

[4]刘东华.Turbo码原理应用技术[M].北京：电子工业出版社.

[5]李小文.TD-SCDMA.第三代移动通信系统、信令及实现[M].北京：人民邮电出版社，2003.

TN911

A

1671-0037（2014）03-58-2

刘畅（1986-），男，硕士研究生，研究方向：数字信号处理器结构以及通信系统基带信号处理方面的研究。