基于FPGA交织的实现

最新推荐文章于 2025-05-10 11:13:48 发布

朽月

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分类专栏： FPGA 文章标签： fpga

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zhangningning1996/article/details/106315483

基于FPGA交织的实现

项目简述
数学模型
- 校验位交织
- 码组的列旋转交织
交织的MATLAB实现
交织的FPGA实现
- FPGA代码
- 交织的GPGA测试代码
小结
参考文献
总结

项目简述

交织多么好听的名字，第一次听见这个名字是在移动通信的课程中，当时就对这个名字一亮。交织其实就是把原有的码元顺序打乱进行发送，说白了就是矩阵变换。至于为什么要把原有的码元顺序打乱，是因为现实中传送的码元每一段都有固定的校验位，通过该校验位可以在码元错误较少的情况下进行纠错。而实际中受环境影响的码元是突发性错误，那么我们先经过交织之后传送的码元产生的突发性错误，经过解交织之后就会把原有的突发性错误转变成离散性错误，那么就可以有效的利用校验位进行纠错。这也是交织在通信系统中起到的主要作用，即变突发性错误为随机性错误。

数学模型

从上面我们可以知道交织就是把原有的码元顺序打乱。一般的码组分为信息位和校验位，在交织的过程中，我们一般分为两步：
1、进行校验位的交织操作
2、对整个码组进行交织操作

上面两步的交织的原理并不一样，接下来分别介绍常见的交织操作。

校验位交织

校验位交织的数学公式如下：
$d_i=u_i\ \ \ \ for\ \ \ 0<=i<=K1$
$d_{K1+360t+s}=u_{K1+Q_{ldpc}s+t}\ \ \ \ \ for \ \ \ \ 0<=s<360,0<=t<=Q_{ldpc}$
其中 $i$ 是码组中第几个码元， $K 1$ 是信息位的个数， $u_i$ 是交织前的码元， $d_i$ 是交织后的输出码元， $Q_{ldpc}=校验位个数/360$ 。

依据校验位交织地址生成公式可知，校验位交织本质是行进列出，若校验位数据向量重新构成矩阵形式，交织前矩阵为Qldpc*360，即依次将向量数据每行写入 360 个数，第 361 个数为第 2 行第 1 列数，依次类推。存入 Rom 地址如图所示，
在这里插入图片描述
我们矩阵的时候都是一行一行的看，这里虽然本质上是列进行出，但是我们读地址是一行一行读的，所以这个就相当于矩阵的转置操作。即取数据依次以如下地址取数据，重新生成新读出矩阵。

这里隐含一个非常重要的FPGA技巧，FPGA中矩阵的转置如何使用硬件语言来描述。 等进行讲解Verilog代码的时候，可以着重注意矩阵转置对应的Verilog代码。

码组的列旋转交织

上面我们已经进行了检验位交织，将校验位交织与原来的信息位组合成的输入 $d_{i}$ 按列顺序依次写入列旋转交织器，然后按行依次读出完成列旋转交织，每列写入的起始位置由 $t c$ 决定，整个列旋转交织器：
在这里插入图片描述
这里解释一下与校验位交织的不同点：
1、校验位交织只有码组的校验位参与交织操作，而列旋转交织是整个码组进行交织操作
2、校验位交织的行是固定的360个元素，而列旋转交织则不是固定值
3、列旋转交织在转置的基础上，每一行均有一个tc的偏移，这也使得在书写FPGA代码的时候要比校验位交织难一点

以16QAM为例，上面的列旋交织主要有2025行8列，其中每一列的tc的值如下：

tc	0	1	2	3	4	5	6	7
16QAM	0	0	0	1	7	20	20	21

列旋转交织器的输入为 $d_i,0<=i<=N$ （其中N是整个码组的长度，在16QAM中N的长度是16200），写入列旋转交织器的 $c_m$ 列， $r_n$ 行，则行和列需要满足下面的情况(以16QAM为例)：
$c_m=i/2025$
$r_n=(i-tc)\%2025$
由上面的的公式，我们可以写出列旋交织器的输入矩阵与输出矩阵之间的关系，这里同样是按照按照行的顺序写入读出。交织前的地址是：
在这里插入图片描述
进行列旋交织之后的地址如下：

这里注意，FPGA的语言叫做硬件描述语言，那么要想才能成功描述上面矩阵的变化，就必须找到上面矩阵的规律，上面的公式规律已经标红，大家可以最终结合相应的FPGA代码进行学习。大家阅读下面的FPGA代码的时候，可以发现一共2025行数据，只有前21行数据是乱的，后面的2000多行数据的计算都是有规律的，这也是FPGA代码中有一个很笨重状态机的原因。大家阅读FPGA代码的时候，一定要联系上面的矩阵，可以便于理解。

交织的MATLAB实现

经过上面的原理介绍，相信大家对交织的操作有了一定的了解，那么接下来我们给出相应的MATLAB代码供大家更深入的了解。这里说明一下，代码不是博主编写，博主只是在原有的代码上进行了一些更改，可以更方便的理解代码，代码的来源是发烧友学院，在文章的最后，会附上参考网址，需要的同学可以关注一下。

sim_options = struct(...
    'CRATE_DATA',       '3/5', ...        %业务编码码率1/2 3/5 2/3 3/4 4/5 5/6   
    'CONSTELLATION', '16-QAM' ...
    );
tx_nFrame =1;


fid1 = fopen('bint_data_in.txt','r');
DataIn = fscanf(fid1,'%d');

switch sim_options.CRATE_DATA
    case '1/2',
        Q = 25;
        CR=4/9;
    case '3/5',
        Q = 18;
        CR=3/5;
    case '2/3',
        Q = 15;
        CR=2/3;
    case '3/4',
        Q = 12;
        CR=11/15;
    case '4/5',
        Q = 10;
        CR=7/9;
    case '5/6',
        Q = 8;
        CR=37/45;
    otherwise
        error('sim_options UNKNOWN CODING RATE');
end
    %------------------------------------------------------------------------------
    % PLP-specific Parameters Definition
    %------------------------------------------------------------------------------
    CONSTEL  = sim_options.CONSTELLATION;     % modulation constellation
    COD_RATE = CR;
    S        = 360;   % The S of the code
    CRATE    = sim_options.CRATE_DATA;             % The code rate
    %------------------------------------------------------------------------------
    % Procedure
    %---------------------------------------
    data = DataIn';
    nbint_len  = 16200  ; %  block size, need to pass this in
    int_type = 2;
    parity_only = false;
    Nc = 8;
    switch CONSTEL
        case 'QPSK'
                int_type = 0;
        case '16-QAM'
            Tc = [0	0	0	1	7	20	20	21];
    end
    Nr = nbint_len / Nc;
    numIntlvBlocks = floor(length(data)/nbint_len); % Number of interleaving blocks
    data = data(1:numIntlvBlocks*nbint_len); %clip the length of the input data
    bitIntlvOut = zeros(1,length(data),'single'); %mem preallocation

    if int_type == 0
      %do no interleaving
      bitIntlvOut = data;
    elseif  int_type == 2
      %the type B interleaver
      plen = round(nbint_len * (1 - COD_RATE));
      %make the parity interleaving table
      parity_table = zeros(1,plen);

      count = 1;
      for scount = 0:S-1
        for t = 0:Q-1
          parity_table(count) = S * t + scount + 1;
          count = count + 1;
        end
      end

      %compare data
      fid1 = fopen('mb_parity_addr.txt','w');
      fprintf(fid1,'%d\n',parity_table);
      
      %make the Sony interleaving table
      if ~parity_only;
          code_table =