基于FPGA的Turbo码编译码器实现.pdf
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基于FPGA的Turbo码编译码器实现.pdf
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青岛大学硕士学位论文基于FPGA的Turbo码编译码器实现姓名:
李霞申请学位级别:
硕士专业:
信号与信息处理指导教师:
王正彦20100604摘要Turbo码在提出伊始,以其接近Shannon极限的优异的译码性能在编码界引起了轰动,并成为研究纠错编码的热点课题。
经过十几年的研究和发展,Turbo码已经开始走向了实用化。
虽然Turbo码性能优越,但是在实现时需要解决计算量大,计算复杂的问题,这个问题在硬件实现时尤其突出。
如何有效的用硬件实现Turbo码编译码器成为了人们研究的重点。
本文在介绍Turbo编译码理论的基础上,重点是译码器的部分,详细的分析MAP、Log-MAP、MaxLogMAP三种常用的译码算法,选择MaxLogMAP译码算法来进行Turbo码译码器设计。
针对实现(解)交织器、定点数据表示方式、子译码器MaxLog-MAP算法的主要运算单元进行FPGA设计,关键是我们采用两组存储器使两个子译码器交替工作,这样可以有效的减少延时、提高译码速度。
通过分析Turbo码系统功能,把整个系统分割成不同的功能模块,再用Verilog语言或者原理图实现每个不同模块。
文中详细的介绍了各个模块的设计思路,在各个模块设计完成和验证功能正确后把各个模块整合,仿真检测整个系统的性能。
在综合考虑设计方案的性能、复杂程度、系统规模、系统延时和成本等各项因素,本次设计选择了Altera公司的CycloneIl器件来完成Turbo码在硬件语言上的仿真设计,并在DE2板上显示最终结果。
关键词:
Turbo码;Max-LogMAP孚码算法;FPGAAbstractTurbocodescauseasensationinthebeginningbecauseitneartheShannonlimitforitsexcellentdecodingperformance。
andhasbecomeahotresearchsubjectoferror-correctingcodesAtiermorethantenyearsofresearchanddevelopment,TurbocodeshavebeenorientedtowardapracticalWayatpresent,Turbocodeshavesuperiorperformance,butthecalculationneedsalargeamountofcomputationalcomplexitythatisparticularlyprominentinthehardwareimplementationItbecomeonefocusstudiesthathowtousethehardwaretoachieveeffectiveTurbOcodesThepaperbasedonthetheoryofintroducestheTurbocodinganddecoding,focusingonthedecoder,detailedanalysisthreecommonlyuseddecodingalgorithmofMAP,Log-MAPandMaxLogMAEWeselecttheMax-Log-MAPdecodingalgorithmtocarqoutTurbocodesdecoderinthispaperFortherealizationof(de)interleaver,representationoffixed-pointdataandthemaincomputingunitofsubdecoderSMaxLog-MAPalgorithmonFPGAdesignThekeyisourpaperusetwosetsofmemorySOthatthetwosubdecodersalternatelyworkthatCanreducethedelayeffectivelyandimprovethedecodingspeedTheentiresystemisdividedintodifferentfunctionalmodulesbyanalyzingtheTurbOcodefunctionsandthentorealizeeachofthedifferentmoduleswiththeVeriloglanguageandschematicdiagramsThepaperdescribesthedesignideaofthevariousmodulesindetailaftereachmoduledesigniScompletedandverifiedthecorrectfunctionofthemintegratethismodule,simulateandtesttheperformanceoftheentiresystemWechoosetheCyclonelIofAlteraSdevicetocompletetheTurbocodeSsimulationbasedonconsideringdesignoptionsoverallperformance,complexity,systemsize,delayandthecostofvariousfactorsanddisplaythefinalresultontheDE2Keywords:
Turbocode,Max-Log-MAPalgorithm,FPGA第一章绪论第一章绪论随着社会的发展,信息传播起着越来越重要的作用。
信息革命已经渗入社会活动的各个领域,信息作为一种重要的资源,同益成为人们赖以生存的要素之一。
社会需求促使通信理论和技术得到迅速发展和更新,现代通讯F朝着智能化、综合化和个性化的方向发展,与此相应的传播手段和技术也需要不断的更新,如何降低误码率就成了一个不可避免的问题。
提高通信质黾是数字通信的重要问题,因此,信道纠错编码的研究和使用仍然是当今通信领域研究的重要课题。
11引言我们知道,香农理论一直是通信的依据。
1948年,香农的论文Amathematicaltheoryofcommunication)中,提出了信息编码的理论基础。
论文从数学上定义了信源的熵和信道容量,并且证明了只要信源的熵小于信道容量,就可以在噪声信道上实现可靠通信【l】。
在当时的通信学界,普遍认为在非零数据传输速率下实现任意小的差错率是不可能的,香农理论是一个重大的贡献,但是需要考虑一些实际的问题。
其一,香农的编码定理并没有给出具体构造有效码的方法。
其二,当要求的差错概率很低时,将迫使采用非常长的码,这会导致译码运算非常复杂125。
面对越来越强大的通信系统,需要不断的创新,更需要新的概念。
Turbo码正是在这样的背景下应运而生的一种具有强纠错力特色的编码理论,其理论基础来源于香农开创的经典理论一信息论和莫尔定律,它是全世界的研究者为达到香农极限所作出的努力。
nlrbO码,又称为并行级联卷积码(PCCC,ParallelConcatenatedConvolutionalCode),通过交织器实现由短码构造长码,并采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。
因为Turbo码很好的利用了香农信道编码定理中的随机性编译码的条件,所以获得了接近香农理论极限的性能34181。
到目前为止,Turbo码在现有信道编码方案中是最好的,它的性能远远超过了其他的编码方式,尚未有任何一种编码方案能与其相比拟。
因此得到了广泛的关注和发展,并对当今的编码理论和研究方法产生了深远的影响,信道编码学也随之进入了一个新的阶段。
由于Turbo码的优越性能,研究者在将它用于应用系统方面做出了很多努力。
例如移动卫星通信系统、数字音频广播、数字视频广播、深空通信、深空网、UMTS3GPP、CDMA等系统。
除此之外,Turbo码技术也被用到信息隐藏领域,例如视频、图像的加密和数字水印技术上。
Turbo码的思想还被用于分靠式信源编码的研究和信源信道联合编码技术中f引。
青岛人学硕十学位论文12Turbo码的现状动态1993年,在瑞士开内瓦召开的国际通信会议上,首先提出Turbo码的编、译码方案的是法国不列颠通信大学的CBerrou,AGlavieux和PThitimajshiwa,但是几位发明者只是给出特定参数下的仿真结果,
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- 基于 FPGA Turbo 译码器 实现