CN117060933A - 一种基于并行共享信息的viterbi译码器及译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于并行共享信息的viterbi译码器及译码方法，属于通信技术中的信道编码技术领域。本发明通过提前计算好的标准分支码，并利用提前算好的标准分支码来快速计算出两组码字各个状态的对应分支增量；然后再利用共享的溢出信息即可完成彼此路径度量值的更新，并利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值能够获得两组码字新的路径度量最大值以及新的路径度量最大值对应的状态值，以此实现相应的译码输出。本发明能够在现有viterbi译码方式的基础上实现流水线作业，快速实现译码输出，能够满足高速通信的数据传输速率要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于并行共享信息的viterbi译码器及译码方法，属于通信技术中的信道编码技术领域。
背景技术
在通信***中，对速度和实时性处理数据有高要求时，提高接收端viterbi译码速率就变得十分重要。从viterbi译码算法原理出发，硬件上实现高速viterbi译码主要挑战为算法中加比选计算结果迭代更新产生了速度瓶颈，这一迭代过程使得流水线方案不能直接引入加比选过程，使得viterbi译码在无线通信中进一步发展与应用受到限制。
viterbi译码器实现原理可以采用诸如基2或基4等方案，其内部结构通常分为分支度量单元(BMU)、加比选单元(ACSU)、以及幸存路径存储单元(SMU)。对于其中加比选单元实现方式有串行、并行、串并结合，常规基2或基4等方案采用上述实现方式，延时和硬件面积处于相互制约关系，因而译码实时输出数据量并不能很好匹配高速通信***中数据速率要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于并行共享信息的viterbi译码器及译码方法，以解决目前viterbi译码器数据处理效率低导致无法满足高速通信的数据传输速率要求的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种基于并行共享信息的viterbi译码器，该译码器包括有标准分支码计算单元、分支增量计算单元、加比选信息共享单元、路径度量最大值计算单元和幸存路径计算存储单元；
所述的标准分支码计算单元用于按照设定的viterbi译码方式中的蝶形图分支码字关系计算标准分支码；
所述的分支增量计算单元用于利用计算出的标准分支码对输入的两组码字的各个状态对应的分支增量进行计算；
所述的加比选信息共享单元用于对两组码字各状态对应的各分支增量和路径度量值进行加比选操作，以得到各个状态路径度量预备更新值，并共享两组码字的溢出信息，根据溢出信息和路径度量预备更新值对各个状态路径度量值进行更新；
所述的路径度量最大值计算单元用于基于共享的溢出信息和共享历史路径度量最大值，并寻找两组码字各自新路径度量最大值以及新路径度量最大值对应状态值；
所述的幸存路径计算存储单元用于保存判决比特，即路径度量最大值对应状态值，并在约束长度满足后进行回溯并输出译码结果。
本发明通过提前计算好的标准分支码，并利用提前算好的标准分支码来快速计算出两组码字各个状态的对应分支增量；然后再利用共享的溢出信息即可完成彼此路径度量值的更新，并利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值能够获得两组码字新的路径度量最大值以及新的路径度量最大值对应的状态值，以此实现相应的译码输出。本发明能够在现有viterbi译码方式的基础上实现流水线作业，快速实现译码输出，能够满足高速通信的数据传输速率要求。
进一步地，所述标准分支码计算单元在进行标准分支码计算时是统计其中一个蝶形图中所有标准分支码之间的转换关系，其他蝶形图中各状态的标准分支码通过位取反操作确定。
本发明只需要利用简单的位取反操作就可以得各种状态的标准分支码，结构简单，计算速度快，减少硬件面积。
进一步地，所述的加比选信息共享单元对各个状态路径度量值进行更新的过程为：
对于第一组码字，若上一轮码组发生溢出时，将该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备值，码组发生溢出指的是各个状态路径度量预备更新值大于路径度量最大门限值；
对于第二组码字，若第一组码字发生溢出，将第二组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备值。
本发明利用共享上一时刻码字对应的溢出信息就可以完成第一组码字路径度量值更新；利用第一组码字对应的溢出信息，就可以完成第二组码字路径度量值更新，并保存本组的溢出信息共享给下一时刻码组。根据共享的溢出信息就可以实现快速实现路径度量值的更新。
进一步地，所述的路径度量最大值计算单元对于共享信息进行路径度量最大值计算过程为：
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第一组码字，如果最大预备更新值大于上一轮码组共享的历史最大值，则将历史最大值更新为最大预备更新值，接下来根据上轮码组共享的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将该历史最大值共享给第二组码字；
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第二组码字，在所有路径度量预备更新值和第一组码字共享的最大值中找出最大值，接下来共享第一组码字对应的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将找到的最大值共享给下一轮码组。
进一步地，所述的幸存路径计算存储单元在进行回溯译码输出时，每次将所有状态对应的第N个到第1个判决比特分配第一组码字进行回溯，第N-1个到第0个判决比特分配第二组码字进行回溯，其中N等于回溯深度。
进一步地，所述的幸存路径计算存储单元在进行回溯时，将两组码字的回溯过程分成若干个小段，每个小段的回溯结果共享给下一时刻下一小段作为回溯起点。
本发明还提供了一种基于并行共享信息的viterbi译码器的译码方法，该方法包括以下步骤：
利用分支码之间的规律计算标准分支码字，并根据计算出的标准分支码字确定两组码字对应的分支增量；
对两组码字各状态对应的各分支增量和路径度量值进行加比选操作，以得到各个状态路径度量预备更新值，并共享两组码字的溢出信息，根据溢出信息和路径度量预备更新值对各个状态路径度量值进行更新；
利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值寻找两组码字各自对应最大路径度量值以及最大路径度量值对应状态值；
记录每个时刻的判决比特，即路径度量最大值对应状态值，直到约束长度满足以后进行回溯译码输出。
本发明通过提前计算好的标准分支码，并利用提前算好的标准分支码来快速计算出两组码字各个状态的对应分支增量；然后再利用共享的溢出信息即可完成彼此路径度量值的更新，并利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值能够获得两组码字新的路径度量最大值以及新的路径度量最大值对应的状态值，以此实现相应的译码输出。本发明能够在现有viterbi译码方式的基础上实现流水线作业，快速实现译码输出，能够满足高速通信的数据传输速率要求。
进一步地，在进行标准分支码计算时是统计其中一个蝶形图中所有标准分支码之间的转换关系，其他蝶形图中各状态的标准分支码通过位取反操作确定。
进一步地，各个状态路径度量预备更新值的更新过程为：
对于第一组码字，若上一轮码组发生溢出时，将该组码字状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备值；
对于第二组码字，若第一组码字发生溢出，将第二组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备值。
进一步地，路径度量最大值计算过程为：
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第一组码字，如果最大预备更新值大于上一轮码组共享的历史最大值，则将历史最大值更新为最大预备更新值，接下来根据上轮码组共享的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将该历史最大值共享给第二组码字；
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第二组码字，在所有路径度量预备更新值和第一组码字共享的最大值中找出最大值，接下来共享第一组码字对应的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将找到的最大值共享给下一轮码组。
附图说明
图1是本发明基于并行共享信息的viterbi译码器的结构框图；
图2是本发明实施例中基4译码的蝶形图；
图3是本发明基于并行共享信息的viterbi译码器的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
基于并行共享信息的viterbi译码器的实施例：
本发明首先利用分支码之间的规律计算标准分支码字，并利用计算出的标准分支码字进行两组输入码字对应的分支增量计算；然后进行加比选操作并共享两组码字的溢出信息来完成更新各分支路径度量值和判决比特，同时利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值进行寻找两组码字各自对应最大路径度量值以及最大路径度量值对应状态值，最后保存每个时刻的判决比特，直到约束长度满足以后，开始进行回溯译码输出。本发明能够在现有viterbi译码方式的基础上实现流水线作业并能够提供每周期双倍的译码输出，能够满足高速通信的数据传输速率要求。下面结合具体的实例进行详细说明。
如图1所示，本发明的基于并行共享信息的viterbi译码器包括有标准分支码计算单元、分支增量计算单元、加比选信息共享单元、路径度量最大值计算单元和幸存路径计算存储单元；标准分支码计算单元用于按照设定的viterbi译码方式中的蝶形图分支码字关系计算出标准分支码；分支增量计算单元用于根据输入的码字和计算出的标准分支码计算输入码字各个状态的对应分支增量；加比选信息共享单元用于进行加比选操作并共享两组码字的溢出信息来完成更新各分支路径度量值和判决比特；路径度量最大值计算单元用于共享溢出信息和共享历史路径度量最大值，并寻找两组码字各自新路径度量最大值以及新路径度量最大值对应状态值；幸存路径计算存储单元用于保存每个时刻的判决比特，在约束长度满足后进行回溯并输出译码结果。下面针对上述各单元的具体实现过程进行详细说明。
标准分支码计算单元用于在数据输入译码器之前，根据基2、基4等viterbi译码方式中的各个蝶形图分支码字关系来提前计算好标准的分支码。以(3，1，7)卷积码的译码过程为例，如果采用基4方案实现viterbi译码，则存在64个状态值，相应的蝶形图就有16个，处于蝶形图同一位置上的标准分支码具有相同的规律，因此只需要统计其中一个蝶形图中所有标准分支码之间的转换关系，并对所有的蝶形图利用此转换关系，就可以得到所有标准分支码。在蝶形图中，上一时刻任意状态对应的标准分支码可以通过对某些位取反得到上一时刻其他状态对应的标准分支码。
下面以其中一个蝶形图的标准分支码计算过程为例进行说明，该蝶形图的分布如图2所示，t-1时刻状态0到t时刻4个状态对应的4各标准分支码为000000、000111、111011、111100，其中000000用a5a4a3a2a1a0表示，000111用b5b4b3b2b1b0表示，111011用c5c4c3c2c1c0表示，111100用d5d4d3d2d1d0表示，利用这4各标准分支码就可以得到该蝶形图中所有标准分支码。例如在t-1时刻，状态16到t时刻的4个状态对应的四个分支编码分为！a5a4a3！a2！a1！a0、
！b5b4b3！b2！b1！b0、！c5c4c3！c2！c1！c0和！d5d4d3！d2！d1！d0；状态32到t时刻4个状态对应的4个分支编码分别为！b5！b4！b3！b2！b1！b0、！a5！a4！a3！a2！a1！a0、！d5！d4！d3！d2！d1！d0和！c5！c4！c3！c2！c1！c0；状态48到t时刻4个状态对应的4个分支编码分别为b5！b4！b3b2b1b0、a5！a4！a3a2a1a0、d5！d4！d3d2d1d0和c5！c4！c3c2c1c0，其中！符号表示取反。
分支增量计算单元用于利用得到的标准分支码对两组输入码字进行对应的分支增量计算。对于(m,n,l)卷积编码情况，译码数据依次分为两组H个为U比特的码字，同时进行输入，其中H为每组码字译码个数与m的乘积结果，如：基2方案取m，基4方案取2m，U为软比特位宽，利用得到的标准分支码分别计算两组码字中G个状态对应的各个分支增量BMi并进行保存，其中G取值为2l-1。
加比选信息共享单元将两组码字各个状态的当前各分支增量与历史路径度量值求和，选取每个状态的各分支中路径度量最大值作为该状态对应路径度量的预备更新值。定义一个路径度量最大门限值和一个路径度量减少值，当存在一个预备更新值大于路径度量最大门限值，即产生溢出，则下一时刻的所有预备更新值需要减去路径度量减少值，并作为新的路径度量值，否则所有预备更新值作为新的路径度量值。对于此过程，两组码字需要利用共享的溢出信息完成彼此路径度量值的更新，并保存相应的判决比特。路径度量最大门限值dthr设定为：
dthr＝(aN-1aN-2...a0)b,aN-1＝1,aN-2＝1,other＝0 (1)
其中，(*)b表示数据的二进制形式，S为分支增量最大值，k为任意整数，N表示路径度量最大门限值的位宽。根据上述设定值方式，如果路径度量预备更新值位宽为M，可以实现只判断所有路径度量预备更新值的高M-N+2位对应数值是否大于等于3，即完成与路径度量最大门限值作比较。路径度量减少值dsub与路径度量最大门限值相等，当发生溢出时，可以将预备更新值的高M-N+2位对应数值减去3，即可实现减去路径度量减少值，得到当前新的路径度量值。
如图3所示，在时刻t-1完成分支增量的计算后，在时刻t，将两组码字的G个状态对应的各个分支增量BMi分别进行加比选操作：第一组码字进行加比选操作后得到每个状态路径度量预备更新值PMi′，并根据上一轮码组溢出信息进行更新，即如果溢出，则所有状态的当前路径度量值更新为PMi′-dsub(采用预备更新值的高M-N+2位对应数值减去3)，否则为PMi′；第二组码字经过加比选操作后得到PMi′，利用第一组码字溢出信息，采用第一组码字同样的方式进行更新路径度量值。
路径度量最大值计算单元根据加比选信息共享单元共享的各分支路径度量预备更新值和溢出信息寻找两组码字各自对应最大路径度量值以及最大路径度量值对应状态值。在下一时刻t+1，分别找两组码字所有PMi′中的最大值PM′max，并与上一轮码组历史路径度量最大值PM′max_his进行比较，将其中的较大者标记为PM′max_temp，并根据上轮码组溢出信息进行路径度量最大值的更新，即如果出现溢出，则新的路径度量最大值PM′max_new更新为PM′max_temp-dsub，并将此值作为新的历史路径度量最大值PM′max_his，共享给第二组码字；第二组码字利用PM′max、新的PM′max_his以及第一组码字溢出信息，采用第一组码字同样的路径度量最大值更新方式得到新的路径度量最大值PM′max_his，共享给下一轮码组；最后将得到的两组PM′max_his和两组PM′max_his各自对应的分支状态值A进行保存。
幸存路径计算存储单元用于保存每个时刻的判决比特，在约束长度满足后进行回溯并输出译码结果。如果输入的译码数据大于译码深度时，利用上一时刻得到的对应的分支状态值作为回溯起点，开始进行幸存路径回溯：将所有状态对应的第N个到第1个判决比特分配第一组码字进行回溯，将第N-1个到第0个判决比特分配第二组码字进行回溯；将两组码字的回溯过程分为若干个小段进行，每次根据译码判决规则进行回溯，每一个小段回溯结果共享给下一时刻下一小段作为回溯起点；当回溯完所有小段，最后一次译码判决规则输出的判决比特作为该时刻的译码输出数据。
可见本发明的viterbi译码器通过两个码组并行处理，并利用共享信息，可实现在基2、基4等viterbi译码方式上提供每周期双倍的译码数据输出。其中的标准分支码在计算时，只需要利用简单的位取反操作就可以得到各种状态的标准分支码，结构简单，计算速度快，减少了硬件面积。
基于并行共享信息的viterbi译码方法的实施例：
该方法首先利用分支码之间的规律计算标准分支码字，并根据计算出的标准分支码字确定两组码字对应的分支增量；然后对两组码字各状态对应的各分支增量和路径度量值进行加比选操作，以得到各个状态路径度量预备更新值，并共享两组码字的溢出信息，根据溢出信息和路径度量预备更新值对得到的各个状态路径度量预值进行更新；再利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值寻找两组码字各自对应最大路径度量值以及最大路径度量值对应状态值；最后记录每个时刻的判决比特，直到约束长度满足以后进行回溯译码输出。该方法的具体实现方式已经在译码器实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
Claims (10)
1.一种基于并行共享信息的viterbi译码器，其特征在于，该译码器包括有标准分支码计算单元、分支增量计算单元、加比选信息共享单元、路径度量最大值计算单元和幸存路径计算存储单元；
所述的标准分支码计算单元用于按照设定的viterbi译码方式中的蝶形图分支码字关系计算标准分支码；
所述的分支增量计算单元用于利用计算出的标准分支码对输入的两组码字的各个状态对应的分支增量进行计算；
所述的加比选信息共享单元用于对两组码字各状态对应的各分支增量和路径度量值进行加比选操作，以得到各个状态路径度量预备更新值，并共享两组码字的溢出信息，根据溢出信息和路径度量预备更新值对各个状态路径度量值进行更新；
所述的路径度量最大值计算单元用于基于共享的溢出信息和共享历史路径度量最大值，并寻找两组码字各自新路径度量最大值以及新路径度量最大值对应状态值；
所述的幸存路径计算存储单元用于保存判决比特，即路径度量最大值对应状态值，并在约束长度满足后进行回溯并输出译码结果。
2.根据权利要求1所述的基于并行共享信息的viterbi译码器，其特征在于，所述标准分支码计算单元在进行标准分支码计算时是统计其中一个蝶形图中所有标准分支码之间的转换关系，其他蝶形图中各状态的标准分支码通过位取反操作确定。
3.根据权利要求1所述的基于并行共享信息的viterbi译码器，其特征在于，所述的加比选信息共享单元对各个状态路径度量值进行更新的过程为：
对于第一组码字，若上一轮码组发生溢出时，将该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值，码组发生溢出指的是各个状态路径度量预备更新值大于路径度量最大门限值；
对于第二组码字，若第一组码字发生溢出，将第二组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值。
4.根据权利要求1或3所述的基于并行共享信息的viterbi译码器，其特征在于，所述的路径度量最大值计算单元对于共享信息进行路径度量最大值计算过程为：
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第一组码字，如果最大预备更新值大于上一轮码组共享的历史最大值，则将历史最大值更新为最大预备更新值，接下来根据上轮码组共享的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将该历史最大值共享给第二组码字；
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第二组码字，在所有路径度量预备更新值和第一组码字共享的最大值中找出最大值，接下来共享第一组码字对应的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将找到的最大值共享给下一轮码组。
5.根据权利要求1所述的基于并行共享信息的viterbi译码器，其特征在于，所述的幸存路径计算存储单元在进行回溯译码输出时，每次将所有状态对应的第N个到第1个判决比特分配第一组码字进行回溯，第N-1个到第0个判决比特分配第二组码字进行回溯，其中N等于回溯深度。
6.根据权利要求5所述的基于并行共享信息的viterbi译码器，其特征在于，所述的幸存路径计算存储单元在进行回溯时，将两组码字的回溯过程分成若干个小段，每个小段的回溯结果共享给下一时刻下一小段作为回溯起点。
7.一种基于并行共享信息的viterbi译码器的译码方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
利用分支码之间的规律计算标准分支码字，并根据计算出的标准分支码字确定两组码字对应的分支增量；
对两组码字各状态对应的各分支增量和路径度量值进行加比选操作，以得到各个状态路径度量预备更新值，并共享两组码字的溢出信息，根据溢出信息和路径度量预备更新值对各个状态路径度量值进行更新；
利用共享的溢出信息和共享的历史路径度量最大值寻找两组码字各自对应最大路径度量值以及最大路径度量值对应状态值；
记录每个时刻的判决比特，即路径度量最大值对应状态值，直到约束长度满足以后进行回溯译码输出。
8.根据权利要求7所述的基于并行共享信息的viterbi译码器的译码方法，其特征在于，在进行标准分支码计算时是统计其中一个蝶形图中所有标准分支码之间的转换关系，其他蝶形图中各状态的标准分支码通过位取反操作确定。
9.根据权利要求7所述的基于并行共享信息的viterbi译码器的译码方法，其特征在于，各个状态路径度量值的更新过程为：
对于第一组码字，若上一轮码组发生溢出时，将该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值；
对于第二组码字，若第一组码字发生溢出，将第二组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值减去路径度量减少值，否则该组码字各个状态路径度量值更新为路径度量预备更新值。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的基于并行共享信息的viterbi译码器的译码方法，其特征在于，路径度量最大值计算过程为：
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第一组码字，如果最大预备更新值大于上一轮码组共享的历史最大值，则将历史最大值更新为最大预备更新值，接下来根据上轮码组共享的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将该历史最大值共享给第二组码字；
在完成两组路径度量值更新后的下一时刻，对于第二组码字，在所有路径度量预备更新值和第一组码字共享的最大值中找出最大值，接下来共享第一组码字对应的溢出信息，进行再次更新历史最大值，并将找到的最大值共享给下一轮码组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 4005, block a, block 8, area C, Wanke Yuncheng phase III, Liuxin 4th Street, Xili community, Xili street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Applicant after: Shenzhen Smart Microelectronics Technology Co.,Ltd. Address before: Room 4005, block a, block 8, area C, Wanke Yuncheng phase III, Liuxin 4th Street, Xili community, Xili street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Applicant before: SPL ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| CB02 | Change of applicant information |