基于FPGA的指針反饋式低功耗Viterbi譯碼器的性能分析和設計

隨著現代無線通信系統日益復雜化的發展，無線基帶通信系統中各模塊的實際性能、延時、功耗等參數成為基帶設計的重要考慮因素。Viterbi譯碼器廣泛應用于無線局域網和移動通信系統，并且作為基帶系統的重要組成部分，其功耗與性能成為基帶設計中非常關鍵的一環。因此，設計功耗低、譯碼性能好的Viterbi譯碼器尤為重要。

傳統的Viterbi譯碼器主要包括支路度量單元(BMU)、加比選單元(ACSU)以及幸存路徑存儲單元(SMU)。其中SMU根據各狀態的幸存路徑得出譯碼信息，其實現方法有兩種：寄存器交換法(RE)和追蹤回溯法(TB)。傳統的寄存器交換法需要在譯碼過程中不斷進行寄存器交換存取操作，對于約束長度較大、狀態數較多的情況，硬件功耗較大；而追蹤回溯法無需進行復雜的寄存器交換，每一個譯碼時刻只需變動少量RAM，實現功耗較小。因此關于追蹤回溯法的Viterbi譯碼器研究甚廣[1-3]。但是TB方法的譯碼延時約為RE方法的4倍[4]，無法滿足對實時性要求高的無線通信系統(如無線局域網)的性能要求。

基于對譯碼性能、功耗以及延時的考慮，提出一種新型的指針反饋式低功耗Viterbi譯碼器。該譯碼器采用新的譯碼單元取代SMU，利用譯碼路徑從初始狀態0開始的特點，通過每一時刻通過不斷更新的唯一狀態譯碼指針，結合加比選單元輸出的狀態譯碼信息，指示出當前時刻的譯碼路徑狀態走向，并輸出當前譯碼結果。FPGA實現結果表明，對于（2，1，7）卷積譯碼延時只為2個時鐘周期，實時性好。此外，該方法實現的譯碼器比傳統的追蹤回溯法譯碼器功耗降低60%，并且實現較好的譯碼性能。

1 指針反饋式Viterbi譯碼基本原理
傳統的Viterbi譯碼按照最大似然估計原則，通過計算每一時刻可能的路徑值，最終找出一條最大似然路徑作為譯碼輸出路徑。

本文提出的指針反饋式Viterbi譯碼利用傳統譯碼器每次譯碼從初始狀態0開始的特點，并且在譯碼過程中，使前一時刻某狀態只與當前時刻另一狀態存在一對一指向關系，從而在每一時刻確定譯碼路徑。與此同時，通過狀態指針不斷更新當前時刻譯碼路徑上的狀態，實時輸出譯碼結果。但是這種方法在遇到輸入序列某區域存在較多錯碼情況時，很有可能選錯譯碼路徑而導致大面積譯碼錯誤。為了克服上述缺點，卷積編碼器必須做出簡單調整：當編碼L（L≥4）次后，重新復位輸入，使譯碼重新從狀態0開始，從而有效阻隔輸入錯碼引起的譯碼錯誤的擴散。在信噪比較高的情況下，該譯碼器能夠在功耗、延時以及性能上得到保證。

為了更好地說明所提出的Viterbi譯碼器算法，現以約束長度K=3、編碼率r=1/2生成多項式g0=1118，g1=1018，并且以L=10的卷積編碼器對數據(01011101001000)進行編碼得到(00,11,10,00,01,10,01,00,10,11,11,10,11,00)，并經過噪聲干擾，對該組噪聲數據進行軟判決處理，其譯碼過程如圖1所示。根據狀態轉移關系，狀態0或狀態2可能指向下一時刻的狀態0或狀態1。當t=1時，狀態0與狀態1幸存路徑均源于t=0時的狀態0，為了使相鄰時刻狀態轉移不出現分叉情況，此時需要對狀態0和狀態1更新后的累計路徑距離進行最小值比較，較小的一方狀態指向不變，結果從t=0到t=1，狀態0指向狀態0。而原本狀態0指向狀態1的情況，改變成狀態2指向狀態1（即圖中虛線表示），從而實現相鄰兩時刻之間狀態轉移的單一指向性。為了演示方便，圖1中只給出t≤4時改進后各狀態幸存路徑情況。另外，從圖中看出譯碼路徑每時刻經過的譯碼狀態的最低位（最低位以下劃線標示）與此刻譯碼比特相同，因此可以采用狀態指針的方法將其初始化為狀態0，每一時刻譯出的碼比特反饋更新狀態指針，進行實時譯碼追蹤。此外，由于L=10，在t=10時，狀態重新復位到狀態0，使譯碼器重新從狀態0出發以實現連續譯碼。