基于DSP的編碼性能優(yōu)化比較分析

魏國(guó)慶，冉明昊，梅 伶

（1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030；2.重慶能源工業(yè)技師學(xué)院信息中心，重慶400037）

1 引 言

隨著行業(yè)重心向速度高、延遲低、以數(shù)據(jù)為中心的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遷移，OEM 廠商需要在降低成本的前提下，提供更高吞吐量的DSP，以滿足日益復(fù)雜的基站設(shè)計(jì)要求。飛思卡爾半導(dǎo)體公司的DSP 憑借其具有的MAPLE-B 基帶加速器的優(yōu)勢(shì)，在靈活性、功耗、性能等方面都具有一定的產(chǎn)品吸引力，有助于大幅度提高有線和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中媒體網(wǎng)關(guān)、基站以及代碼轉(zhuǎn)換應(yīng)用等的系統(tǒng)密度，同時(shí)也有利于設(shè)備制造商解決下一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題[1-2]。以Freescale MS8156 DSP 為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的性能深入分析并加以對(duì)比，研究信道編譯碼的實(shí)現(xiàn)方式，包括硬件平臺(tái)、編譯碼方式、DSP 實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼性能的優(yōu)化。

2 平臺(tái)描述

信道編譯碼是通信過(guò)程中的重要技術(shù)之一，其功能實(shí)現(xiàn)是由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供的MSC8156系列多核DSP 完成的。該產(chǎn)品基于StarCore 技術(shù)和SC3850 內(nèi)核，是針對(duì)第四代移動(dòng)通信市場(chǎng)推出的高性能高集成的多核DSP 處理器，包含一個(gè)具有可編程系統(tǒng)接口的硬件加速器MAPLE-B，其上集成了Turbo 編碼器、譯碼器、CRC 等處理單元。

Turbo 譯碼器支持3GPP TS 36.212 標(biāo)準(zhǔn)的Turbo 譯碼及IEEE 802.16-2004TM 標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX OFDMA Turbo 譯碼；支持最大譯碼長(zhǎng)度為4800 比特（WiMAX）[3-4]。

編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供的CodeWafrior Dvelopment Studio 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)。該環(huán)境可以支持對(duì)SC3400、SC3850 等多款DSP 芯片的單核仿真支持，主要用于物理層算法的仿真與調(diào)試[5]。

3 信道編碼

根據(jù)信道編碼定理，對(duì)于任何一個(gè)通信信道都存在一定的信道容量C，即為信道的最大極限傳輸能力，當(dāng)實(shí)際信道傳輸速率R＜C 時(shí)，就可以用差錯(cuò)控制碼為這個(gè)信道設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)使得輸出錯(cuò)誤概率為任意小。1993 年在瑞士召開(kāi)的國(guó)際通信會(huì)議上，兩位法國(guó)教授首次提出一種Turbo 碼編碼方案，由于它很好地利用了信道編碼理論中的隨機(jī)性，獲得了接近香農(nóng)極限的編譯碼性能[6-7]。

Turbo 碼主要由分量碼和交織器組成。分量碼和交織器對(duì)Turbo 碼的性能起到?jīng)Q定性的作用，故此研究偏重于分析分量碼和交織器的長(zhǎng)度選擇對(duì)系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。以WiMAX 協(xié)議為例，其Turbo 譯碼器支持最大譯碼長(zhǎng)度為4800 比特，根據(jù)工程實(shí)現(xiàn)方案復(fù)雜度，可通過(guò)不同譯碼長(zhǎng)度來(lái)分析、優(yōu)化系統(tǒng)性能。如圖1 所示為編碼碼塊數(shù)目為2 時(shí)的比特?cái)?shù)據(jù)流形成過(guò)程，具體為：根據(jù)數(shù)據(jù)帶寬計(jì)算所需信源數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；信源經(jīng)過(guò)32 位的CRC 編碼之后，進(jìn)入Turbo 編碼器，分2 段進(jìn)行比特流編碼，再組成數(shù)據(jù)流，進(jìn)行數(shù)據(jù)符號(hào)調(diào)制映射處理。在OFDM復(fù)幀信號(hào)中，不同調(diào)制方式下編碼碼塊數(shù)目的差異對(duì)比如表1 所示。

圖1 編碼塊數(shù)為2 時(shí)數(shù)據(jù)流的形成

表1 單幀信號(hào)分塊數(shù)目比較

從表1 可見(jiàn)，在相同的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度下，QPSK 調(diào)制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)少，編碼數(shù)據(jù)分塊數(shù)目少，DSP 資源消耗少；64QAM 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多，導(dǎo)致64QAM 的分段數(shù)目變多，DSP 的資源消耗變大。通過(guò)DSP 中Turbo譯碼器的靈活配置，可以設(shè)置編碼長(zhǎng)度，減少硬件加速器的資源消耗。

4 DSP 的實(shí)現(xiàn)

在MSC8156 DSP 系統(tǒng)的地址空間中，Maple 硬件加速器所用的地址為0xC1000000～0xC13FFFFF，共4M 字節(jié)，在這段內(nèi)存中包含系統(tǒng)參數(shù)、BD 環(huán)配置、加速模塊等，也包含編譯碼硬件加速器的內(nèi)存空間。Maple 通過(guò)管理配置，將使用的單元塊在一塊共享的內(nèi)存中統(tǒng)一分配，提高了加速器的靈活性和資料利用效率。BD 環(huán)由16k 字節(jié)參數(shù)配置地址空間，主要有起始地址、結(jié)束地址、任務(wù)個(gè)數(shù)、任務(wù)長(zhǎng)度等。每個(gè)使用的加速模塊在初始化時(shí)，會(huì)根據(jù)配置使用情況，決定在16k 地址空間中的資源分配。資源分配規(guī)則按照初始化順序，依次分配，具體規(guī)則如下[8]：

其中，N 為第N 個(gè)初始化的加速模塊，N 為0 時(shí)起始地址為0xC1004000，按照256 字節(jié)對(duì)齊的方式進(jìn)行內(nèi)存資源分配。

其中，任務(wù)個(gè)數(shù)為加速器初始化時(shí)決定，任務(wù)長(zhǎng)度由每個(gè)加速模塊決定，每個(gè)加速模塊都有不同的任務(wù)長(zhǎng)度。系統(tǒng)編碼、譯碼前DSP 的參數(shù)初始化過(guò)程如圖2 所示。

圖2 DSP 參數(shù)初始化過(guò)程

5 系統(tǒng)性能比較

為對(duì)比編譯碼時(shí)不同碼塊分段方式的DSP 實(shí)現(xiàn)結(jié)果，將仿真方式及參數(shù)設(shè)置為：?jiǎn)伟l(fā)單收的系統(tǒng)，采樣率為11.2 MHz，OFDM 有效子載波數(shù)為840，F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)為1 024 點(diǎn)，CP 長(zhǎng)度為128 點(diǎn)，幀長(zhǎng)為2.5 ms，符號(hào)個(gè)數(shù)為24。不同碼塊分段方式的誤碼率仿真結(jié)果如圖3。

由圖3 不同碼塊分塊方式下誤碼率情況比較可見(jiàn)：在相同的調(diào)制方式下，如QPSK 1/2 的碼塊分塊數(shù)目多；WiMAX 協(xié)議分塊方式在譯碼性能上優(yōu)于DSP 支持分塊方式。占據(jù)DSP 系統(tǒng)資源較多，則執(zhí)行效率較低；分塊數(shù)目少，則譯碼性能低，占據(jù)DSP系統(tǒng)資源較少，執(zhí)行效率較高。低信噪比時(shí)，WiMAX協(xié)議分塊方式和DSP 支持分塊方式的譯碼性能對(duì)比結(jié)果波動(dòng)較大，這與分塊的數(shù)目有關(guān)：分塊數(shù)目越高，譯碼性能越好；高信噪比時(shí)，譯碼性能的結(jié)果波動(dòng)較小，與碼塊分塊方式無(wú)關(guān)。

圖3 不同碼塊分塊方式下的仿真結(jié)果

在DSP 平臺(tái)上使用自帶函數(shù)osTickTIme()統(tǒng)計(jì)每幀信號(hào)編碼指令的時(shí)間開(kāi)銷，比較結(jié)果如表2 所示。由表可見(jiàn)基于WiMAX 協(xié)議的譯碼長(zhǎng)度與DSP支持的譯碼長(zhǎng)度在譯碼指令消耗時(shí)間上的對(duì)比：QPSK 1/2、WiMAX 協(xié)議分塊比DSP 支持分塊方式時(shí)間減少44%；16QAM 1/2、WiMAX 協(xié)議分塊比DSP支持分塊方式時(shí)間減少53%；64QAM 1/2、WiMAX協(xié)議分塊比DSP 支持分塊方式時(shí)間減少28%。

表2 每幀編碼指令開(kāi)銷對(duì)比

6 結(jié) 束 語(yǔ)

MSC8156 DSP 的Maple 硬件加速器的資源有限，合理對(duì)資源進(jìn)行配置，不但可以提高系統(tǒng)的利用效率，還可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)相應(yīng)BD 環(huán)參數(shù)分析，可以更快、更準(zhǔn)確地定位分析問(wèn)題，提高效率。結(jié)果表明：研究信道編譯碼，依照系統(tǒng)性能要求，從工程實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)編譯碼長(zhǎng)度的選擇，以內(nèi)存資源、時(shí)間指令消耗、誤碼率高低等作為判決條件，能夠合理地對(duì)編碼譯碼做出系統(tǒng)優(yōu)化。