TD_SCDMA系統(tǒng)中TFCI譯碼在ZSP500 DSP內(nèi)核上的實現(xiàn)
2007-10-30
作者：文 虹，申 敏，趙靜娟
摘 要： 介紹一種由快速哈達(dá)碼變換與超碼譯碼結(jié)合實現(xiàn)的譯碼算法" title="譯碼算法">譯碼算法，該算法能降低TFCI的誤碼率，是一種簡單有效的方法。在分析此譯碼算法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于ZSP500 DSP內(nèi)核的實現(xiàn)方法,并給出了程序?qū)崿F(xiàn)的具體步驟。
關(guān)鍵詞： TFCI? ZSP500? 快速哈達(dá)碼變換
在TD_SCDMA系統(tǒng)中，傳輸格式組合指示TFCI(Transport Format Combination Indicatorl)描述了當(dāng)前的傳輸格式組合。一個特定的TFCI值與一種特定的傳輸格式組合具有一一對應(yīng)的關(guān)系。一旦檢測到TFCI，就可知道各個傳輸信道的傳輸格式，包括傳輸塊大小、編碼類型等信息。因此TFCI是信道譯碼過程中非常重要的參數(shù)，保證了TFCI譯碼的正確性，才能保證信道譯碼的正確。
ZSP500 DSP內(nèi)核是一種可編程的高性能處理器，不僅適用于數(shù)字信號處理，而且在圖像處理、語音處理、通信等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。具有低成本、低功耗、高性能的處理能力，因此以其作為核心的智能控制器是智能化制造技術(shù)的發(fā)展方向。它的出現(xiàn)也使TFCI譯碼的實現(xiàn)變得更為方便。
1 TFCI譯碼算法設(shè)計
1.1 TFCI譯碼分析
TFCI在各自物理信道的數(shù)據(jù)部分發(fā)送。編碼后的TFCI符號在子幀內(nèi)和數(shù)據(jù)塊內(nèi)均勻分布。已編碼的TFCI符號平均地分配到兩個子幀中相應(yīng)的數(shù)據(jù)部分，緊挨著Midamble發(fā)送。所在位置如圖1所示。
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在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了三種不同的編碼方案：極短TFCI(1～2位)，較短TFCI(3～5位)，較長TFCI(6～10位)。
最優(yōu)的TFCI譯碼算法是窮舉法，即將所有碼字進(jìn)行編碼，與譯碼輸出端的數(shù)據(jù)相比較，找出最相似的一個作為譯碼結(jié)果。該方法存在兩大問題，一是在實際環(huán)境中，譯碼端輸入的是經(jīng)傳輸信道的數(shù)據(jù)，即加干擾后的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與原始碼字編碼后的數(shù)據(jù)比較勢必存在較大誤碼率；二是對較長TFCI，其所有碼字的可能組合為210=1024，也就是說采用窮舉法譯碼時，需存儲1024個數(shù)據(jù)，這不僅影響運算速度，而且耗費存儲空間。
對于較短TFCI采用一階RM(Reed-Muller)編碼，因此可采用FHT（快速哈達(dá)瑪變換）直接譯碼[1]。關(guān)于RM的定義見參考文獻(xiàn)[1]。較長TFCI采用了加掩碼的一階RM編碼，是一種超碼，即以一階RM碼為基礎(chǔ)碼集的陪集串。本文討論的正是這種較長TFCI的譯碼算法，包括對雙極性" title="雙極性">雙極性序列的變換、基礎(chǔ)碼集的譯碼以及去除掩碼的處理過程。
1.2 TFCI譯碼
較長TFCI是采用基礎(chǔ)碼集加陪集串的編碼方式構(gòu)成的超碼。其編碼生成矩陣就是以一階RM(1，6)為基礎(chǔ)碼集，加上16個掩碼(包括全零向量)為陪集的編碼方式。相應(yīng)地，較長TFCI可采用超碼譯碼法[2]。超碼譯碼原理：第一步，在接收的雙" title="的雙">的雙極性碼字中依次乘雙極性化后的掩碼集，以此消除掩碼；第二步，對消除掩碼的碼字采用基礎(chǔ)碼集的譯碼算法，在此即為一階RM碼的FHT；第三步，譯出碼字和相應(yīng)的陪集表示，確定出最后的譯碼信息。所以較長TFCI譯碼主要分為消除掩碼和基礎(chǔ)碼集譯碼兩部分。其譯碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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1.2.1 消除掩碼
陪集是編碼生成矩陣的后四列組成的四維空間，即16個掩碼(包括全零向量)為陪集所表示的陪集串序列。研究分析得知，對較長TFCI譯碼，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，即譯碼輸入的原第31個數(shù)據(jù)調(diào)整為現(xiàn)第1個數(shù)據(jù)，原第32個數(shù)據(jù)調(diào)整為現(xiàn)第17個數(shù)據(jù)，原第l～l5個數(shù)據(jù)調(diào)整為現(xiàn)第2～16個數(shù)據(jù)，原第l6～30個數(shù)據(jù)調(diào)整為現(xiàn)第18～32個數(shù)據(jù)。然后對調(diào)整后的數(shù)據(jù)(即雙極性序列r)進(jìn)行去除掩碼的處理。在去除掩碼過程中，首先根據(jù)生成矩陣的后4列(基本掩碼序列)的線性組合得出整個掩碼集，然后將掩碼集雙極性化，最后用接收的雙極性碼字依次乘前面雙極性化后的掩碼集。這樣，就完成了去除掩碼的處理。
1.2.2 基礎(chǔ)碼集譯碼
由參考文獻(xiàn)[2]可得出，TFCI編碼的生成矩陣的前6列就是RM′（1，6）的變形。其變形順序是將RM′(1，6)的倒數(shù)第二列放到第一列，倒數(shù)第一列放到第16列。所以，譯碼時必須變化輸入序列，以適應(yīng)譯碼矩陣。變換后得到的數(shù)據(jù)即雙極性序列，需要進(jìn)行FHT變換，然后再通過存儲與比較進(jìn)行譯碼，才能得到二進(jìn)制信息序列m。
具體的軟判決步驟如下：
(1)將譯碼輸入端的雙極性信息與雙極性MASKi序列相乘，進(jìn)行消掩處理，得到序列c(雙極性形式)；較短TFCI相當(dāng)于MASKi為0。
(2)對序列c進(jìn)行FHT變換，得到矩陣G；較短TFCI得到一個1*N的矩陣。
(3)在得到的矩陣G中尋找y的最大絕對值，得到最大值的行號" title="行號">行號p和列號q。
(4)較短TFCI譯碼結(jié)果為最大值的列號q的二進(jìn)制形式。較長TFCI譯碼還要進(jìn)行下列步驟：譯碼原信息的第一位根據(jù)y的正負(fù)進(jìn)行判斷。當(dāng)y為正時，原信息的首位為0；當(dāng)y為負(fù)時，原信息的首位為1。
(5)譯碼原信息的第2~6位為最大值列號q的二進(jìn)制形式。
(6)譯碼原信息的第7~10位即最大值行號p的二進(jìn)制形式。
2 TFCI譯碼實現(xiàn)流程設(shè)計
ZSP500內(nèi)核以獨有的高效面積、極低功耗、一流代碼密度、實現(xiàn)四MAC的性能等優(yōu)點成為高帶寬3G頻帶處理和豐富多媒體應(yīng)用的理想選擇。其處理單元主要包括預(yù)取單元(PFU)、指令單元(ISU)、管線控制單元(PCU)、算術(shù)邏輯單元(ALU)等。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
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ZSP500強(qiáng)大而簡練的指令集減少了開發(fā)時間，運行頻率為250MHz。一個基于ZSP500的設(shè)備的處理能力可達(dá)1 000MIPS。ZSP500具有兩個專有的地址生成單元(AGU)，可以驅(qū)動各自專有的裝載/存儲端口，可在每個周期內(nèi)完成兩次裝載兩次存儲，或一次裝載一次存儲。每個數(shù)據(jù)端口都是32位寬，因此每個周期內(nèi)一共可以完成64位(4個字)的數(shù)據(jù)傳輸。另外PFU中還有一個跳轉(zhuǎn)預(yù)測邏輯，能夠提供zero-overhead循環(huán)，產(chǎn)生高效的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用。使用靜態(tài)分組規(guī)則決定每個時鐘周期" title="時鐘周期">時鐘周期執(zhí)行的指令條數(shù)，在程序員邏輯上正確編寫代碼可保證多條指令并行執(zhí)行，提高了效率。
較長TFCI譯碼實現(xiàn)時，可以從兩方面簡化和提高執(zhí)行效率。
(1)采用FHT算法減少運算量
理論上，F(xiàn)HT將Hadamard矩陣分解為稀疏矩陣的乘積[3]。具體實現(xiàn)與FFT類似，采用蝶形變換，只是沒有乘法運算。Hadamard變換是一個線性變換，其主要優(yōu)點是所需空間小、運算速度快。在用ZSP實現(xiàn)時，只需存儲一個一階Hadamard矩陣，并且還可采用FHT算法減少運算量。由此看出，采用Hadamard變換對TFCI進(jìn)行譯碼具有可行性。
FHT算法與FFT算法類似，采用蝶形變換。但是在ZSP500中沒有提供類似TI C55xDSP中的ADDSUB指令，用一個機(jī)器時鐘同時對兩個寄存器進(jìn)行加減。所以只能按下列代碼分別執(zhí)行，對執(zhí)行效率有所影響。
FHT的關(guān)鍵代碼：
ld ?r4，a0
ldu??r5，a1，r8??!a1+r8
sub??r7，r4，r5
add??r6，r4，r5
stu??r6，a0，1??!r6=add result
stu??r7，a1，1??!r7=sub result
ZSP500中有兩個16位的算術(shù)邏輯單元ALU，一個32位的乘累加單元MAU。在指令操作中先使用ALU，再使用MAU便可實現(xiàn)并行處理。另需注意，根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)sub、add兩條指令是否能同時在一個時鐘周期中執(zhí)行，與調(diào)用順序有關(guān)。若先調(diào)用sub就可以，反之則不行?？紤]了以上因素，使指令開銷大為節(jié)省。
(2)消除掩碼的簡化過程
較長TFCI譯碼需要消除掩碼和尋找最大值行號與列號等步驟。消除掩碼首先要列出所有可能的掩碼輸入，再讓輸入序列b與之相乘，即可消除掩碼。根據(jù)此方法需要用到大量的乘法和加法運算，而且掩碼矩陣固定不變。所以應(yīng)事先做好一張消掩表，通過查表來完成。這樣可以節(jié)省大量的時間和資源。
做一張消掩的矩陣表M（16×32）；輸入序列b中每個元素均需查表，看是否要取反（0表示要取反）。這樣就完成了c=b×M運算。
ZSP500 的相鄰?fù)ㄓ眉拇嫫骺梢赃B到一起，形成32位的寄存器，而且可以一次性讀取32位。在讀取掩碼矩陣M時，利用ldd指令，可以提高處理效率。
消除掩碼的關(guān)鍵代碼：
ldu??? r0，a0，1?!r0=input
lddu??? r2，a1，2?!r3r2=M_tab element
bitt r3，15??!if M_tab =0, this input bit must neg
cexe (z，nu)
{
? neg? r0，r0
}
stu??? r0，a1，1
shll.e?? r2，1??!next M_tab element according next input bit
本文從以下幾個方面對ZSP程序進(jìn)行了優(yōu)化： 第一，ZSP500是雙40位ALU結(jié)構(gòu)， 一個時鐘周期內(nèi)可以完成4次16位加法；第二，總線寬32位，一次可以讀取或保存兩個16位操作數(shù)； 第三，ZSP500具有數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存取的并行處理能力。一條并行指令包括一次ALU/MAC操作和兩次輔助操作；第四，合理安排執(zhí)行順序，盡量減小循環(huán)體內(nèi)的指令數(shù)。
本文重點分析了TFCI譯碼的算法原理，并給出了ZSP的實現(xiàn)過程以及優(yōu)化方法。TFCI是信道譯碼過程中非常重要的參數(shù)，只有在TFCI譯碼正確的前提下，才能保證信道譯碼的正確，因此本文對于實際的信道譯碼過程具有一定的實用價值。
參考文獻(xiàn)
[1] COOKE B.Reed_Muller error correcting codes.MIT Undergraduate journal of mathematics．1999，1(6)：21-26.
[2] 3GPP TS 25.222：Multiplexing and channel coding (TDD).Release 5，2004.
[3] ALEXANDER J.G，Richard D.van Nee.Efficient maximumlikelihood decodingof-ary modulated Reed-Muller codes? [J]．IEEE Communications letters，1998，2(5)：134．136.
[4] ZSP500 Digital signal processor Core.LSI 公司，2003.