介紹Xilinx的Polar Encoder IP核使用方法

隨著5G 國際標(biāo)準(zhǔn)的出爐，Polar碼順利入選控制信道編碼方案，世界上各大通信設(shè)備生產(chǎn)商便開始基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計基站和終端產(chǎn)品。

我們明白，從純算法到實現(xiàn)工程化，中間還有很長一段路要走。一方面，我們需要保證算法的性能良好；另一方面，便于硬件實現(xiàn)。本文將從Polar碼編碼角度，介紹Xilinx的Polar Encoder/Decoder IP核的使用方法。

按理說，我們應(yīng)該分析Polar碼的編碼原理和算法構(gòu)造，然而，專業(yè)性實在太強(qiáng)，定義、定理和公式及推導(dǎo)，以及算法性能比較及硬件實現(xiàn)方案，足夠?qū)懗鲆黄T士論文，甚至博士論文。因此，筆者不打算詳細(xì)講，包括里面的詳細(xì)推導(dǎo)也需要花很長的時間，有興趣研究這個方向的同學(xué)，可以多找?guī)灼|(zhì)量較好的論文研讀。

目前也有一些碩博論文在研究和實現(xiàn)Polar編、譯碼，相信今后一段時期，還會有相關(guān)的研究成果問世。因此，若你還未走出象牙塔，擁有足夠的時間去探索，去發(fā)現(xiàn)不一樣的東西。若已經(jīng)在工作崗位上，并正從事相關(guān)的研究設(shè)計工作，那么，筆者很樂意請教交流。比如，在開發(fā)過程中，會遇到哪些坑，有哪些需要注意，提高工作效率和縮短開發(fā)周期。

本文是筆者的一個學(xué)習(xí)筆記，主要是利用Xilinx公司的Polar IP核進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，并介紹MATLAB軟件中的關(guān)于Polar編碼的函數(shù)。

由于所用的IP手冊通常是需要購買了Xilinx公司或第三方廠家的IP 核才會提供相關(guān)的文件資料，因此，想獲取公開的關(guān)于5G信道編碼的IP核資料比較難。

先介紹干貨，關(guān)于資料的問題，在后面談。

Polar IP介紹

Xilinx提供的Polar Encoder/Decoder IP v1.0支持Polar編碼和譯碼。Polar碼可配置，基于逐塊使用。關(guān)于該IP的詳細(xì)介紹，可參考文獻(xiàn)[1]-[2]，本節(jié)做簡要介紹。該IP支持的器件：UltraScale、UltraScale+和7系列。注意，在本文中，塊是由編碼器或解碼器處理的數(shù)據(jù)基元單元的通稱。碼字是已編碼塊的特定形式，在討論用于生成它的代碼參數(shù)時使用。

根據(jù)IP產(chǎn)品指南，Polar Enocder/Decoder IP核，在400MHz時鐘頻率下，最高吞吐量如下：

Polar解碼器：>80Mb/s（N=1024，K=200）

Polar編碼器：>700Mb/s( N=1024，K=200）

這里，K是輸入信息bit長度,N是輸出碼字長度。

前向糾錯（FEC）碼（例如Polar碼）提供了一種方法去檢測核識別糾正不可靠或嘈雜通信信道上的數(shù)據(jù)傳輸錯誤。根據(jù)5G NR物理層協(xié)議，Polar碼的編碼過程，如圖所示。

前級的傳輸塊信息bit，插入CRC校驗，下行鏈路還需插入交織，奇偶校驗及凍結(jié)bit插入（非必須），再送入編碼器進(jìn)行編碼。

特性總結(jié)：

Polar Encoder/Decoder IP核是一個高度靈活的軟判決實現(xiàn)為Polar碼提供以下特性。

Decoder執(zhí)行列表大小為8的串行抵消列表（SCL）解碼，根據(jù)3GPP TS 38.212 V15.1.1，通過奇偶校驗和/或CRC比特來增加比特。

能夠基于逐塊或傳輸指定輸入和輸出數(shù)目。

?通過AXI-Lite接口最高支持配置128個代碼。

?逐塊選擇代碼。

碼字大小從N = 32到N = 1024，K從2到N，交織時Kmax為140。

作為編碼器，內(nèi)核接受K?bit信息，并輸出N個編碼bit。作為一個解碼器，內(nèi)核接受N個軟值對數(shù)似然比（LLR），并輸出K個硬判決bit。

解碼器接受8bit軟值LLR輸入，并假設(shè)飽和對稱。

僅支持按順序塊執(zhí)行。

?輸入輸出寬數(shù)據(jù)接口。

單獨的輸入和輸出流允許提供控制參數(shù)和狀態(tài)逐塊地進(jìn)行。

應(yīng)用領(lǐng)域：

例如5G無線，參考3GPP TS 38.212 V15.1.1 Multiplexing and channel coding(Release 15)，支持DCI、UCI、和BCH。Polar使用模式設(shè)置，如下表所示。

注意，這個表很重要，很重要，特別是對于使用該IP核進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的朋友而言。

產(chǎn)品規(guī)格

Polar編碼器/解碼器Core的框圖如圖所示：

該Core使用AXI接口。AXI4-Lite存儲器映射總線用于參數(shù)（例如Polar碼定義）持續(xù)緩存多個塊，AXI4-Stream接口用于逐個樣本提供數(shù)據(jù)（例如，DIN）基于逐塊的配置（例如，CTRL）。這些接口處理提供數(shù)據(jù)外，還提供握手信號。

每個塊通過數(shù)據(jù)輸入接口（DIN）在多個周期內(nèi)輸入。在每個周期中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率由一個單獨的數(shù)據(jù)流（DIN_WORDS）來設(shè)置，其中DIN上的每個事務(wù)都有一個值。輸出是以類似的方式在DOUT輸出流上生成，在輸入數(shù)據(jù)流DOUT_WORDS上指定了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

對于每個塊，在控制（CTRL）輸入流上需要一個輸入，指定要使用的代碼和用戶提供的ID字段。每個數(shù)據(jù)塊需要一個控制字，數(shù)據(jù)輸入暫停，直到相關(guān)的控制字可用為止。當(dāng)解碼（或編碼）時，DOUT接口輸出數(shù)據(jù)伴隨著狀態(tài)（STATUS）輸出接口上的狀態(tài)字一起輸出。

該圖包含了非常豐富的信息，對于從事IC設(shè)計或FPGA開發(fā)的朋友來說，這樣的框圖看到過太多太多，我們在論文里或者設(shè)計報告里，經(jīng)過要這樣畫一個框圖。

這里面包含了接口、內(nèi)部功能單元及必要的圖注。通常，箭頭方向指明數(shù)據(jù)流向，左邊是輸入端口，右邊是輸出端口，但不是絕對。

為便于集成和操作，IP核通常采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)接口，例如上圖中給出的AXI4-Stream、AXI4-Lite等。

所有AXI4-Sream接口包含用于流控的valid 和ready握手。上圖中，數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，如下圖所示。

根據(jù)圖示可知，輸入DIN上數(shù)據(jù)輸入依賴于CTRL和DIN_WORDS，DOUT輸出的數(shù)據(jù)依賴于內(nèi)部解碼器輸出和DOUT_WORDS。CTRL的輸入與DIN_WORDS的相關(guān)輸入之間存在延時，并且DIN被接受，需要通過通道上的tready來斷言。同樣，DIN_WORDS與DIN也存在延時。如果要最小化DIN上的延時，那么CTRL和DIN_WORDS應(yīng)該提前提供。同樣，在輸出端，為了避免輸出DOUT延遲，若有必要，應(yīng)該盡早驅(qū)動DOUT_WORDS。接口有淺緩存，在CTRL上提供相關(guān)的塊控制之前，DIN和DIN_WORDS上在允許輸入少量數(shù)據(jù)。

當(dāng)我們拿到這樣的IP指南時，首先就要先看看這個IP能夠?qū)崿F(xiàn)什么功能，適用于哪種協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)，IP核端口及信號定義，以及重要的注釋信息。

對于通用的FIFO、RAM等，會用即可。難點在于根據(jù)某些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或算法而有針對性開發(fā)的IP核，通常應(yīng)用起來也要花一些時間去看文檔，并了解背后的協(xié)議和算法。例如，對于應(yīng)用于5G信道編譯碼的Polar IP和LDPC IP，涉及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和一系列參數(shù)配置，并不像使用一個FIFO那樣簡單。

更多關(guān)于端口描述和寄存器空間的內(nèi)容，請參閱參考文獻(xiàn)[2]。這里不再占用篇幅和時間碼字了。

Polar Encoder IP應(yīng)用

本節(jié)內(nèi)容，是大家最為關(guān)心的，拿到資料后，我們初步了解了這個IP是干嘛的，有什么特性，有哪些端口，如何利用該IP進(jìn)行設(shè)計，流程是什么，怎么仿真驗證。

這里，假設(shè)你已經(jīng)看完了產(chǎn)品指南的資料，你已經(jīng)迫不及待準(zhǔn)備開始動手了。

然而，你卻迷惑了：我有Polar 編解碼 IP的license嗎？我該用哪個版本的Vivado設(shè)計套件？我如何去寫一個testbench來驗證，我的參考模型在哪里？

關(guān)于Polar IP license的問題，解決辦法有兩個：

（1）若你已經(jīng)入職，那么找你項目組的負(fù)責(zé)人，他會想辦法去購買，買回來就可以用了；

（2）若你還在求學(xué)，然而導(dǎo)師想讓你研究Polar碼，要自己動手去進(jìn)行硬件實現(xiàn)，你想找個參考和性能對比對象，然鵝沒有足夠的資金去購買一個IP，并且很不值得，那么你可以去Xilinx官網(wǎng)申請一個評估版的license進(jìn)行試用。

然后進(jìn)去申請一個免費的評估license，可以搜索你想申請的license。一般需要你注冊，并且提前準(zhǔn)備好你主機(jī)的MAC地址，以備填寫信息所用。

關(guān)于Vivado設(shè)計套件版本的問題，看哪個版本支持5G等開發(fā)就用哪個，筆者用的是Vivado2018.3。

關(guān)于如何寫testbench的問題，這個問題確實很重要，也有很多參考書和博客在比較詳細(xì)的介紹。前面的文章《SystemVerilog與功能驗證方法學(xué)》提到過關(guān)于testbench驗證平臺的問題。我們要注意的是，測試激勵的產(chǎn)生以及對DUT輸出結(jié)果的檢測。首先為DUT提供輸入信號，用邏輯和存儲文件產(chǎn)生必要的信號；其次，要注意各端口測試激勵的時序關(guān)系，應(yīng)根據(jù)DUT的需求進(jìn)行設(shè)計；最后，對于DUT的輸出，我們可以進(jìn)行寫文件操作，保留仿真產(chǎn)生的結(jié)果，便于數(shù)據(jù)分析。

對于參考模型，我們常用的就是MATLAB鏈路算法模型。例如對于Polar的編碼，MATLAB中提供了庫函數(shù)nrPolarEncode，該函數(shù)是根據(jù)5G NR標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議編寫的，可直接調(diào)用。

萬事俱備，只欠東風(fēng)。我們把申請好的license加入到license管理器中對應(yīng)的路徑后，更新確認(rèn)是否可用。

新建一個工程，通過Vivado的IP目錄，我們輕松找到Polar IP核：

然后進(jìn)行簡單的配置，例如選擇進(jìn)行編碼，存儲資源類型可以選DRAM或BRAM。“OK”后導(dǎo)出IP核，綜合方式可以選全局或者OOC，默認(rèn)是OOC方式。

然后我們將IP的例化文件復(fù)制粘貼到工程的v文件中，并定義好集成的模塊名。

當(dāng)我們例化好IP 核后，將必要的input和output 端口通過頂層文件進(jìn)行定義。

接下來，就著手編寫testbench了。當(dāng)你不知道怎樣去寫一個令人滿意的驗證IP 的testbench時，你可以在IP sources欄，選擇該IP，右鍵去選擇“Open IP Example Design”打開IP的例程，查看例程的testbench是怎樣寫的，并且可以直接進(jìn)行仿真。當(dāng)然，你也可以自己編寫一個testbench。
?

跑個例程是很簡單，然鵝，你的目標(biāo)可不是跑個例程就結(jié)束了。

這里在應(yīng)用Polar 編解碼IP核時，最重要的是什么呢？其實是根據(jù)實際情況去配置參數(shù)寄存器。

當(dāng)時筆者也是沒搞懂這個寄存器到底應(yīng)該怎樣去配置，才能得到想要的結(jié)果，每次以為已經(jīng)按照指南操作了，可是編碼結(jié)果就是和MATLAB中的結(jié)果對不上，對不上，你絕望嗎？

沒錯，筆者要說的就是下面這個寄存器空間。

當(dāng)仔細(xì)看完IP指南后，筆者還是很懵的。直到嘗試了好幾天，才終于搞定了。期間，甚至去Xilinx論壇提問了，當(dāng)我已解決后的某個周末，論壇回郵件了。當(dāng)然我只是問了一個不是最重要的問題，而是一個非常普通的不算是問題的問題，因為指南里其實已經(jīng)說了，只是當(dāng)時已經(jīng)懷疑自我了。

在指南里，上面這個表的每一個地址及對應(yīng)的配置參數(shù)，都有說明，然鵝，當(dāng)你看到上表的最后一行，你會很困惑:這個位分配表我哪里知道？！

當(dāng)初筆者天真的以為，假如按照輸出的碼字全是信息bit，自己去造一個位分配表，然鵝，還是太年輕。

仿真過幾次，不對啊。

然后又去Xilinx官網(wǎng)找資料，找到了參考文獻(xiàn)[3]，并且通過文中的連接，獲取了一份重要的C模型和MATLAB模型的代碼，這個文檔就是介紹如何去造位分配表。而C模型和MATLAB代碼，正是在下苦苦尋找的位分配表的產(chǎn)生來源。

要說，這個位分配表，是依據(jù)協(xié)議來產(chǎn)生的，IP核利用了寄存器映射，指明輸出碼字每一位的類型：凍結(jié)位、信息位、CRC位、奇偶校驗位。

依據(jù)這個MATLAB代碼，筆者根據(jù)實際參數(shù)進(jìn)行配置，然后產(chǎn)生了位分配表，再把這個表寫入MIF文件，通過testbench讀取并寫入IP核的參數(shù)總線。最后，編碼輸出的結(jié)果終于和MATLAB對上了！

注意，MATLAB的版本最好是2019a/b及以上。

對比結(jié)果就不貼圖了，本來這篇水文是不能寫出來的，在不涉密的情況下，我只能這么水水的描述一下，以饗讀者。

在整個Polar Encoder/Decoder IP核的開發(fā)應(yīng)用中，需要注意以下幾點：

（1）確定參數(shù)配置方式，最好采用可編程方式配置；

（2）對于DIN_WORDS、CTRL、STATUS、DOUT_WORDS端口輸入，要結(jié)合前文提到的數(shù)據(jù)接口依賴關(guān)系；

（3）對于不同的信道（如PBCH，PDCCH），IP核的配置不太一樣，仔細(xì)看IP指南和本文提到的很重要很重要的那個圖表。