CDMA 2000系統(tǒng)中前向鏈路卷積編碼器的FPGA實現(xiàn)[圖]
摘要：為了縮短卷積編碼器設(shè)計周期，使硬件設(shè)計更具靈活性，在介紹卷積編碼器原理的基礎(chǔ)上，論述了一種基于可編程邏輯器件，采用模塊化設(shè)計方法，利用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)CDMA2000系統(tǒng)前向鏈路卷積編碼器的方法，給出了在QuartusⅡ軟件下的仿真結(jié)果，并在FPGA器件上驗證實現(xiàn)。仿真和實驗都證明了這種方法的可行性和正確性。
0 引言
在通信系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號在傳輸過程中受到各種干擾的影響，使信號碼元波形變壞，故傳輸?shù)浇邮斩撕罂赡馨l(fā)生錯誤判決，為解決這一問題，通常在設(shè)計數(shù)字通信系統(tǒng)時，首先應(yīng)從合理地選擇調(diào)制制度、解調(diào)方法以及發(fā)送功率等方面考慮，若采取以上措施仍難滿足要求，就要考慮差錯控制措施。在CDMA 2000系統(tǒng)的前向鏈路和反向鏈路中就采用了卷積編碼來實現(xiàn)前向差錯控制(FEC)。
FPGA是可編程邏輯器件，它的主要優(yōu)點在于可以借助EDA工具通過軟件編程對器件的硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，這就使得硬件設(shè)計具有軟件設(shè)計的靈活性和便捷性。本設(shè)計采用VHDL語言并選用可編程邏輯器件在QuartusⅡ下來實現(xiàn)CDMA 2000系統(tǒng)中的前向鏈路卷積編碼器。
1 卷積編碼器原理
卷積碼是由P.Elias在1954年首先提出來的，它是一種非分組碼，通常它更適用于前向糾錯，因為其性能對于許多實際情況常優(yōu)于分組碼，而且設(shè)備簡單。自從A.J.Viterbi于1967年發(fā)現(xiàn)了一種有效的譯碼算法，并由J.Omura于1969年證明這是一種ML譯碼算法后，使用Vit-erbi譯碼算法的卷積碼就成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中必不可少的編碼方案。CDMA 2000系統(tǒng)亦采用此種編碼方案。
1.1 卷積編碼器原理
與分組碼編碼器不同，卷積碼編碼器是有記憶的，即：編碼器在任何一段時間內(nèi)產(chǎn)生的n個碼元，不僅取決于這段時間中的k個信息位，而且還取決于前N-1段規(guī)定時間內(nèi)的信息位；即編碼器產(chǎn)生的n個碼元跟正在移入的每一個k位的信息比特有關(guān)。為了便于說明問題，在這里規(guī)定：編碼率r=k/n。其中，k表示一次移入編碼器的信息位數(shù)；n表示對應(yīng)于移入k位信息編碼器輸出符號數(shù)。此外，用K表示約束長度，它等于編碼器中移位寄存器的級數(shù)；實際上，第一個移位寄存器是多余的。
描述卷積編碼過程的方法很多，如：多項式法、矩陣法、樹狀圖和網(wǎng)格圖等。這里采用與卷積編碼器結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的多項式法來說明卷積碼的編碼原理。已知一個編碼率r=1/2，約束長度K=3的卷積編碼器，其卷積碼的生成多項式矩陣為：

式中：D為延遲算子，生成多項式的第一項為1+D2，表示編碼器輸出的第一個碼元c1等于輸入碼元b1與前輸入碼元b3的模2和；其第二項為D+D2，表示輸出的第二個碼元c2為前兩個輸入碼元b2和b3的模2和。
根據(jù)卷積碼的生成多項式矩陣可直接得到編碼器的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。圖中s1，s2為移位寄存器；m1，m2為模2和加法器；其中b1代表當(dāng)前輸入的信息位；移位寄存器狀態(tài)b2，b3存儲以前的信息位；c1，c2代表編碼后的輸出碼元。

在卷積碼的編碼過程中，編碼器從全零狀態(tài)出發(fā)，最后必須回到全零狀態(tài)，故當(dāng)送完信息后，還要向編碼器再送入K-1段全零信息，以迫使編碼器回到全零狀態(tài)。設(shè)此編碼器的起始狀態(tài)為零，即b1b2b3為000。當(dāng)輸入的信息位為11010時，為保證輸入的全部信息位都能通過移位寄存器，并對移位寄存器進(jìn)行復(fù)位，必須在信息位后加約束長度減一個零，即兩個零；此時對應(yīng)的輸出碼元序列為：10111001011100，丟棄后四位可得編碼器的輸出信息：1011100101。整個工作過程中編碼器的狀態(tài)如表1所示。

1.2 CDMA 2000系統(tǒng)中的前向鏈路卷積編碼器
在CDMA 2000系統(tǒng)中，前向鏈路使用編碼率為1/2，約束長度為9的卷積編碼器。前向鏈路卷積碼的生成多項式矩陣為：

由此生成多項式矩陣可得前向編碼器的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。圖中s1～s8為移位寄存器；m1，m2為模2和加法器；其中b1代表當(dāng)前輸入的信息位；移位寄存器狀態(tài)b2～b9存儲以前的信息位；c代表編碼后的輸出碼元。

2 CDMA 2000系統(tǒng)中前向鏈路卷積編碼器的實現(xiàn)
2.1 CDMA 2000前向鏈路卷積編碼器的電路組成
該設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，根據(jù)CDMA2000系統(tǒng)中的前向鏈路卷積編碼器的功能將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為：移位寄存器組、模2和加法器、輸出控制器以及時鐘電路等四個模塊，每一模塊對應(yīng)一部分VHDL的設(shè)計文件，這樣利于程序的編寫和調(diào)試，從而降低了整個程序的調(diào)試難度，提高了軟件的可維護(hù)性和可讀性。前向鏈路卷積編碼器的組成框圖如圖3所示。

其中，時鐘信號clk1和clk2可由基站控制器(BSC)的時鐘電路直接提供，或由本次設(shè)計的時鐘電路將基站控制器(BSC)提供的原始時鐘信號進(jìn)行分頻得到；輸出控制器包括輸出數(shù)據(jù)合成電路和整形電路兩部分。
2.2 CDMA 2000前向鏈路卷積編碼器的仿真實現(xiàn)
根據(jù)卷積編碼器電路框圖，采用VHDL語言編寫前向鏈路卷積編碼器的源程序輸入到QuartusⅡ開發(fā)軟件中進(jìn)行編譯、仿真、綜合得到可下載文件，然后通過對器件編程完成設(shè)計。
仿真前假設(shè)編碼器的初始狀態(tài)為零，即：b1～b9為00000000；輸入的信息為11010，為保證輸入的全部信息位都能通過移位寄存器，并對移位寄存器進(jìn)行復(fù)位，在信息位后加8個零，其輸出結(jié)果為11010111000001111111101100,，仿真時，輸入數(shù)據(jù)data的速率為9.6Kb/s；輸出碼元c的速率為19.2Kb/s。仿真結(jié)果如圖4所示，其中b為寄存器組各個時刻的狀態(tài)。

在前向鏈路卷積編碼器的設(shè)計中有一些需要注意的問題：首先要明確VHDL語言不同于其他的計算機語言，它是一種硬件描述語言，它描述的對象是客觀的電路系統(tǒng)。其次，不同的EDA工具對VHDL語言的支持程度不同。本次設(shè)計中采用的QuartusⅡ開發(fā)工具主要是針對可編程邏輯器件的軟件，它并不支持所有的VHDL語句，它只支持RTL級描述，不支持行為級描述。再有，在設(shè)計中需要根據(jù)設(shè)計要求和可編程邏輯器件的資源情況、速度等進(jìn)行合理的選擇。該設(shè)計中采用的EP2C8Q208器件就可滿足資源和速度方面的要求。
3 結(jié)語
本文實現(xiàn)了一種適用于CDMA 2000系統(tǒng)的前向鏈路卷積編碼器，通過對整體電路的設(shè)計、仿真和調(diào)測，結(jié)果表明本編碼器可達(dá)到CDMA 2000系統(tǒng)要求，具有一定的實用價值，同時，本設(shè)計采用基于可編程邏輯器件借助VHDL語言及EDA工具進(jìn)行設(shè)計的思路，大大縮短了設(shè)計周期，降低了成本，提高了設(shè)計的可靠性、靈活性，為通信系統(tǒng)設(shè)計提供了一種有效的設(shè)計方法。