FPGA实现的卷积编码与Viterbi译码：原理、设计与性能分析

本文主要探讨了在Cisco Secure ACS 5.2环境下，FPGA（Field-Programmable Gate Array）在实现ACSU（Arithmetic Comparator and Select Unit）模块中的关键作用。ACSU是一个用于卷积码编码和译码的关键组件，尤其在数字通信中的纠错码技术中扮演重要角色。 首先，BMU（Branch Measurement Unit）电路是整个系统的基础，它接收分支度量数据和前一时间单位幸存路径的度量，并通过VHDL编程实现，仿真波形显示了电路的工作效果符合设计预期。将这些逻辑设计下载到FPGA中，能够实时执行BMU功能，这是FPGA灵活性和高效性在实际应用中的体现。 接着，文章聚焦于加比选模块（ACSU），它负责对分支度量进行计算和比较，存储最小度量值（汉明距离），以实现有效的纠错决策。ACSU的工作时序图清晰地展示了其操作流程，这在卷积码的性能优化中至关重要，特别是在卷积码译码中，对比代数译码和概率译码，概率译码如维特比算法更注重利用信道统计特性，降低译码错误概率。 维特比算法是概率译码中的经典策略，它在约束长度适中时表现出高效的译码效率和速度。随着译码约束长度的增加，算法的性能逐渐提升，而在较短的约束长度下，维特比算法成为首选，特别适合于对误码率要求不高的应用场景。 论文作者张增良在天津大学攻读通信与信息系统硕士学位期间，研究了基于FPGA的卷积编码和维特比译码，探讨了这些技术在实际数字通信系统中的实现。他重点介绍了卷积码的基础概念，包括与分组码的性能比较，以及硬判决译码和软判决译码的差异。他还深入讨论了交织和解交织技术在纠错码中的应用，以及如何利用FPGA的硬件资源和 Quartus II软件开发环境进行设计和优化。 论文中的核心部分是对FPGA实现的并行维特比译码器的详细研究，包括各个模块的设计、算法实现的优化，以及在不同条件下的仿真测试。仿真结果显示，设计的译码器在满足误码率要求的同时，证明了其在高速数据传输场景中的适用性。 本文深入剖析了FPGA在实现卷积码和维特比译码过程中的关键技术，强调了其在提升数字通信系统可靠性方面的优势，为相关领域的研究者和工程师提供了有价值的设计参考和实践经验。