基于TMS320C6670 協(xié)處理器TCP3D 的Turbo 譯碼實(shí)現(xiàn)*

竇茂森，黃玉斌，何 鵬，張運(yùn)福，歐 斌

（1.91404 部隊(duì)，河北 秦皇島 066000；2.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引 言

TMS320C6670（以下簡(jiǎn)稱C6670）是TI 公司的一款新型Keystone 多核SoC 架構(gòu)DSP，主要針對(duì)領(lǐng)域?yàn)楦咝阅軣o線基礎(chǔ)設(shè)備。C6670 功能強(qiáng)大，支持TD-SCDMA、TD-SCDMA、TDD-LTE、FDD-LTE及WiMAX 等無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠達(dá)到兩路400 Mbps 的20-MHZ LTE 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力[1]。

TCP3D 是一款集成在C6670 中的可配置協(xié)處理器，支持3GPP、LTE 及WiMAX 三種協(xié)議的turbo 譯碼。LTE 模式下主要是針對(duì)的卷積turbo碼（以下簡(jiǎn)稱CTC）譯碼。TCP3D 支持譯碼原生碼率1/3，迭代次數(shù)1 ～15 可選，譯碼碼塊大小40 ～8192 可選。C6670 中內(nèi)部集成了3 個(gè)TCP3D協(xié)處理器可并行進(jìn)行譯碼，在LTE 工作模式下最高速率可達(dá)548 Mbps。本文主要針對(duì)在LTE 模式下TCP3D 的CTC 譯碼的實(shí)現(xiàn)[2]。TCP3D 協(xié)處理器基本結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 TCP3D 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 CTC 譯碼原理及譯碼算法

CTC 譯碼結(jié)構(gòu)采用的是軟輸入軟輸出（SISO）的迭代（Iteration）譯碼結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，是通過兩級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同的子譯碼器間外信息的傳遞來提高譯碼性能。圖中，yka，ykb表示通過信道后接收到的信息比特值，yky，ykw表示接收到的校驗(yàn)比特軟值，Li(uk)表示信息比特的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比，表示在兩級(jí)子譯碼器之間傳遞的外信息，表示由經(jīng)過交織或解交織得到的子譯碼輸入的先驗(yàn)信息[3]。

譯碼器首先對(duì)未交織信息序列進(jìn)行譯碼，子譯碼器1 接收信道輸出的信息比特軟值yka，ykb及校驗(yàn)比特軟值yky1，ykw1，以及從第二級(jí)子譯碼器傳遞過來的先驗(yàn)信息（首次迭代時(shí)為0）進(jìn)行譯碼，譯碼后輸出信息比特的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比Li(uk)和外信息，經(jīng)過交織器傳遞給子譯碼器2 作為先驗(yàn)信息。隨后，子譯碼器2 對(duì)交織后的信息序列進(jìn)行譯碼，譯碼過程與子譯碼器1 完全一樣。這樣經(jīng)過多次迭代譯碼，最后對(duì)子譯碼器2 的輸出信息比特的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比Li(uk)進(jìn)行解交織和硬判決得到譯碼結(jié)果。CTC 譯碼常用的譯碼算法有MAP（最大后驗(yàn)概率）及其衍生的簡(jiǎn)化算法Log-MAP及Max-Log-MAP 等。

圖2 CTC 迭代譯碼原理結(jié)構(gòu)

1.1 MAP 算法

MAP 算法是計(jì)算信息比特后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比，求解公式如式（1）：

式中s′表示編碼器k-1 時(shí)刻的狀態(tài)，s表示編碼器k時(shí)刻的狀態(tài)；uk={uka,ukb}表示狀態(tài)從s′轉(zhuǎn)移到s的編碼器輸入信息序列，uk的取值集合為{0,1,2,3}。根據(jù)式（1）計(jì)算得到信息序列uk的硬判結(jié)果式（2）：

MAP 算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

狀態(tài)度量α、β的初始化；

通過式（5）和式（6）配合初始化條件前后向遞推求得狀態(tài)度量αk(s)、βk-1(s′)；

將αk(s)、βk-1(s′)、的計(jì)算結(jié)合式（7）和式（1），得到信息比特的后驗(yàn)對(duì)數(shù)似然比Li(uk)；

將Li(uk)結(jié)合式（2），得到硬判譯碼結(jié)果

MAP 譯碼性能非常優(yōu)秀，但因存在大量的指數(shù)和乘法運(yùn)算，譯碼復(fù)雜度高，實(shí)現(xiàn)難度大。

1.2 Log-MAP 算法和Max-Log-MAP 算法

Log-MAP 算法是MAP 算法的一種轉(zhuǎn)換形式，相較MAP 算法更容易實(shí)現(xiàn)。Log-MAP 將MAP 算法中的變量都轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)形式，將公式里的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為了加法運(yùn)算。

Max-Log-MAP 算法基于式（8）中的max 函數(shù)操作：

如果將式（8）中的右側(cè)的第二項(xiàng)去掉， Log-MAP 算法便轉(zhuǎn)換為Max-Log-MAP 算法。

Max-log-MAP 算法相較MAP 算法是一個(gè)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換過程，一些重要的參數(shù)經(jīng)過對(duì)數(shù)變化和max 函數(shù)簡(jiǎn)化后，得到其最終公式如式（9）、式（10）和式（11）：

其中l(wèi)nP(uk=i)由式（12）得到：根據(jù)式（9），式（10），式（11）所得計(jì)算所得參數(shù)，最終由式（13）得到后驗(yàn)軟信息Li(uk)：

由于去掉了修正項(xiàng)，Max-Log-MAP 算法性能較Log-MAP 和MAP 算法有所惡化，但是復(fù)雜度進(jìn)一步大大降低，更利于實(shí)現(xiàn)。如果對(duì)譯碼性能沒有極高的要求，工程實(shí)現(xiàn)中優(yōu)先選擇Max-Log-MAP算法。TCP3D 所使用的為Max-Log-MAP 算法

2 TCP3D 的工作特性及實(shí)現(xiàn)流程

為保證TCP3D 正確執(zhí)行高效的譯碼操作，有必要首先了解TCP3D 部分重要的工作特性。

2.1 工作特性

TCP3D 支持單buffer 模式、雙buffer 模式及分離模式如圖3 所示。

圖3 TCP3D 三種不同的工作模式

單buffer 模式下，TCP3D 為一個(gè)單套輸入buffer 和輸入配置寄存器的Turbo 譯碼器；雙buffer模式下，TCP3D 同時(shí)使用2 套輸入配置寄存器和輸入數(shù)據(jù)緩存器，對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)塊譯碼的同時(shí)，可以讀入下一個(gè)待譯碼數(shù)據(jù)塊，從而減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；在分離模式下，TCP3D 被配置成公用一個(gè)VBUS 接口的2 個(gè)獨(dú)立Turbo 譯碼器，可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行譯碼。LTE 支持單buffer 模式和雙buffer 模式。

TCP3D 的交織表生成，可通過寄存器配置選擇由DSP 產(chǎn)生或者有TCP3D 內(nèi)部生成。一般情況下選用TCP3D內(nèi)部生成交織表，可降低DSP工作負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)效率。

TCP3D 輸入數(shù)據(jù)格式為6 比特軟信息，最高比特為符號(hào)位，即數(shù)據(jù)范圍為-32 ～31。在LTE 模式下，輸入數(shù)據(jù)存放規(guī)則如圖4，還有一點(diǎn)必須注意，TCP3D 是一個(gè)小端對(duì)齊的處理器，當(dāng)DSP 為小端對(duì)齊格式時(shí)，數(shù)據(jù)端對(duì)齊管理器對(duì)數(shù)據(jù)無影響。TCP3D 總是工作在小端對(duì)齊模式，所以輸入輸出數(shù)據(jù)也是小端對(duì)齊格式。

TCP3D 引入了滑動(dòng)窗（SW）來限制存儲(chǔ)單元的數(shù)量來對(duì)數(shù)據(jù)塊的每一部分來進(jìn)行譯碼。在WiMAX 和LTE 模式下，1 個(gè)數(shù)據(jù)塊被分為4 個(gè)等長(zhǎng)的子數(shù)據(jù)塊，每個(gè)子數(shù)據(jù)塊再進(jìn)一步的分割，得到長(zhǎng)度可能相同也可能不同的小數(shù)據(jù)塊，即滑動(dòng)窗?；瑒?dòng)窗的最大長(zhǎng)度為128 個(gè)信息比特?；瑒?dòng)窗可以分為SW0，SW1 和SW2 三種。SW0 可以有多個(gè)，但是SW1和SW2只能有1個(gè)。SW0表示比特的數(shù)量，長(zhǎng)度為{0, 16, 32, 48, 64, 96, 128}其中之一。SW0 的長(zhǎng)度及數(shù)量，通過TI 規(guī)定的相關(guān)規(guī)則進(jìn)行計(jì)算[4]，劃分細(xì)則如圖5 所示。

TCP3D 與DSP 內(nèi)部存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交互是通過EDMA3 控制器進(jìn)行的，這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程并行于DSP 內(nèi)核。EDMA3 控制器控制4 類數(shù)據(jù)從系統(tǒng)存儲(chǔ)器到TCP3D 的傳輸，分別是：輸入配置寄存器參數(shù)、待譯碼信息LLR 值、觸發(fā)寄存器(如果為自動(dòng)觸發(fā)模式則不需要)、交織地址(如果是選擇TCP3D 內(nèi)部交織，則不需要)。同時(shí)EDMA3 控制器控制3 類數(shù)據(jù)從TCP3D 到系統(tǒng)存儲(chǔ)器的傳輸，分別為譯碼輸出硬判決數(shù)據(jù)信息、譯碼輸出軟判決數(shù)據(jù)信息及輸出狀態(tài)寄存器參數(shù)[5]。

圖4 LTE 模式TCP3D 輸入數(shù)據(jù)存放規(guī)則

圖5 TCP3D 輸入數(shù)據(jù)子模塊劃分滑動(dòng)窗規(guī)則

2.2 TCP3D 的實(shí)現(xiàn)流程

結(jié)合TCP3D 的特性，在LTE 模式下譯碼實(shí)現(xiàn)流程如圖6 所示。

首先進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，在確認(rèn)TCP3D 復(fù)位之后， DSP 通過32-bit VBUS_CFG 接口執(zhí)行TCP3D 初始化；隨后DSP 準(zhǔn)備完成待譯碼數(shù)據(jù)和譯碼參數(shù)，包括：軟信息LLR 的縮放、飽和處理及數(shù)據(jù)封裝；進(jìn)行內(nèi)交織表參數(shù)、滑動(dòng)窗長(zhǎng)度及個(gè)數(shù)等輸入配置參數(shù)計(jì)算；接下來DSP 對(duì)EDMA3 進(jìn)行初始化及配置，并通過128-bit VBUS_DMA 接口傳輸配置寄存器及包括系統(tǒng)碼、校驗(yàn)碼0 及校驗(yàn)碼1 的三路譯碼數(shù)據(jù)。譯碼開始后，EDMA3 通過寫觸發(fā)寄存器啟動(dòng)TCP3D，TCP3D 開始進(jìn)行碼塊譯碼；TCP3D 發(fā)送一個(gè)傳輸事件給EDMA3，準(zhǔn)備將碼塊譯碼完成數(shù)據(jù)傳送出去；最后碼塊譯碼進(jìn)程確認(rèn)完成后，EDMA3產(chǎn)生中斷給DSP。如果有多個(gè)碼塊數(shù)據(jù)參與譯碼，在最后一個(gè)碼塊數(shù)據(jù)完成譯碼后，DSP 再發(fā)送中斷，至此結(jié)束了一次完整的譯碼流程[6]。

3 TCP3D 性能仿真測(cè)試

對(duì)TCP3D 的性能測(cè)試中，計(jì)劃測(cè)試四種碼率，對(duì)應(yīng)四種不同的業(yè)務(wù)速率：300M，r1=2880/3808= 0.756；150M，r2=2880/3700=0.778；64M，r3=2880/4342= 0.663；32M：r4=2880/4156=0.692。圖7 是測(cè)試流程圖。

首先通過MATLAB 產(chǎn)生C6670 協(xié)處理器BCP發(fā)端輸入數(shù)據(jù)源并保存；隨之在工程板中BCP 的發(fā)模塊對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行CTC 編碼及RM（交織刪余）處理，產(chǎn)生發(fā)端數(shù)據(jù)并采集，將采集數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并完成BPSK 調(diào)制，將調(diào)制完成數(shù)據(jù)進(jìn)行AWGN 函數(shù)加噪并進(jìn)行量化和極值截取處理；將處理完成數(shù)據(jù)在工程板的BCP 收模塊中對(duì)進(jìn)行RD（解刪余解交織）處理；將RD 輸出數(shù)據(jù)作為TCP3D 輸入，在調(diào)試板中完成TCP3D 的譯碼并采集數(shù)據(jù)；最后將譯碼結(jié)果與初始MATLAB 產(chǎn)生數(shù)據(jù)源進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)誤碼個(gè)數(shù)，計(jì)算誤碼率，并結(jié)合的相應(yīng)SNR 值、碼率和式（14），得出Eb/N0[7]:

最終得到BER-Eb/N0性能曲線圖如圖8 所示，曲線從左到右對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率64M、32M、300M和150M。

圖8 TCP3D 不同業(yè)務(wù)速率對(duì)應(yīng)的譯碼性能曲線圖

4 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)TCP3D 譯碼，本文研究了CTC 譯碼原理及常用譯碼算法，結(jié)合TCP3D協(xié)處理器工作特性，總結(jié)出了其調(diào)用實(shí)現(xiàn)流程，最終實(shí)現(xiàn)其LTE 模式下的CTC 譯碼工作并進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，LTE 模式下TCP3D 譯碼性能非常理想，與LTE 協(xié)議描述的CTC 譯碼性能基本一致。