移动通信系统中交织编码器的设计

软件无线电是一种实现无线通信的新的体系结构，是无线通信产业从模拟到数字、从固定到移动这两次革命后的第三次革命，是从硬件无线通信到软件无线通信的革命。

　　在从事使用软件无线实现GSM基站研究中，在深入研究GSM通信系统信道编码结构、交织方式的基础上，利用VHDL硬件描述语言完成GSM基站信道编码中使用的交织器的具体设计，为进一步研究软件无线技术在GSM基站系统中应用打下基础。

1 GSM的话音编码与信道编码

　　在GSM通信系统中，全速率话音编码算法为规则脉冲激励及长期预测算法(RPE-LTP)。模拟话音首先通过一个ADC以8 kHz采样频率进行采样，每个采样点用均匀13 b编码。话音编码器对每20 ms一段的话音进行压缩编码，编码结果为每20 ms产生260 b的数据块。这260 b的数据根据他们的重要性分成为3类：Ia类、Ib类和Ⅱ类。Ia类共50 b，为非常重要的数据。如果这些数据被修改，恢复的话音将发生很大的错误，甚至无法恢复正常的话音，因此这些数据需要严格保护。Ib类数据共132 b，是比较重要的数据，需要进行较好的保护。Ⅱ类数据共78 b，为一般重要的数据，发生一些差错也不会对恢复的话音有太大的影响，通常不对其进行保护。根据数据重要性的不同，决定信道编码中采用不同的保护方法。

　　GSM通信系统的信道编码首先对Ia类数据进行差错检测编码，产生3个循环冗余校验(CRC)比特，这些比特的产生使用多项式为G(x)=X3⊕X⊕1。3个CRC比特附在Ia类的50 b后面，再与Ib类数据组合在一起进行K=5，r=1／2的卷积编码，卷积编码器使用的2个多项式为P1(x)=X4⊕X3⊕1和P2(x)=X4⊕X3⊕X⊕1，卷积编码产生的结果是两个189 b的序列，将他们与不需要保护的Ⅱ类数据复合在一起，产生一个完整的经过信道编码的话音帧，共456 b。

2 交织编码器工作原理

　　信道编码中采用交织技术，可打乱码字比特之间的相关性，将信道中传输过程中的成群突发错误转换为随机错误，从而提高整个通信系统的可靠性。交织编码根据交织方式的不同，可分为线性交织、卷积交织和伪随机交织。其中线性交织编码是一种比较常见的形式。所谓线性交织编码器，是指把纠错编码器输出信号均匀分成m个码组，每个码组由n段数据构成，这样就构成一个n×m的矩阵。这里把这个矩阵称为交织矩阵。如图1所示，数据以a11，a12，…，a1n，a21，a22，…，a2n，…，aij，…，am1，am2，…，amn(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)的顺序进入交织矩阵，交织处理后以a11，n21，…，am1，a12，a22，…，am2，…，a1n，a2n，…，amn的顺序从交织矩阵中送出，这样就完成对数据的交织编码。还可以按照其他顺序从交织矩阵中读出数据，不管采用哪种方式，其最终目的都是把输入数据的次序打乱。如果aij只包含1个数据比特，称为按比特交织；如果aij包含多个数据比特，则称为按字交织。接收端的交织译码同交织编码过程相类似。

一般来说，如果有n个(m，k)码，排成，n×m矩阵，按列交织后存储或传送，读出或接收时恢复原来的排列，若(m，k)码能纠t个错误，那么交织后就可纠m个错误。对纠正信道传输过程中出现的突发错误效果明显。

　　GSM中使用这种比特交织器。其交织方式为将信道编码后的每20 ms的数据块m=456 b拆分到8组中，每组57 b，然后这每组57 b分配到不同的Burst中。

3 交织编码器的软件设计

　　GSM通信系统必须满足实时性的要求，因此，交织编码引入的延时应尽可能小。为了同时满足块内交织进行(57，8)矩阵转置变换和延时尽可能小的要求，该交织器利用2片双口RAM实现，记作RAM_和RAM_B。交织处理时，按地址从0～455将456 b输入数据全部写入RAM_A，待456 b数据全部送入RAM_A后，控制信号使RAM_A由写状态转换到读状态，同时，将输入的待交织数据写入RAM_B，RAM_B为写状态，交织器由RAM_A输出数据。经过456个时钟周期后，从RAM_A读出456 b数据的同时，RAM_B写入一个时隙的456 b数据。此时，改变RAM_A和RAM_B的读写状态，RAM_A开始写，从RAM_B中读取数据。如此反复完成数据的实时连续交织处理。

　　完成交织处理的核心问题是处理好读／写地址之间的关系，该交织器读／写地址的变换采用如下算法完成：

为减少FPGA运算量，可利用Matlab，C语言等实现读／写地址矩阵转置运算。这里采用Matlab完成读／写地址矩阵转置运算，具体程序为：x=0：1：455；reshape(x，57，8)。读／写地址的变换结果存储在address_ROM.mif文件中。利用VHDL语言描述该交织编码器完整代码如下：

4 仿真分析

　　利用Altera公司的QuartusⅡ工具软件，对该交织器仿真分析，得到的时序仿真波形如图2所示。从读地址(rd_addr_A)和写地址(wr_addr_A)以及(data_in)和(intlv_out)可以看出，该交织器完成既定的交织功能，延时相当小，该设计方法正确可行。

5 结语

　　本文提出基于FPGA实现交织器的方法，给出利用VHDL语言描述该交织器的全部代码。通过仿真分析验证该实现方案的正确性和可行性。为进一步研究GSM通信系统基站软件化打下了良好的基础。