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浙江大学博士学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 摘要 某些复杂的通用结构在通信系统中应用广泛，且占用资源较多，因此其优化 设计和低功耗方法的研究广受关注。在简单回顾和介绍了低功率技术的发展和现 状后，本文以v i t e r b i 译码、t u r b o 译码和均衡器这三种复杂结构作为研究对象， 对有关的优化设计和低功耗问题进行了研究。在总结前人低功率优化方法的基础 上，提出了几种新的优化方法，粗略估算了对复杂性和功耗的影响。主要研究工 作如下： 1 提出了联合判决估计的v i t e r b i 译码改进算法。通过理论分析和性能仿真， 论证了联合判决估计算法有明显的改进效果。给出了b e r 性能的上界公式和数 值解，并通过仿真说明了参考状态位置对译码性能的影响。同等译码性能条件下， 改进算法对复杂性、规模和功耗的优化程度通过计算做了粗略的估计。 2 提出了选择正确判决的v i t e r b i 译码改进算法。通过理论分析和性能仿真， 说明了其对译码性能有一定的改进。 3 与单独采用联合判决估计算法相比，仿真验证了两种改进算法相结合对 译码性能的迸一步改进，并粗略估计同等性能条件下复杂性、规模和功耗的优化 程度与联合判决估计算法相当。 4 提出了去除错误支路的v i t e r b i 译码改进算法。给出了算法的初步设想， 说明了算法实现的难点所在，并指明了要获得实际改进效果的进一步研究方向。 5 把联合判决估计算法推广到t u r b o 码的s o v a 译码中，仿真验证了有明 显的改进效果，粗略估计了改进算法对复杂性、规模和功耗的优化。另两种方法 应用到s o v a 译码中，仿真表明不能获得明显的改进。 6 针对横向滤波结构，提出了循环移位的优化方法，并推广到均衡器的应 用中。仿真表明对面积的节省非常明显，并说明了功耗和面积问的折衷关系。 关键字：优化设计，低功耗，v i t e r b i 译码，t u r b o 译码，均衡器 擀梦、导师同纛 建燃 1 浙江大学博= 匕学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 a b s t r a c t s o m ec o m p l i c a t e da n du n i v e r s a la r c h i t e c t u r e sa r c w i d e l yu s e d i nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n dc o m m o n l yo c c u p ym o r er e s o u r c e ，t h e nt h e i ro p t i m i z e dd e s i g na n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n m e t h o di s g i v e n m o r ea t t e n t i o n a f t e r b r i e f l y r e v i e wa n d i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo ft h el o wp o w e rd e s i g nt e c h n o l o g y , t h i s p a p e rr e s e a r c h e s o no p t i m i z e dd e s i g na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nt h o u g h ta b o u t v i t e r b id e c o d i n g ，t u r b od e c o d i n ga n de q u a l i z e r o nt h eb a s eo ft h ef o r m e r sl o w p o w e ro p t i m i z e dm e t h o d ，ib r o u g h tf o r w a r d s e v e r a ln e wo p t i m i z e dm e t h o da n d a p p r o x i m a t e l ye s t m a t e dt h ec o m p l e x i t ya n dp o w e rc o n s u m p t i o n t h em a i n w o r k sa r e a sf o l l o w s ： 1 p u tf o r w a r dt h eu n i t e d - d e c i s i o ne s t i m a t e dv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h m t h r o u g h t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ，id e m o n s t r a t e dt h a tt h ea l g o r i t h m c a d _ o b v i o u s l yi m p r o v et h ed e c o d i n gp e r f o r m a n c e p r o v i d e du p p e r l i m i tf o r m u l a a n dc u r v eo fb e r p e r f o r m a n c ea n di l l u s t r a t e dt h ee f f e c t i o no f r e f e r e n c es t a t e s l o c a l i t yb y s i m u l a t i o n i nt h ec o n d i t i o no ft h es a m ed e c o d i n gp e r f o r m a n c e ， a p p r o x i m a t e l ye s t i m a t e d t h ei m p r o v e da l g o r i t h m se f f e c to nc o m p l e x i t y , s i z ea n d p o w e rc o n s u m p t i o n 2 p u tf o r w a r dt h es e l e c t i n gc o r r e c td e c i s i o nv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h m a c c o u n tf o r s o m ea m e l i o r a t i o no n d e c o d i n gp e r f o r m a n c et h r o u g h t h e o r e t i c a n a l y s i s a n d p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n 3s i m u l a t i o nv a l i d a t e dt h a tc o m b i n i n gt h et w oi m p r o v e da l g o r i t h mc a nm a k em o r e a m e l i o r a t i o no n d e c o d i n gp e r f o r m a n c e a p p r o x i m a t e l y e s t i m a t e dt h a tt h e i m p r o v e m e n tc o r r e s p o n d t ot h eu n i t e d d e c i s i o ne s t i m a t e da l g o r i t h m 4 p u tf o r w a r dt h ee l i m a t e de r r o rb r a n c hv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h m o f f e r e dt h e a l g o r i t h m a s s u m ea n dd i f f i c u l t yo f r e a l i z a t i o n p o i n t e do u tt h er e s e a r c hd i r e c t i o n t og a i na c t u a li m p r o v e m e n t 5 e x t e n tt h eu n i t e d - d e c i s i o ne s t i m a t e da l g o r i t h mt ot h es o v a d e c o d i n g o f t h et u r b o c o d e v a l i d a t e dt h e a l g o r i t h m s e v i d e n t i m p r o v e m e n tb y s i m u l a t i o na n d 塑垩查兰竖主兰堡堡苎= = 堡堕主壁生! 苎鲨塑望塑竖塑垡垡堡生墨堡堕堑耋垒 a p p r o x i m a t e l ye s t i m a t e d i t se f f e c to n c o m p l e x i t y a n d p o w e rc o n s u m p t i o n 6 p u tf o r w a r dt h ec i r c l es h i f t i n go p t i m i z e dm e t h o do nt h et r a n s v e r s ef i l t e ra n d e x t e n t t ot h e e q u a l i z e r s i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a t c a l l g r e a t l y s a v eh a r d w a r es i z ea n d a c c o u n tf o rt h et r a d e o f f r e l a t i o n s h i pb e t w e e n s i z ea n dp o w e r c o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：o p t i m i z e dd e s i g n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，v i t e r b id e c o d i n g ， t u r b o d e c o d i n g ，e q u a l i z e r i l l 浙江大学博士学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 在通信中，v i t e r b i 算法和均衡器应用非常广泛，已经成为很多通信系统的基 本组成部分。 自1 9 6 7 年v i t e r b i 算法“”提出以来，由于算法的效率高、速度快、结构简单， 而被广泛应用于各种数据传输系统，特别是卫星通信系统中。该算法最早针对信 道编码中的卷积码译码，后被发展应用于t c m 格形码调制技术”】和均衡器中， 软输出的v i t e r b i 算法更成为t u r b o 码s o v a 译码的组成部分。 为了补偿信道失真引起的符号间干扰( i s i ) ，很多系统中都需要均衡器。例如 在硬盘数据的读取信道“、非屏蔽双绞线信道“”“1 2 1 、频率选择性衰落信道“ 的通信系统中都要用到均衡器。某些情况下均衡器的规模还很大，a t s c 标准的 高清晰度电视h d t v “中均衡器的级数甚至达到2 5 6 级。 t u r b o 码”1 是当前纠错编码的一个主流，受到人们的普遍关注。由于其优越 的译码性能( 最接近s h a n n o n 限) 而一直受到高度重视，自1 9 9 3 年提出就掀起了 研究的热潮，使之迅速成为当前纠错编码的一个主流并且应用到第三代无线标准 中咖1 。其s o v a 译码算法由于运算量小，时延低，在实际应用中受到普遍关注。 在这些通信系统中，v i t e r b i 算法、t u r b o 译码和均衡器的结构都较为复杂， 是系统硬件中资源占用较多的部分，如何进行优化设计，降低它们的复杂性和功 耗，直接关系到系统硬件的规模、功能集成和性能好坏。 因此，研究这些复杂结构的优化设计问题，从而更好的满足通信系统的硬件 设计要求，是非常有意义的。本文以v i t e r b i 译码、t u r b o 译码和均衡器这几个十 分通用的结构单元作为研究对象，来研究硬件行为级盼优化设计，并考虑其低功 耗问题。 针对这三种结构的优化设计，各种文献上介绍了很多方法。由于v l s i 技术 的发展，使得功耗与规模相比往往成为硬件设计更主要的制约因素。因而许多优 化方法是从减少复杂性、降低功耗的角度来考虑的。 这些方法除了有些是针对具体结构的简化以外，很多方法实质上是b e r 性 浙江大学博士学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化殴计及低功耗考虑 能、规模和功耗的综合权衡考虑，根据实际情况在满足设计要求的同时适当降低 误比特率( b e r ) 性能，从而降低复杂性、规模和功耗，或者适当增加部分硬件， 从而降低操作复杂性和功耗。 针对特定结构的简化，需要考虑具体的结构特点，从而找出优化设计的方法， 如v i t e r b i 译码以减法比较代替加法判决的优化方法“。“1 ，t u r b o 码m a p 算法的 数据转换和存储探索方法“”“，改进f i r 结构的均衡器“”1 ，低功率相位分离的 自适应均衡器“。当然还有一些如门控和使能端激活的方法具有普遍的适用性， 现在已经有一些硬件设计软件考虑将其集成在仿真环境中。 在b e r 性能和复杂性权衡考虑时，通常采用适当的门限判决，自适应于信道 条件和应用环境，从而降低操作的复杂性。如v i t e r b i 译码中的路径值控制的判 决存储( p c d s ) 算法m 1 、减少状态序列检测( r s s d ) 算法m 1 、减少搜索的m - 算法” 和t 一算法”：而对于t u r b o 译码和判决反馈均衡器这些含有迭代的结构，则经 常会采用门限判决的早终止迭代技术“”“，从而在实际应用中以更少的迭代次 数满足设计所需的性能要求。通常这些门限判决算法会比理想的传统算法在b e r 性能上稍差，这在实际应用中是可接受的，但却会带来操作复杂性的大大降低， 从而使功耗也大大降低。 从功耗的角度进行优化设计时，常常针对具体结构的特点，增加部分硬件资 源，减少运行时的动态操作数或数据流的跳变次数。如v i t e r b i 译码重复利用以 前回溯结果减少回溯操作的方法呻。3 、少量状态过渡( s s t ) 算法，减少数据跳 变的t u r b o 码s o v a 译码“唧。因此硬件规模( 面积) 和功耗常常存在一定的折衷关 系，一般而言这些方法中面积增加很少，而功耗降低明显。 当然，从算法上改进结构单元的b e r 性能，使得在保证同等b e r 条件下，操 作复杂性减少，规模和功耗得到降低，也不失为一种很好的优化方法。对于通信 中一些十分成熟的结构单元，要想从这方面另辟蹊径进行优化是较困难的。本文 的主要工作就是从这方面着手进行的，因而也是很有意义的。 在论文中提出了v i t e r b i 译码的三种改进算法，将其推广到t u r b o 码韵s o v a 译码中，并提出了均衡器横向滤波结构的一种面积优化方法。这些改进结果可以 应用到很多通信系统中，前文中从三种结构的优化设计总结得到的一些规律和方 法，对通信系统中其他结构的行为级优化也有一定的指导意义。 2 浙江大学博上学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 1 2 硬件行为级的优化设计 通信系统中硬件行为级的设计包括算法和结构层次，由于这些层次上的优化 设计可以独立于具体的工艺条件和所使用的库单元，以及布局布线等因素，因此 具有很强的通用性，受到人们的普遍重视。 行为级优化设计的一般方法，除了利用具体结构自身特点的简化外，很多也 是b e r 性能、规模和功耗的折衷考虑。适当降低b e r 性能通常是在算法层次上考 虑的；在低功耗作为主要优化目标时，经常增加部分硬件来减少操作数或跳变次 数，这通常是在结构层次上考虑的。 为了实现低功耗，通信系统硬件设计的各个层次都要考虑低功率问题。其一 般设计方法和流程如图1 1 所示“”。 在算法级，考虑算法单元模块的共用和规整性，降低复杂性，减少操作数。 在结构级，可以采用并行或流水线操作结构，划分存储空间，尽量减少全局 总线和指令数，利用缓存使数据处理本地化。还可以利用数据编码和功率管理来 降低功耗。这对于具体结构单元的优化设计是有较强的指导意义的。 s y s t e ml e v e l ( s y s t e mi n t e g r a t i o n ) p a r t i t i o n i n g ，p o w e rs a v i n g ，h i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n ，l o ws y s t e m c l o c k s j ，a l g o r i t h m c o m p l e x i t y ，c o n c u r r e n c y ，r e g u l a r i t y ，m i n i m i z i n g n u m b e r o f o p e r a t i o n s i a r c h i t e c t 脚，e p a r a l l e l i s m ，p i p e l i n i n g ，d a t ae n c o d i n g ，p o w e rm a n a g e m e n t ，m e m o r yp a r t i t i o n i n g ， m i n i m i z i n gn u m b e ro f g l o b a lb u s s e s m i n i m i z i n gn u m b e ro f i n s t r u c t i o n s r i s e so f c a c h e s ic 沁娩，l 曙i c l o g i co p t i m i z a t i o n ，m u l t iv tl o g i cc i r c u i t s ，r e d u c i n gv d d i nn o n c r i t i c a lp a t h j ，d p v i c e l e v e l h i 曲d e n s i t y o f i n t e g r a t i o n ，r ， e d u c i n g j u n c t i o n c a p a c i t a n c e i m p r o v e d d e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sf o rl o w v o l t a g eo p e r a t i o n 图1 1 系统硬件的低功率设计方法和流程 浙江大学博士学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 1 3 v i t e r b i 算法、t u r b o 译码和均衡器的结构 1 3 1v i t e r b i 译码算法和结构 v i t e r b i 算法最初是针对卷积码译码提出来的。卷积编码可以用相应的格 状图来描述，v i t e r b i 算法利用接收信号计算路径值，通过格状图寻找最小度量 路径( 度量一般采用欧氏距离) 。 以一个简单例子来说明v i t e r b i 算法的硬判决译码过程，软判决译码与之类 似，只是路径值和支路值计算有所不同。假定编码器输入( 1 1 0 1 0 i 0 0 ) ，经t 3 卷 积编码后产生码字( 1 l l ，0 0 0 ，0 0 1 ，0 0 1 ，1 i i ，0 0 1 ，l l l ，1 1 0 ) ，通过噪声信道后接收 码字为( i 0 1 ，i 0 0 ，0 0 1 ，0 1 1 ，1 1 1 ，1 0 1 ，1 1 1 ，1 1 0 ) ，输入序列由信息位和收尾序列 “0 0 ”组成，以便回溯( t r a c b a c k ) 始于初始状态。 t 1 0 h 1 t ”0 0 10 1 11 ” t 1 5 1 0 1 图1 2 硬判决v i t e r b i 译码例子 1 1 1 似然路径通过比较路径值( p a t hm e t r i c ) 来获得，路径值为该路径上的支路 值累加结果，支路值( b r a n c hm e t r i c ) 为相应的估计序列与接收码字序列间的汉 明距离( 对硬判决而言，对于软判决则为欧氏距离) ”。 如图1 2 所示，在t = o 时刻，从s 。出发的路径初始化为零。则t = 1 时分别 仅有一个支路进入s 。和s ，进入s 。的支路预期输入“0 0 0 ”，接收码字“i 0 1 ” 汉明距离为2 ，进入s 的支路预期输入“1 1 1 ”。汉明距离为l ，相应的路径值分 4 浙江大学博扛学位论文通信中v i t c r b i 算法和均衡 的优化设计及低功耗考虑 别为2 和1 。进入状态的唯一支路即为留选路径，t = 2 时也是如此。从t = 3 时， 两条支路进入同一状态，例如，进入s 。的支路有分别从s ：和s 。来的两条，其中 从s ：来的部分路径值为支路值与s ：的部分路径值之和即3 + 3 = 6 ，从s 。来的部分 路径值为3 + i = 4 ，因此从s 。来的支路成为留选路径，如图中实线所示。其他各 时刻状态路径的留选与此相同，由于收尾序列的作用，在t = 8 时路径回到s 。状 态，其他状态不必判别，而t = 7 时仅需判定s ：和s 。状态的留选路径。这样，就 得到了从t = o 到8 时刻的最大似然路径，它对应于v i t e r b i 的译码输出。 实际应用中经常采用经简化的截尾译码”3 。对接收数据进行逐段处理，得到 每一时刻的所有支路值( b r a n c hm e t r i c ) 。在每一段，比较进入每个状态的所有 路径值，存储最小路径值和该路径，这一路径被称为留选路径。当送入译码器的 接收数据量达到译码深度时，对所有路径存储器中的第一段信息元作出判决并输 出。下一时刻，获得新的留选路径值后，继续重复上一过程，依次下去，从而得 到译码输出。若译码深度为f ，该算法将会引入f 个码段的译码迟延。 截尾译码器判决并输出所有路径寄存器中第一段信息元的方法有多种，基于 规模和性能考虑，通常从最小值状态输出。其结构如下图1 3 所示，后文中提到 v i t e r b i 译码一般都是指这种方式。 输 入 图1 3v i t e r b i 译码器的基本结构 上图中v i t e r b i 译码主要由以下几部分组成： 1 支路值单元( b m u ) ：产生格状图上每一段的全部支路值，用以度量接收数据 与预期符号间的差距，通常采用欧氏距离作为度量。 2 加比选择单元( a c s u ) ：寻找每个状态的留选路径。将所得支路值与相应存于 路径值存储器( p m m ) 的部分路径值( p m ) 相加，得到该路径新的部分路径值， 与所有进入该状态韵其他路径新的部分路径值相比较，路径值最小的即为留 浙江大学博士学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化瑟计及低功耗考虑 选路径，这个最小值也就是该状态留选路径新的部分路径值( p m ) ，将其存入 对应的路径值存储器( p ) 中。 3 最小状态单元( s d u ) ：寻找具有最小路径值的状态。主要由比较器和选择器 构成。 4 留选路径存储单元( s m u ) ：每时段存储所有状态的留选路径。按存储方式可分 为移位更新( s h i f tu p d a t e ) 和选择更新( s e l e c t i v eu p d a t e ) 。 5 输出单元：从最小状态产生译码输出序列。输出有寄存器交换( r e g i s t e r e x c h a n g e ) 和回溯( t r a c eb a c k ) 这两种方式。寄存器交换方式可直接从最小 状态的留选路径存储单元中取出译码输出。回溯方式由于跳变次数少而功耗 更低。 1 3 2t u r b o 码编译码器的结构【9 1 - 9 2 】 t u r b o 码，又称并行级联卷积码( p c c c ) ，是由c b e r r o u 等在i c c 9 3 会议上 提出。”的。它将卷积码和交织器相结合，实现了随机编码的思想。同时，采用软 输出迭代译码来逼近最大似然译码。 一、t u r b o 码编码器的组成 t u r b o 码编码器由两个反馈的系统卷积码编码器通过一个随机交织器并行连接而 成，编码后的校验位经过删余阵，从而产生不同码率的码字，如图1 4 所示。 x 图1 4t u r b o 码编码器的结构框图 信息序列“= “。，“：，“。) 经过一个n 为交织器，形成一个长度和内容不变， 而比特位置重新排列的新序列“= 伽0 “：，h ；) 。t , 与“分别送到两个分量编码 6 浙江大学博士学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 器r s c l 和r s c 2 ( 通常这两个编码器结构相同) ，生成序列xp 1 与z “。为了提高 码率，序列x 川与x ，2 可经过删余器，采用删余( p u n c t u r i n g ) 技术从中周期地删 除一些校验位，形成校验位序列x ，。再与未编码序列经复用调制后，即可生成 t u r b o 码序列。 二、t u r b o 码的译码 由两个分量码构成的t u r b o 码译码器，是由两个与分量码对应的译码单元和 交织器及解交织器组成的，将个译码单元的软输出信息作为下一个译码单元的 输入。为了获得更好的译码性能，将此过程迭代数次。这就是t u r b o 码译码器的 基本工作原理。 t u r b o 码译码器的基本结构如图1 5 所示。它由两个软输入软输出( s i s o ) 译 码器d e c l 和d e c 2 串行级联组成，交织器与编码器中所使用的相同。译码器d e c l 对分量码r s c i 进行最佳译码，产生信息序列中每一比特的似然比信息，并将 其中的“外信息”经过交织后送给d e c 2 。译码器d e c 2 将此信息作为先验信息， 对分量码r s c 2 进行最佳译码，产生交织后的信息序列“中每一比特的似然比信 息，然后将其中的“外信息”经过解交织送给d e c l ，进行下一次译码。这样， 经过多次迭代译码后，d e c l 或d e c 2 的外信息趋于稳定，似然比渐近值逼近于对 整个码的最大似然译码，对该似然比进行硬判决，即可得到信息序列u 的每- - l ：k 特的最佳估值序列i 。 图1 5t u r b o 码译码器的结构 t u r b o 码译码器的接收序列为y = 0 ，y ，) ，两个软输出译码器的输入序列分 别为：d 砌：y i2 ( y - ，y 1 ：。 d e c 2 ：y 2 = ( y 。，y 印) 堕三查! 坐：! 兰垡堡苎二婆笪! 兰! ! ! ! ! 簦堕塑望塑塑塑垡些堡生垦堡些堑妻宣 在t u r b o 码的译码方案中，采用次优译码规则，将y 。和y 。分开考虑，由两 个分量译码器分别计算后验概率p ( iy lt d 和e ( u ly ：，置) ，然后通过d e c l 和 d e c 2 之间的多次迭代，使它们收敛于m a p 译码的p ( u 。i y ly ：) ，从而达到近 s h a n n o n 限的性能。这里，e 和e 为附加信息，分别由d e c 2 和d e c i 提供，在 d e c l 和d e c 2 中作为先验信息。关于p ( 坼1 y l ，葺) 和e ( u 。l y 2 ，最) 的求解，目前已 有多种方法，它们构成了t u r b o 码的不同译码算法，实际应用中，主要有m a p 算 法。3 1 和s o v a 算法。“，m a p 算法的译码性能更好，但计算复杂度和译码延迟也更 高。 1 3 3均衡器的结构 一、线性均衡器“2 3 线性均衡采用的是如图1 6 所示的线性横向滤波器结构，其计算复杂度是信 道弥散长度l 的线性函数。 未均衡 图1 6 线性横向滤波器结构 滤波器的输入是含有i s i 的序列 v 。 ，输出是信息序列 l ) 的估计值。第k 个符号的估计值可以表示为 式中，眄 是该滤波器的( 2 置+ 1 ) 个复抽头加权系数。估计值丘被均衡到最 8 0 0 扣 ， 参：i = 浙江大学博= 匕学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 接近( 在距离上) 的信息符号，以形成判决瓦。如果五与发送信息符号不同，判决 发生一次差错。 由于均衡器抽头的间隔为符号速率的倒数时，其眭能对抽样时间的选择非常 敏感，因此常采用分数间隔均衡器。 二、判决反馈均衡器“”1 一般的判决反馈均衡器( d f e ) 结构如图1 7 所示。它由两个滤波器组成：一 个前馈滤波器和一个反馈滤波器。两个滤波器的抽头间隔均为符号间隔r 。前馈 部分的输入是接收信号序列 v 。) ，这一点与线性均衡器相同。反馈滤波器以先前 被检测符号的判决序列作为其输入。反馈滤波器用来从当前估计值中除去由先前 被检测符号引起的那部分符号间干扰( i s d 。 图1 7 判决反馈均衡器的结构 判决反馈均衡器的输出可表示为： 0r ， 丘= 叩h + 艺c ，乙( 1 - 2 ) = 一r ij t l 式中，丘是第k 个信息符号的估计值， c ，) 是滤波器的抽头系数 瓦。，瓦喝) 是先前检测的符号。这里假定均衡器在其前馈部分有( k ，+ 1 ) 个抽 头，而在反馈部分有k ：个抽头。显然这种均衡器是非线性的，因为反馈滤波器 包含先前检测的符号。 在实际应用中，由于信道响应不是先验可知的，判决反馈均衡器通常使用一 个分数间隔的前馈滤波器，从而消除系统对定时误差的敏感性，而反馈滤波器的 抽头间隔仍保持为t 。 9 浙江大学博：匕学位论文通信中v i t e r b l 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 1 4 本文的主要工作和创新点 本文针对通信中的三种复杂结构，综合论述了前人的低功率优化方法，并提 出了几种新的优化方法。主要工作和创新点包括： 1 提出了联合判决估计的v i t e r b i 译码改进算法。通过理论分析，得到了b e r 性能上界，并通过编程计算给出了数值解曲线。通过仿真，验证了联合判决 估计算法有明显的改进效果，并说明了参考状态位置对译码性能的影响。同 等译码性能条件下，改进算法对复杂性、规模和功耗的优化程度也通过计算 做了粗略的估计。 2 提出了选择正确判决的v i t e r b i 译码改进算法。通过理论分析和性能仿真， 表明其对译码性能有一定的改进。 3 仿真验证了与单独采用联合判决估计算法相比，两种改进算法结合对译码性 能的进一步改进，并粗略估计同等性能条件下复杂性、规模和功耗的优化程 度与联合判决估计算法相当。 4 提出了去除错误支路的v i t e r b i 译码改进算法。给出了初步设想，说明了算 法实现的难点所在，并指明了进一步研究以获得实际改进效果的研究方向。 5 把联合判决估计算法推广到t u r b o 码的s o v a 译码中，仿真验证了有明显的改 进效果，粗略估计了改进算法对复杂性、规模和功耗的优化。另两种方法应 用到s o v a 译码中，仿真表明不能获得明显的改进。 6 针对横向滤波结构，提出了循环移位的优化方法，并推广到均衡器的应用中。 在f p g a 仿真软件m a x p l u s 2 中验证了对面积的节省非常明显，并进一步说明 了功耗和面积间的折衷关系。 论文的章节安排如下： 第二章，通信系统中的低功率技术。简单回顾低功率技术的发展和概况，介 绍通信系统各个方面的低功率技术。 第三章，v i t e r b i 译码的优化设计和低功耗考虑。综合论述参考文献中的低 功率v i t e r b i 译码方法，提出三种新的改进算法。 浙江大学博：匕学位论文通信中v i t e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 第四章，t u r b o 译码的优化设计和低功耗考虑。简单介绍t u r b o 译码已有的 几种典型的低功率优化方法，将前面提出的改进算法推广到t u r b o 码的s o v a 译 码中。 第五章，均衡器面积和功耗的优化设计。针对均衡器总结前人的低功率优化 方法，提出一种循环移位的优化结构。 第六章，结论与展望。 浙江大学博士学位论文通信中v i e r b i 算法和均衡器的优化设计及低功耗考虑 第二章通信系统中的低功率技术 三十多年前，在电子表中就开始使用低电压、超低电流的集成电路( i c ) 技术 “1 。而低功率设计的思想最初也是随着集成电路技术的发展而提出来的。 集成电路中的功耗增加会导致电路稳定性的下降，从而限制电路的集成度； 而且高功耗会导致散热问题，需要附加额外的冷却设备，从而限制应用范围，也 使制造成本增加。因此如何降低功耗成为i c 设计关注的一个焦点，特别是高速 i c 和s o c ( 片上系统) 技术的发展使得这种需要更加迫切。 通过分析i c 中数字c m o s 电路的功耗来源，人们提出了各种降低功耗的方法 。r ，并把它应用到i c 设计的各个层次中。这些方法现在依然是通信系统低功率 设计的重要组成部分。 近些年来，电池供电的便携系统大量涌现。人们对系统的性能要求也越来越 高，其中低功率、电池寿命长成为人们对便携系统的一个普遍要求。1 9 9 3 年 r w b r o d e r s e n 等在i e e e 国际固态电路会议( i n t e r n a t i o n a l s o l i d s t a t e c i r c u i t sc o n f e r e n c e ) 上提出了便携系统的设计原则“1 ，把功率有效性作为便携 系统设计的基本目标。1 9 9 4 年e a v i t t o z 在i e e e 国际固态电路会议上讨论了 功率与性能、硬件规模和速度的折衷考虑。此后低功率设计不再局限于系统的 硬件部分，j m r u l n i c k 和m z o r z i 等研究了无线通信中的能量管理算法。“， d p a n i g r a h i 等在前人工作的基础上提出了估计电池寿命的随机电池模型”3 ： p j m h a v i n g a 探讨了笔记本电脑中的低功率设计方法“1 和通信系统m a c 协议中 的低功率设计问题。1 ：c c h i e n 把信道条件的自适应技术应用到通信系统的低功 率设计中“：后来c e r i n 等又提出了能量有效的信源编码方法“，从而使得低 功率的考虑涉及到通信系统设计的各个方面。在研究了低功率设计的一般方法 后，现在人们主要把注意力集中在通信系统的各种具体应用和各组成模块的相应 设计中。 当前低功率设计的研究正方兴未艾，有关的国际会议i s l p e d ，i e e e c o l l o q u i u mo nl o wp o w e ra n a l o g u ea n dd i g i t a lv l s i ，p a t m o s ，e s d l p d 等时 常召开。世界各地成立了很多专门机构对低功率设计进行深入的研究，如美国 i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nl o wp o w e rd e s i g n 、欧洲i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o p o nl o wp o w e rr fa n da n a l o g u em i c r o e l e c t r o n i c s ，美国c a l l i f o r n i a 大学 1 2 浙江大学博士学位论立通信中v l t e r b l 算法和均衡 ! 的优化设计及低功耗考虑 b e r k e l e y 分校在低功率设计方面做了大量的工作。 目前我国清华大学、北京大学、宁波大学等也在进行低功率设计的研究。相 比国外而言，起步较晚，研究面较窄，主要集中在集成电路设计方面。而低功率 设计方法具有广阔的应用前景，因此在这种形势下，研究低功率设计问题也是非 常必要且很有意义的。通信系统中的低功率设计技术涉及电池使用、信源编码、 通信协议、自适应技术、系统硬件设计这几个方面，下面分别介绍。由于本文主 要研究硬件行为级的优化问题，因此对系统硬件的低功率设计介绍得更为详细。 2 1 延长电池使用寿命弘一7 1 4 】 延长电池的使用寿命涉及到电池的制造技术，但这不是系统设计者所关注的 问题，不在本论文的考虑范畴。设计者所关心的是怎样评估电池的能量输出情况， 选择更好的使用方式，从而延长使用寿命，下面以移动系统为例加以说明。 随着移动计算和通信的增长，在移动应用中采用硬，软件嵌入式系统设计的 要求也越来越多。使电池所能提供的能量最大，从而寿命最长，是移动嵌入式系 统最重要的设计考虑之一。而如何迅速准确地估计嵌入式系统的电池寿命是其中 的关键。 电池寿命和所提供的能量与电流放电曲线( c u r r e n td i s c h a r g ep r o f i l e ) 密 切相关。放电电流大于电池的额定电流会导致缩短电池寿命“”“，这种现象被称 为额定容量效应( r a t ec a p a c i t ye f f e c t ) 。此外，电池短暂放电后空闲一段时间， 可部分恢复以前放电损失的容量，增加电池能量的供给，这种现象称为恢复效应。 估计电池寿命的方法很多，例如采用部分差分方程( p d e ) 表示电池放电的精 细电化学现象“”，这种方法比较准确，但对给定的放电需求估计时间很长( 几天) ， 因此不能用于低功率设计。其他还有s p i c e 级电池估计模型“”，系统级电池估计 模型”，“，用作高层功率估计的离散时间电池模型。”，但这些估计方法都没有考 虑恢复效应。 在随机估计模型中，电池的特性可以用开路电位v o c 和断路电位v 。t 来表示a 这两个参数分别是无负载时满负荷电池的初始电位( p o t e n t i a l ) 和电池完全放电 时的电位，表示理论容量和标称容量( n o m i n a lc a p a c i t y ) 。前者基于电池中存储 浙江大学博上学位论文通信中v i t e r b i 算法和均橱器的优化设计及低功耗考虑 的能量，以安培小时表示。后者表示以额定电流c 。放电时从电池中获得的能量。 根据与电化学电池。2 。2 ”物理特征相关的参数，给出电池行为的数学模型。首 先针对电池的恢复效应，考虑单个电池，跟踪电池从满负荷状态到完全放电状态 的随机演变过程。用离散时间瞬时随机过程表示电池行为，从而跟踪电池负荷状 态。恢复效应表示成电池负荷状态的递减指数函数，指数衰减系数假定取放电容 量的函数。在放电过程中，可以根据电池的恢复能力确定不同的阶段。 接下来在估计模型中加入电池的额定容量效应的考虑。将所需负荷单位和实 际放电的负荷单位之间的关系( 基于p d e 模型仿真计算得到) 存于表中，通过查表 就可得到放电负荷单位的实际数目。 为了准确有效地估计电池寿命和提供的能量，在电池模型中必须输入系统的 放电电流曲线( c u r r e n td i s c h a r g ep r o f i l e s ) 。可以采用在 2 4 中介绍的系统级 功率估计结构，以t c p i p 网络接口子系统为例，该子系统是t c p i p 协议堆栈的 一部分，实现c h e c k s u m 计算。在系统s y s l 中，数据包以流水线方式处理。另两 种s y s 2 和s y s 3 中的数据包处理方式为顺序执行，s y s 3 中处理的数据包间有一 定的时间间隔。试验中采用锂离子电池，其参数为：v 萨4 3 v ，v 。= 2 8 v ，额定 电流c r , t o d = 1 2 5 m a 。根据最大电流、平均电流、超过额定电流的时隙百分比、放电 要求中的空闲时隙百分比和处理数据包的等待时间，来表示放电曲线的特征。 数据显示，s y s l 和s y s 2 在放电要求中都没有空闲时隙，而s y s 3 有4 0 0 4 空闲 时隙。s y s l 偏离额定电流的比例最高。 采用随机电池模型估计上述系统的电池寿命和提供的单位能量( 单位重量的 电池提供的能量) 。在电池模型中，标称容量n = 6 5 0 ，0 0 0 负荷单位，理论容量 t = i ，0 0 0 ，0 0 0 负荷单位，这由准确的p d e 模型得到。 仿真表明，系统s y s 2 放电曲线中超过额定电流的时隙比s y s l 少4 0 ，从同 样电池中获得的能量比s y s l 多2 倍。在s y s 3 中，有4 0 空闲时隙，所提供的单 位能量和电池寿命甚至更高，分别是系统s y s 2 的1 3 倍和2 3 倍，也使处理的 数据包增加了1 5 。这里通过一个简单的例子说明了如何利用随机电池模型估计 电