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1、74技术研发 Technology Research更强的承受能力，但对于时间选择性衰落则较为敏感。时间选择性衰落导致子载波之间正交性的破坏。由于信道多普勒扩展而引入的频偏导致ICI(码间干扰)，而子载波之间的间距减小使子载波更易受到ICI的破坏。对于给定信号带宽，随着子载波数的增加，子载波之间的频率间隔也相对减小。OFDM系统中加入保护间隔之后，会带来功率和信息传输速率的损失，其中功率损失可以定义为：从上式可以看到，当保护间隔占到20%时，功率损失不到1dB。但是带来的信息传输速率的损失达到20%。而在传统的单载波系统中，升余弦滤波也会带来信息传输速率(带宽)的损失，这个损失与滚降系数有关。
2、但由于插入保护间隔可以消除ISI和多径所造成的ICI的影响，因此这个代价是值得的。1.2 MIMO技术MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，它利用空间中增加的通道，在发送端和接收端采用多天线(或天线阵列)同时发送信号，由于各发射天线同时发射的信号占用同一个频带，并未增加占用带宽，因而能够成倍地提高系统的容量和频谱利用率3。广义的MIMO技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术。而其中发射分集技术指的是：在不同的天线上发射包含同样信息的信号(信号可能不同)从而达到空间分集的效果。以下是MIMO-OFDM系统的原理框图：图1 MIMO-OFDM系统在发送端的系统框图(参见下
3、页)系统发送端框图原理：输入的信号比特流将经过一个串并变换器变成多路输入的数据流，以实现多天线输出。对于每一路信号，都要经过一次信号映射。这里的信号映射不仅包括了对输入数据的星座映射，而且还涉及到了编码调制等等。同时这样的映射后的一路信号又会变成载波数量的数据流作为接下来的IFFT的输入。在这里加循环前缀的目的是为了在每个OFDM的符号间加上保护间隔，减小OFDM的ISI。0 引言随着通信技术的发展，无线通信逐渐成为主要的通信方式之一。在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：一个是多径衰落信道；另一个是宽带效率。OFDM(正交频分复用)通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变成平坦信
4、道，实现减小多径衰落的影响。而MIMO(多输入多输出)技术能够在空间中产生独立的并行信道，同时传输多径数据流，就有效地增加了系统的传输速率。将MIMO和OFDM两种技术相结合，并加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性1，并达到两种效果：一种是系统有很高的传输速率；另一种是通过分集达到很强的可靠性。自1967年Viterbi算法2提出以来，由于该算法的效率高、速度快、结构简单，在通信中，得到非常广泛的应用，己经成为很多通信系统的基本组成部分而被应用于各种数据传输系统。因此，研究复杂结构的优化设计问题，从而更好地满足通信系统的硬件设计要求，是非常有意义的。1 MIMO-OFDM系统1
5、.1 OFDM 技术OFDM技术特别适用于多径传播所引起的频率选择性衰落较为严重的宽带信道上的高速数据传输，并且具有均衡简单，基于快速傅里叶变换(FFT)的低成本接收机等优点。OFDM技术在数字移动系统中的应用也逐渐受到越来越多的关注。OFDM逐渐成为未来蜂窝移动通信系统、无线宽带接入系统等的物理层核心技术。在无线通信信道上应用OFDM传输技术可以减少多路径传播的问题。其中OFDM的特点如下：OFDM的优点：无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于上行链路中的数据量，这就要求物理层支持非对称高速数据传输，OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传
6、输速率。OFDM的缺点：a.频率偏移敏感；b.存在较高的峰均比增加OFDM符合周期可以减少ISI（符号间干扰）的影响，但较长持续时间的OFDM符号对于频率选择性衰落有MIMO-OFDM中的高阶Viterbi译码器的研究孙元华 杜 江（成都信息工程学院）摘 要 ：对MIMO-OFDM系统和Viterbi译码器算法作为最流行的卷积码解码方案进行了探讨。对Viterbi译码器进行进一步的优化设计以及降低其复杂性和功耗等方面的问题进行了探讨。提出用分支对称的特性来进一步降低Viterbi译码器的计算复杂度。关键词 ：多输入多输出；正交频分复用；Viterbi译码器；分支对称Research of Hi
7、gh-radix Viterbi Decoder in MIMO-OFDMSun Yuanhua Du Jiang(Chengdu University of Information Technology)Abstract： The MIMO-OFDM system and Viterbi Decoder as the most popular algorithm for convolution code decoding program are discussed. Some issues to further optimize the design and rduce the comple
8、xity and power consumption of Viterbi Decoder are discussed. Symmetric branch is used to further reduce the computation complexity of Viterbi Decoder.Key words: MIMO; OFDM; Viterbi decoder; symmetric branch75技术研发 Technology Research图1 MIMO-OFDM系统在发送端的系统框图图2 MIMO-OFDM系统在接收端的系统框图系统接收端框图原理：在接收端，接收到的OFD
9、M的数据流首先要经过一个去除循环前缀的处理，把OFDM符号的有用部分提取出来用于FFT。每个FFT产生的第i路数据流中包含相同的发射端输入信息，然后将这样的数据流经过相同的空间多路检测器，进行检测判决，最后将数据流通过一并串变换送入到解调器 。这个基于空间复用的MIMO-OFDM系统，能够同时增大空间复用技术和OFDM技术的能力，有利于增加系统的容量和高速率的传输。通过多路数据流在发送天线同时发射，实现了在相同带宽情况下的多路空间并行信道。这个系统不仅发挥了OFDM和空间复用技术的优势，同时有效地利用了空间的并行性和频率选择性，在接收判决一方将接收信号转化成了子信号，然后，进行OFDM的子载波
10、处理。2 卷积码及Viterbi译码器2.1 卷积码卷积码是1955年由麻省理工的伊利亚斯(P.Elisa)提出的。卷积码( n,k,N)的信息码元个数 k和码长 n通常较小。因此，时延小，特别适合于串行形式的传输信息的场合，与分组码相比，卷积码在任何一个码组中的监督 码元都不仅与本组的 k个信息码元有关，而且与前面的 N-1段信息码元有关。定义 N为约束长度，随着 N的增加，卷积码的纠错能力也随之增强，误码率呈指数下降。正因为卷积码在编码过程中充分应用了各码组之间的相关性，无论是理论还是实际上均证明其性能优于分组码，因此在通信领域应用越来越多。2.2 Viterbi译码器算法与结构 Vite
11、rbi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，Viterbi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)。多年来Viterbi算法一直是研究的重点。卷积编码和Viterbi译码广泛用于FEC(前向纠错)系统中，因为Viterbi算法体现了强大的纠错能力，而随着VLSI(超大规模集成电路)技术的发展，可以把整个编译码系统集成在一个高速芯片上。其复杂性(无论是硬件实现还是软件实现)均随约束长度成指数增长。然而，为了得到较低的译码错误概率，就必然需要增大约束长度，这样使得 Viterbi译码器的电路变得异常的复杂，而且译码延迟也相应地增加
12、，这对于需要高速工作的环境又是不能忍受的。Viterbi译码器一直存在着复杂性、规模、功耗和速率之间的矛盾。本文提出的利用分支对称来减少计算量的方法。但是随着阶数的提高，分支对称性体现得越来越小。图3 硬判决Viterbi译码器的例子似然路径通过比较路径值(Path metric)来获得，路径值为该路径上的支路值累加结果，支路值(Branch metric)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)4如图3所示，在 t=0时刻，从 s0出发的路径初始化为零。则 t=1时分别仅有一个支路进入 s0和 s1，进入 s0的支路预期输入000，接收码字101汉明
13、距离为2，进入 s1的支路预期输入111，汉明距离为1，相应的路径值分别为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 s0的支路有分别从 s0和 s2来的两条，其中从 s2来的部分路径值为支路值与 s2的部分路径值之和，即3+3=6，从 s0来的部分路径值为3+1=4，因此从s0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 s0状态，其他状态不必判别，而 t=7时仅需判定 s2和 s0状态的留选路径。这样，就得到了从 t=0到8时刻的最大似然路径，它对应于Vite
14、rbi的译码输出。实际应用中经常采用经简化的截尾译码5。对接收数据进行逐段处理，得到每一时刻的所有支路值(Branch metric)。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。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。其结构如图4所示，下面将提到的Viterbi译码一般都是指这种方式。图4 Viterbi译码器的基本结构上
15、图中Viterbi译码器主要由以下几部分组成:（1）支路值单元(BMU):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。76技术研发 Technology Research（2）加比选择单元(ACSU):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(PMM)的部分路径值(PM)相加，得到该路径新的部分路径值，与所有进入该状态的其他路径新的部分路径值相比较，路径值最小的即为留选路径，这个最小值也就是该状态留选路径新的部分路径值(PM)。（3）对应的路径值存储器(PMM)中最小状态单元(SDU):寻找具有最小路径值的状态。主要由比较器和
16、选择器构成。（4）留选路径存储单元(SMU):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(shift update)和选择更新(selective update)。（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(register exchange)和回溯(trace back)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。以一个简单例子来说明Viterbi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(11010100)，经1/3卷积编码后产生码字(111,000,001,001,111,001,111,110) ，通过噪声信道后接收码字为(101,100,001,011,111, 101,111,110)，输入序列由信息位和收尾序列00组成，以便回溯始于初始状态。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耗方法的研究广受关注。针对特定结构的简化，需要
