一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器及譯碼方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，包括：支路度量距離計算模塊，用于將接收到編碼數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行差模求和法運算，計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離；加比選計算模塊，用于根據(jù)支路度量距離結合傳統(tǒng)加比選操作確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離；狀態(tài)反饋追蹤模塊，用于對各狀態(tài)更新后的所述累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)，并輸出譯碼結果。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的維特比譯碼器工作時延小、動態(tài)功耗低、無線局域網中性能優(yōu)、譯碼性能好。本發(fā)明同時公開了一種譯碼方法。
【專利說明】一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器及譯碼方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及通信信道編碼解碼【技術領域】，更具體地涉及一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器及譯碼方法。
【背景技術】
[0002]維特比譯碼作為卷積碼的譯碼方法，相比起序列譯碼和門限譯碼法之下，它具有最佳性能，其譯碼原理采用最大似然估計方法，對輸入信息進行判定，以似然函數(shù)最大化為標準輸出信息。其似然性也以看作為對給定的接收序列求其對數(shù)似然函數(shù)，得到其累加值為最大的路徑:即通過每一時刻找出最小路徑所在狀態(tài)，從而得到最小誤差(最大可能)路徑，通過路徑追溯得到譯碼結果。維特比譯碼的過程常常采用網格圖進行描述。對于約束長度為K的卷積碼，其譯碼網格圖共包含2K—1種狀態(tài)，每個節(jié)點(即每個狀態(tài))有2條支路引入也有N (0SNS2)條支路引出。在維特比譯碼算法中，首先對匯聚在每個節(jié)點上的兩條路徑的對數(shù)似然函數(shù)累加值進行比較，并求出每級對數(shù)似然函數(shù)累加值，然后兩兩比較并作出選擇，在譯碼最后只有唯一一條幸存路徑保留下來，即為譯碼所得路徑。也就是說，在已知接收到的序列情況下，這條譯碼路徑和發(fā)送序列最相似。
[0003]傳統(tǒng)的基于維特比譯碼法的維特比譯碼器其譯碼原理采用最大似然估計方法，通過每一時刻找出最小路徑所在狀態(tài)，從而得到最小誤差(最大可能)路徑，通過路徑追溯得到譯碼結果。基于上述譯碼算法的基礎上，傳統(tǒng)維特比譯碼器在硬件實現(xiàn)時主要包括三個部分:支路度量單元(BMU)，加比選單元(ACSU)以及幸存路徑存儲單元(SMU)。支路度量單元用于計算每一時刻所有可能的支路度量距離；加比選單元用于各譯碼狀態(tài)間進行相加、比較、選擇操作，輸出相鄰時刻譯碼狀態(tài)轉移變化關系。幸存路徑存儲單元則根據(jù)各狀態(tài)的幸存路徑輸出譯碼結果，實現(xiàn)有兩種方法:寄存器交換法(RE)和追蹤回溯法(TB)。傳統(tǒng)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(tài)數(shù)較多的情況，硬件實現(xiàn)時所需的寄存器數(shù)量龐大，當進行存儲交換時，邏輯門開關動態(tài)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(xiàn)功耗較小，但是TB方法的譯碼延時約為RE方法的4倍，對于實時性要求高的無線通信系統(tǒng)如無線局域網性能受到限制。
[0004]而隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)趨向復雜化發(fā)展，無線基帶通信系統(tǒng)中各模塊的實際性能、延時、功耗等參數(shù)成為基帶設計的重要考慮因素。維特比譯碼器作為一種信道解碼器，被廣泛應用于無線局域網并且成為基帶系統(tǒng)的重要組成部分，其功耗與性能占據(jù)基帶設計中非常關鍵的一環(huán)。因此，鑒于上述維特比譯碼器的缺點及無線基帶通信系統(tǒng)設計時的考慮因素，設計工作時延小、動態(tài)功耗低、無線局域網中性能優(yōu)、譯碼性能好的維特比譯碼器尤為重要。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，該維特比譯碼器工作時延小、動態(tài)功耗低、無線局域網中性能優(yōu)、譯碼性能好。[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種譯碼方法，該方法可使得實現(xiàn)譯碼的硬件(即譯碼器)工作時延小、動態(tài)功耗低、無線局域網中性能優(yōu)、譯碼性能好。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，包括:
[0008]支路度量距離計算模塊，用于接收編碼數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行差模求和法計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離；
[0009]加比選計算模塊，用于根據(jù)所述支路度量距離及傳統(tǒng)加比選操作確定確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離；以及
[0010]狀態(tài)反饋追蹤模塊，用于對各狀態(tài)更新后的所述累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)，并輸出譯碼結果。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的維特比譯碼器具有以下優(yōu)點:
[0012](I)采用軟判決處理的方法，支路度量距離計算模塊采用差模求和法(即改良的、精簡的歐氏距離計算方法)，取代理論上的歐氏距離計算，實現(xiàn)了更好的最大似然估計，避免了采用乘法，狀態(tài)機等操作，實際只需采用取反和加法操作，并且在一個時鐘即可完成距尚計算，復雜度相對不聞;
[0013](2)利用譯碼路徑從初始狀態(tài)O開始的特點，每一時刻通過不斷更新、唯一的狀態(tài)譯碼指針，確定了任一狀態(tài)下一時刻的唯一指向，從而在每一時刻均可確定譯碼路徑；
[0014](3)對于(2，I, 7)卷積譯碼延時只為兩個時鐘周期，比傳統(tǒng)的寄存器交換方法延時時鐘周期至少減少了 30%，延時小、實時性好；
[0015](4)該維特比譯碼器比傳統(tǒng)的追蹤回溯法譯碼器動態(tài)功耗減少60%，并且在信噪比SNR較高(SNR ^ 7dB加性高斯白噪聲信道)實現(xiàn)較好的譯碼性能，在無線局域網中的性能也較優(yōu)。
[0016]相應地，本發(fā)明還提供了一種譯碼方法，包括:
[0017]接收編碼數(shù)據(jù)及參考數(shù)據(jù)并采用差模求和法，計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離；
[0018]根據(jù)所述支路度量距離及傳統(tǒng)加比選操作確定確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離；
[0019]對各狀態(tài)更新后的所述累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)，并輸出譯碼結果。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，該譯碼方法采用差模求和法(即改良的、精簡的歐氏距離計算方法)，取代理論上的歐氏距離計算，實現(xiàn)了更好的最大似然估計，避免了采用乘法，狀態(tài)機等操作，實際只需采用取反和加法操作，并且在一個時鐘即可完成距離計算，復雜度相對不高；另外，該譯碼方法可使得實現(xiàn)譯碼的硬件(即譯碼器)工作時延小、動態(tài)功耗低、無線局域網中性能優(yōu)、譯碼性能好。
[0021]通過以下的描述并結合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明的實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1所示為(2，I, 3)卷積碼狀態(tài)反饋式維特比譯碼網格圖。[0023]圖2所示為無線局域網數(shù)字基帶收發(fā)機。
[0024]圖3所示為低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器內部結構圖。
[0025]圖4為圖3的具體結構框圖。
[0026]圖5為圖3所示支路度量距離計算模塊的原理圖。
[0027]圖6為譯碼狀態(tài)轉移圖。
[0028]圖7為MACS電路實現(xiàn)框圖。
[0029]圖8為本發(fā)明譯碼方法的流程圖。
[0030]圖9為圖8所述步驟S103的子流程圖。
【具體實施方式】
[0031]現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。
[0032]首先對低功耗狀態(tài)反饋式軟判決維特比譯碼原理進行介紹，如下:
[0033]若以約束長度k=3，編碼率r=l/2，生成多項式gQ=lll8，gl=1018，并且L=IO的卷積編碼器對數(shù)據(jù)(0101 1100 1010 00)進行編碼得到(00，11，10，00，01，10，01，11，11，10，11，10，11，00)，并經過噪聲干擾，對該組噪聲數(shù)據(jù)進行軟判決處理，其譯碼過程如圖1所示，圖中實線表示相鄰狀態(tài)間未進行單一指向時的譯碼情況，虛線表示相鄰譯碼狀態(tài)間進行單一指向改良后的情況；實線加粗表示最終的譯碼路徑。其中的二進制00，01，10，11分別為狀態(tài)譯碼過程中的四種狀態(tài)。根據(jù)狀態(tài)轉移關系，狀態(tài)O或狀態(tài)2可能指向下一時刻的狀態(tài)O或狀態(tài)I。當t=l時，狀態(tài)O與狀態(tài)I幸存路徑均源于t=0時的狀態(tài)0，為了使相鄰時刻狀態(tài)轉移不出現(xiàn)分叉情況，此時需要對狀態(tài)O和狀態(tài)I更新后的累計路徑距離進行較小值比較，較小的一方狀態(tài)指向不變，結果從t=o到t=l，狀態(tài)O指向狀態(tài)0，而原本狀態(tài)O指向狀態(tài)I的情況，改變成狀態(tài)2指向狀態(tài)I (即圖中虛線表示)，從而實現(xiàn)相鄰兩時刻之間狀態(tài)轉移的單一指向性，為了演示方便，圖中只給出t ( 4時改進后各狀態(tài)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(tài)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(tài)指針的方法，將其初始化為狀態(tài)0，每一時刻譯出的碼比特反饋更新狀態(tài)指針，進行實時譯碼追蹤。此外，由于L=IO,在t=IO時,狀態(tài)重新復位到狀態(tài)O,使譯碼器重新從狀態(tài)O出發(fā)以實現(xiàn)連續(xù)譯碼。
[0034]再請參考圖3及圖4，本發(fā)明的低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器包括:
[0035]支路度量距離計算模塊，用于接收編碼數(shù)據(jù)及參考數(shù)據(jù)并采用差模求和法，計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離；
[0036]加比選計算模塊，用于根據(jù)支路度量距離及傳統(tǒng)加比選操作確定確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離；以及
[0037]狀態(tài)反饋追蹤模塊，用于對各狀態(tài)更新后的累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)，并輸出譯碼結果。
[0038]需要注意的是，在圖3中，維特比譯碼器包括支路度量單元(BMU)，改進型加比選單元(MACSU)，狀態(tài)反饋追蹤(SFTU)，各模塊均采用單時鐘源，并且采用異步復位法，輸入數(shù)據(jù)為4比特軟比特數(shù)據(jù)，經過SFTU模塊后，每個時鐘輸出I比特數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)先經過BMU模塊輸出支路度量距離，再經過MACSU模塊輸出64為并行狀態(tài)信息到SFTU，根據(jù)狀態(tài)信息以及狀態(tài)指針，輸出譯碼數(shù)據(jù)。[0039]下面對本發(fā)明譯碼器各模塊的原理及其實現(xiàn)結構進行詳細闡述。
[0040]一)支路度量距離計算模塊(BMU)
[0041]如圖4所示，支路度量距離計算模塊包括:
[0042]接收單元11，用于接收編碼數(shù)據(jù)；
[0043]第一計算單元12，用于根據(jù)所接收的編碼數(shù)據(jù)結合既定的參考數(shù)據(jù)采用差模求和法及量化輸入法計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離。
[0044]理論上，在進行軟判決處理時，支路距離采用歐氏距離計算方法，根據(jù)文獻[I,hui ling lu0.1mplementing the Viterbi algorithm.Signal ProcessingMagazine, 1995，12(5):42-52.],歐氏距離表示為
【權利要求】
1.一種低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，其特征在于，包括: 支路度量距離計算模塊，用于將接收到的編碼數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行差模求和運算，計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離； 加比選計算模塊，用于根據(jù)支路度量距離結合傳統(tǒng)加比選操作確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離；以及 狀態(tài)反饋追蹤模塊，用于對各狀態(tài)更新后的所述累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)，并輸出譯碼結果。
2.如權利要求1所述的低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，其特征在于，所述支路度量距離計算模塊具體包括: 接收單元，用于接收所述編碼數(shù)據(jù)； 第一計算單元，用于根據(jù)所接收的所述編碼數(shù)據(jù)結合既定的參考數(shù)據(jù)采用差模求和法及量化輸入法計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離。
3.如權利要求2所述的低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，其特征在于，所述加比選模塊具體包括: 第二計算單元，用于計算t-Ι時刻輸入狀態(tài)i的累計路徑距離PMt_i(i)及t-1時刻輸入狀態(tài)j的累計路徑距離PMtJj)； 第三計算單元，用于根據(jù)所述第一計算單元所計算的支路度量距離匹配到輸入狀態(tài)i轉移到輸出狀態(tài)P以及輸入狀態(tài)j轉移到輸出狀態(tài)q時分別對應的支路度量距離BM(i’p)以及BMatl)，并根據(jù)所述第二計算 單元中的累計路徑距離PMw⑴，PMw (j)得到所有可能狀態(tài)轉移情況的可能累計路徑距離PMt(i’p)、PMtap)、PMtat^PMtat0 ； 比較單元，用于比較所述可能累計路徑距離PMt(i’p)與PMtap)和所述可能累計路徑距離PMtM與PMta'得出輸出狀態(tài)P和狀態(tài)q的所述可能累計路徑距離的較小值以作為更新累計路徑距離PMt(p)和PMtw，并確定所述輸入狀態(tài)i和j下一時刻的唯一指向；以及輸出單元，用于輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離。
4.如權利要求1至3任一項所述的低功耗狀態(tài)反饋式維特比譯碼器，其特征在于，所述傳統(tǒng)加比選操作包括對各狀態(tài)進行相加、比較以及選擇。
5.—種譯碼方法,其特征在于,包括: 接收編碼數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行差模求和法，計算各狀態(tài)、各時刻的支路度量距離； 根據(jù)所述支路度量距離及傳統(tǒng)加比選操作確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離； 對各狀態(tài)更新后的所述累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)，并輸出譯碼結果O
6.如權利要求5所述的譯碼方法，其特征在于，所述“根據(jù)所述支路度量距離及傳統(tǒng)加比選操作確定相鄰時刻狀態(tài)間的單一指向關系，并輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離”具體包括: 計算t-ι時刻輸入狀態(tài)i的累計路徑距離PMt_i (i)及t-ι時刻輸入狀態(tài)j的累計路徑距離 PMh (j)； 根據(jù)由所述輸入狀態(tài)i轉移到輸出狀態(tài)P時對應的支路度量距離BM(i’p)、由所述輸入狀態(tài)j轉移到輸出狀態(tài)q時對應的支路度量距離BMatl)以及所述傳統(tǒng)加比選操作計算四種可能累計路徑距離 PMt (i’p)、PMt αρ)、PMt(i’q)、PMtα q)； 對所述四種可能累計路徑距離PMt(i’p)、PMtap)、PMt&)、PMtaq)進行較小值比較以得出輸出狀態(tài)P和狀態(tài)q的更新累計路徑距離PM，)和PMtw較小值，并確定所述輸入狀態(tài)i和j下一時刻的唯一指向；以及 輸出各狀態(tài)更新后的累計路徑距離。
7.如權利要求5所述的譯碼方法，其特征在于，所述“對各狀態(tài)更新后的所述累計路徑距離進行反饋追蹤以更新輸出狀態(tài)”之前還包括: 判斷編碼次數(shù)L是否大于等于4 ； 根據(jù)判斷結果重新復位輸入，以使譯碼重新從狀態(tài)O開始。
8.如權利要求5至7任一項所述的譯碼方法，其特征在于，所述傳統(tǒng)加比選操作包括對各狀態(tài)進行相加、比較 以及選擇。
【文檔編號】H03M13/41GK103546170SQ201310539603
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】徐永鍵, 陸許明, 溫偉杰, 譚洪舟 申請人:廣州市花都區(qū)中山大學國光電子與通信研究院