I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   4 A u g u s t   201 7 ,   p p .   1 8 2 4 ~ 1 8 3 2   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 4 . p p 1 8 2 4 - 1832          1824       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   VH DL  Desig n an d F P G A  I m ple m e ntatio n of  a   H ig Da ta Ra te  Turbo  Decoder  b a sed o n Ma jority  Lo g ic Codes         A.   B o ud a o ud ,   M .   E l H a ro us s i,  E .   Abde l m o un i m   A S T Lab o ra to ry ,   F S T   S e tt a t ,   Ha ss a n   Un iv e rsity ,   S e tt a t,   M o ro c c o       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J a n   6 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma r   1 0 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Ma r   2 7 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts  th e   e lec tro n ic  sy n th e sis,  V HD L   d e sig n   a n d   im p le m e n tatio n   o n   F P G A   o f   tu rb o   d e c o d e rs  f o Dif fe re n c e   S e Co d e (DSC)  d e c o d e d   b y   th e   m a jo rit y   lo g ic  ( M L ).   T h e   V HD d e sig n   is  b a s e d   o n   t h e   d e c o d i n g   Eq u a ti o n s   t h a w e   h a v e   si m p li f ied ,   in   o r d e t o   re d u c e   th e   c o m p lex it y   a n d   is  i m p le m e n ted   o n   p a ra ll e p ro c e ss   to   in c re a se   th e   d a ta  ra te.   A   c o - si m u latio n   u sin g   t h e   Ds p - Bu il d e r   to o l   o n   a   p latf o rm   d e sig n e d   o n   M a tl a b /S im u li n k ,   a ll o w th e   m e a su re m e n o f   th e   p e rf o r m a n c e   i n   term o BER  (Bit   Err o Ra te)  a w e ll   a th e   d e c o d e v a li d a ti o n .   T h e se   d e c o d e rs  c a n   b e   a   g o o d   c h o ice   f o f u tu re   d ig it a tran sm is sio n   c h a in s.  F o e x a m p le,  f o th e   T u rb o   d e c o d e b a se d   o n   th e   p ro d u c c o d e   DSC  (2 1 . 1 1   w it h   a   q u a n ti z a ti o n   o f   5   b it a n d   f o o n e   c o m p lete   it e ra ti o n ,   t h e   re su lt sh o w   th e   p o ss ib il it y   o in teg ra ti o n   o f   o u r   e n ti re   tu r b o   d e c o d e o n   a   si n g le  c h ip ,   w it h   l o w e late n c y   a t   0 . 2 3   m icro se c o n d s an d   d a ta rate   g re a ter t h a n   5 0 0   M b /s.   K ey w o r d :   E r r o r   c o r r ec tin g   co d es   FP GA   i m p le m en tat io n   I n ter leav er   ML - DS C   co d es   T u r b o   d ec o d in g   VHDL   la n g u a g e   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .     Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A b d elg h a n i B o u d ao u d ,     AST I   L ab o r ato r y ,   FS T   Settat,    Hass a n   I   Un i v er s it y ,     B . P 5 7 7 ,   C asab lan ca   R o ad ,   K m   3 ,   Settat,  Mo r o cc o .   E m ail:  b o u d ao u d 5 8 6 @ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h d is co v er y ,   o f   T u r b o - C o d es  b y   C . B er r o u   [ 1 ]   in   1 9 9 3 ,   r ep r esen ts   a n   e s s e n tial   s tep   f o r w ar d   f o r   in f o r m atio n   tr a n s m i s s io n   s y s t e m s .   I n d ee d ,   m o s ter r estrial   an d   s atellite  tr an s m is s io n   s t an d ar d s   h av al s o   ad o p ted   th e m .   T h u s   N AS A   u s es it i n   a ll t h eir   s p ac p r o b es s in ce   2 0 0 3 ; si m ilar l y ,   th e   E u r o p ea n   S p ac Ag en c y   ( E SA )   lu n ar   p r o b SM AR T - 1 .   T u r b o - co d es  ar also   u s ed   a s   in   U MT S,  A D S L - 2   an d   in   m o b ile  n et w o r k s   4 G - L T E   an d   L T E - A d v an ce d   [ 2 0 ] .   I n itiall y ,   t h t u r b o   co d es  w er b ased   o n   co n v o lu tio n al   co d es  co n ca te n ated   i n   p ar allel.   R . P y n d iah   i n   1 9 9 4   [ 2 ]   p r o p o s ed   t h tu r b o   b lo ck   co d es  ( T B C ) ,   w h ich   ar an   alter n ati v to   t u r b o   co n v o l u tio n al   co d es.  T h ese   T B C   u s ed   t h d ec o d in g   w eig h ted   in p u ts   a n d   o u tp u ts   ( SIS O) .   T h iter ativ d ec o d in g   p r o ce s s   th a w u s e ,   f o llo w s   t h m o d el  p r o p o s ed   b y   P y n d iah   a n d   b u ilt  f r o m   th O n Ste p   Ma j o r ity   L o g ic  Dec o d ab le  C o d es”   ( OSML D)   [ 3 ]   u s i n g   th s o f t - o u t e x te n s io n   t h r es h o ld   d ec o d in g   clas s ic  o f   Ma s s e y   [ 4 - 9 ] ,   [ 1 4 ] .   T h m aj o r ity   d ec o d in g   u s es  a   lin ea r   co m b in a tio n   o f   r ed u ce d   s et  o f   s y n d r o m e s   r ep r ese n ted   b y   th e   o r th o g o n al  E q u atio n s .   T h cu r r en d ig ita s y s te m s   an d   ch a n n e co d in g   e s p ec i all y   d ec o d in g ,   r eq u ir h i g h   d ata  r ates.   Dec o d in g   r ate  d ep en d s   o n   th ch o s en   ar ch itect u r in   th elec tr o n ic  d esig n th co m p le x it y   o f   th cir cu it  ( ie  its   s u r f ac e)   is   o f te n   co n s id er ed   as  cr itical  p ar a m eter .   I n   th is   co n tex o f   v er y   h i g h   th r o u g h p u t,  t h o p er atin g   s p ee d   m u s t b m ax i m ized   w h i le  m i n i m izi n g   co m p le x it y .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       V HDL  Desig n   a n d   F P GA   I mp leme n ta tio n   o f a   Hig h   Da ta   R a te  Tu r b o   Dec o d er … .   ( A .   B o u d a o u d )   1825   2.   CO DIN G   AND  D E CO DIN G   O F   P RO DUCT CO DE S   2 . 1 .   P ro du ct   Co des   Co ns t ruct io n   C o n s id er   to w   s y s te m a tic  b lo ck   li n ea r   co d es  C 1 (n 1 ,   k 1 ,   d 1 )   an d   C 2 (n 2 ,   k 2 ,   d 2 ) .   W h er n i ,   k i   an d   d i   ar e,   in   o r d er : th co d w o r d   len g t h ,   th in f o r m atio n   s y m b o ls   n u m b er   a n d   th Ha m m i n g   d is ta n ce   ( i =   1 , 2 ) .   P r o d u ct  co d C P =C 2 C 1   b u il b ased   o n   C 1   an d   C 2 ,   w h ic h   h as  th e   p ar a m eter s   ( n 1 ×n 2 ,   k 1 ×k 2 ,   d 1 ×d 2 ) ,   is   o b tain ed   b y   en co d in g   t h k 2 ×k 1   in f o r m at io n   s y m b o ls   b y   th C 1   co d an d   k 2 ×n 1   s y m b o ls   b y   C 2   co d e,   s ee   Fig u r 1 .   I n   th is   w o r k ,   w c h o o s C 1 =C 2   a n d ,   DSC ( 7 , 3 , 1 ) ,   D SC ( 2 1 , 1 1 , 2 )   an d   DSC ( 7 3 , 4 5 , 4 )   co d es.     2 . 2 .   T urbo   Dec o din g   P rinc ipl   A   t u r b o   d ec o d er   co n s is ts   o f   SISO  d ec o d er s   ( g en er all y   t wo   d ec o d e r s )   an d   in ter leav er s   as  s h o w n   i n   Fig u r 2 .   T h ch a n n el   s y m b o ls   ar r ec eiv ed   b y   li n m ac h i n e,   b y   t h f ir s t   d ec o d er   w h ic h   g iv e s   s o f p r io r in f o r m atio n ,   a n d   th e n   th c h an n el  i n f o r m atio n   an d   th e x tr in s ic  i n f o r m atio n   ar in ter le av ed   an d   s u p p lied   co lu m n   b y   co l u m n ,   to   th in p u o f   t h s ec o n d   d ec o d er .   A   co m p le te  iter atio n   co n s is ts   o f   ac tiv at in g   ea c h   d ec o d er   o n ce .   T h u s ,   w it h   m o r iter atio n ,   th d ec o d er   co n v er g es  to   t h r ig h s o lu tio n ,   h o w e v er   it  r eq u ir e s   m o r ti m e.         Fig u r 1 .   P r o d u ct  co d p r in cip le         Fig u r 2 .   Stru ct u r o f   th t u r b o   d ec o d er       3.   T H E   S I SO   DE CO DE   3 . 1 .   T hres ho ld De co din g   A lg o rit h m   T h SISO  ( So f I n - So f O u t)   d ec o d er   is   th b ase  ele m e n t   o f   th tu r b o   d ec o d in g .   W u s ed   SISO   d ec o d er   f o r   w h ich   t h t h r esh o l d   d ec o d in g   al g o r ith m   [ 3 ] [ 4 ] [ 1 3 ]   is   g iv en   b elo w :   Fo r   e ac h   j =   n   t o   1     a.   C alcu la te   th e   te r m s   B i   an d   ω i   w ith     { 1 , . . , M   b.   C alcu la te   B 0   an d   w 0     c.   C alcu la te   th e   ex t r in s ic   in f o r m atio n   M i i i j B y W 1 ) 2 1 ( ) (   d.   C alcu la te     j j j Wy y Es y LLR N 0 4 ) (   e.   I f     ( L L R ( y j ) > 0 )     H ar d   De cis io n   = 1     else     Ha r d   D ec is io n   = 0   W h e r e:   a.   n : Co d e   l en g th   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 8 2 4     1 8 3 2   182 6   b.     M:   n u m b er   o f   o r th o g o n al  E q u atio n s ;   c.   B i:   th o r th o g o n al  E q u atio n   o n   th i th   b it,  a f ter   r e m o v o f   i th   b it;   d.   ω i: p r o p o r tio n al  to   th r eliab ilit y   o f   i th   p ar it y   E q u atio n ,   e.   W   ( y j ) : e x tr in s ic  in f o r m at io n   r ep r esen tin g   t h esti m ated   o r th o g o n al  E q u atio n s   o n   t h s y m b o l y j;   f.   L L R   ( y i )   th d ec is io n   f u n ctio n   o n   th s y m b o y j;     An d :     ni k k i k ik ni k k i k ik L L i , 1 , 1 ) 2 t a n h ( 1 ) 2 t a n h ( 1 ln               ( 1 )     3 . 2 .   Str uct ura l D ia g ra m   o f   SI SO   Dec o der   W h av e   d esi g n ed ,   i n   VHD L ,   a   SISO   d ec o d er ,   w h ich   c an   b u s ed   i n   an   iter ati v p r o ce s s .   T h is   iter ativ p r o ce s s   w u s f o llo w s   th m o d el  p r o p o s ed   b y   P y n d iah   [ 3 ] ; See   Fig u r 3 .   T h s o f t   in p u t a n d   r esp ec ti v el y   t h s o f t   o u tp u t o f   t h e   q th   s tep   ( h al f - iter atio n )   o f   th e   iter ati v e   d ec o d in g   ar g iv e n   b y :     ) ( ) ( ) 1 ( q W q R q R       ) ( ) ( 4 ) ( 0 q W q R N E q LLR s     W h er R   r ep r esen t s   t h li n es   o r   co lu m n s   o f   t h r ec eiv ed   an d   q u an ti f ied   w o r d ,   W ( q )   th ex tr i n s ic   in f o r m atio n   ca lcu la ted     b y   t h p r ev io u s   d ec o d er   an d   α   is   co ef f icie n w h ic h   v ar ies  w i t h   ea ch   iter atio n .   I n   ad d itio n   to   its   th r es h o ld   o u tp u t ,   th d ec o d er   h as a   h ar d   d ec is io n   o u tp u t t h at  w u s ed   f o r   its   v alid atio n .         Fig u r 3 .   SISO  Dec o d er   ( elem en tar y   ce ll o f   tu r b o   d ec o d in g )       3 . 3   F P G I m ple m e nta t io n o f   t he  SI SO   Dec o der    T o   r ed u ce   th co m p le x it y   o f   t h alg o r it h m ,   w u s ed ,   to   s i m p lify   t h ex p r es s io n   ( 1 ) ,   th E q u atio n   ( 2 )   b elo w     p r o p o s ed   b y   [ 1 2 ]   an d   ap p lied   to   th m aj o r it y   lo g ic  co d es b y   [ 1 3 ] ,   [ 1 1 ] [ 2 1 ] .   T h s i m p li f ied   ex p r ess io n   o f   o u r   d ec o d er   b ec o m es :                           ( 2 )       T h ar ch itectu r o f   t h p r o p o s ed   SISO  d ec o d er   w as  d escr ib e d   in   VHD L   an d   i m p le m en ted   o n   FP GA  u s i n g   Qu ar t u s   I I   to o f r o m   Al ter a.   W u s ed   T h E P C 4 C E 1 1 5 F2 9 C 7   FP GA   t y p e,   co n tai n in g   ab o u 1 1 5 , 0 0 0   n k ik ik ni k L s i g n L i 1 1 ) ( * m i n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       V HDL  Desig n   a n d   F P GA   I mp leme n ta tio n   o f a   Hig h   Da ta   R a te  Tu r b o   Dec o d er … .   ( A .   B o u d a o u d )   1827   L E s .   W s tu d ied   t h co m p le x it y   e v o lu tio n   o f   o u r   d ec o d er s   f o r   d if f e r e n q u a n tizat io n   b it  n u m b er   u s i n g   C ( 7 , 3 ) C ( 7 , 3 ) ,   C ( 2 1 , 1 1 ) C ( 2 1 , 1 1 )   an d   C ( 7 3 , 4 5 ) C ( 7 3 , 4 5 )   p r o d u ct  co d es.   T h r esu lts   o b tain ed ,   af ter   th Qu ar tu s   I I   s y n th e s is ,   ar s u m m ar ized   in   T ab le  1 .   Fig u r 4   s h o w s   a   f u n ctio n al  s i m u latio n   ex a m p l o f   o u r   SISO  d ec o d er   f o r   DSC   ( 7 , 3 )   co d o n   w h ich   i is   r ep o r ted   th at  th e   o u tp u ts   ar u p d ated   at  ea ch   r is in g   ed g o f   t h clo ck ,   h e n ce   t h laten c y   i s   o n clo ck   c y cle.           Fig u r 4 .   Si m u latio n   ex a m p le  o f   o u r   SISO  d ec o d er   f o r   th DSC   ( 7 , 3 )   co d e ,   w ith   5   b its   o f   q u an t i z atio n .       T ab le  1 .   T h Ob tain ed   Data   f o r   Dif f er e n t SI SO D ec o d er s                                           4.   T H E   I N T E RL E AV E R   4 . 1 .   T he  I nte rlea v er   P rinciple    An   in ter lea v er   is   s y s te m   t h a r ec eiv es  s eq u en ce   o f   s y m b o ls   in   its   in p u an d   p r o v id es  a n o th er   o f   th s a m alp h ab et   to   t h o u tp u i n   co m p lete l y   d if f er e n o r d er .   I n   o u r   ca s o f   p r o d u ct  co d es,  th e   o p er atio n   o f   th i n ter lea v er   is   s u m m ar ized   in   t w o   s tag e s r ec eip o f   al s y m b o ls   o f   t h p r o d u ct  co d m atr i x   n 2 * n 1 ,   an d   s w ap p in g   r o w - co lu m n   o f   t h is   m atr i x .     4 . 2 .   F P G I m ple m e nta t io n o f   t h I nte rlea v er       T h u s ed   in ter leav er s   ar d escr ib ed   in   VHDL   an d   i m p le m en ted   o n   th s a m FP G A   cir cu it  u s in g   Qu ar tu s   I I   to o f o r   C ( 7 , 3 ) C ( 7 , 3 ) ,   C ( 2 1 , 1 1 ) C ( 2 1 , 1 1 )   an d   C ( 7 3 , 4 5 ) C ( 7 3 , 4 5 )   p r o d u ct  co d es.  T h F ig u r 5   s h o w s   t h e x ter n al  s tr u ct u r o f   th in ter lea v er   d esi g n   f o r   th C ( 7 , 3 ) C ( 7 , 3 )   p r o d u ct  co d e.     S I S O   D e c o d e r   C h a r a c t e r i st i c s     Q u a n t i z a t i o n   b i t     n u mb e r   4   B i t s   5   B i t s   6   B i t s   7   B i t s   D S C ( 7 , 3 )   C o mp l e x i t y ( L E )   7 1 4   9 9 4   1 1 4 1   1 3 0 2   F r e q u e n c y   max .   ( M H z )   4 7 . 6 2   4 3 . 7 1   4 1 . 5 1   4 1 . 4 6   t h r o u g h p u t     m a x . ( G b / s)   0 . 3 3   0 . 3 1   0 . 2 9   0 . 2 9   L a t e n c y   ( n s)   2 1 . 0 0   2 2 . 8 8   2 4 . 0 9   2 4 . 1 2   D S C ( 2 1 , 1 1 )   C o mp l e x i t y ( L E )   5 3 3 4   6 4 9 6   7 7 4 9   8 8 6 3   F r e q u e n c y   max .   ( M H z )   2 4 . 9 9   2 4 . 3 0   2 3 . 5 8   2 3 .   34   t h r o u g h p u t     m a x . ( G b / s)   0 . 5 2   0 . 5 1   0 . 5 0   0 . 4 9   L a t e n c y   ( n s)   4 0 . 0 2   4 1 . 1 5   4 2 . 4 1   4 2 . 8 4   D S C ( 7 3 , 4 5 )   C o mp l e x i t y ( L E )   5 2 5 1 6   6 3 1 5 5   7 8 8 3 3   9 0 5 1 3   F r e q u e n c y   max .   ( M H z )   2 0 . 0 2   1 8 . 5 6   1 6 . 8 6   1 6 . 1 2   t h r o u g h p u t     m a x . ( G b / s)   1 . 4 6   1 . 3 5   1 . 2 3   1 . 1 8   L a t e n c y   ( n s)   4 9 . 9 5   5 3 . 8 8   5 9 . 3 1   6 2 . 0 3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 8 2 4     1 8 3 2   1828   I n   Fi g u r 6 ,   w h ic h   il lu s tr ates   an   e x a m p le   o f   f u n ctio n al  s i m u latio n   o f   t h at  in ter lea v er ,   w e   n o te  t h at   in p u lin e s   ar r ec o v er ed   as  c o lu m n s   o n   t h o u tp u ts   w i th   la ten c y   eq u als  to   th le n g th   o f   t h b ase  co d e,   s ev e n   clo ck   p er io d s   in   th i s   ca s e.     T a b le  2   s u m m ar izes  t h r ea d in g s   o f   t h co m p lex it y ,   t h m ax i m u m   f r eq u en c y   a n d   th e   m ax i m u m   th r o u g h p u t,  f o r   d if f er en t i n ter l ea v er s   d ep en d in g   o n   t h q u an t izatio n   b it n u m b er .         Fig u r 5 .   I n ter leav er   s tr u c tu r e   f o r   DS C ( 7 , 3 ) C ( 7 , 3 )   p r o d u ct  co d e         Fig u r 6 .   E x a m p le  o f   f u n ctio n al  s i m u lat io n   o f   t h in ter leav er   f o r   DSC ( 7 , 3 )   co d o n   Qu ar tu s   I I   s o f t w ar e.       T ab le  2 .   C ar ac ter is tics   o f   th I n ter elea v er s                                       I n t e r l e a v e r   C h a r a c t e r i st i c s   Q u a n t i z a t i o n   b i t     n u mb e r     4     B i t s   5     B i t s   6     B i t s   7   B i t s   7   T o 7   S y mb o l s   C o mp l e x i t y ( L E )   5 7 0   7 0 8   8 5 0   9 8 8   F r e q u e n c y   max .   ( M H z )   2 1 9 . 4 4   2 1 8 . 6 7   2 0 9 . 1 6   2 0 3 . 0 4   t h r o u g h p u t     m a x . ( G b / s)   1 . 5 4   1 . 5 3   1 . 4 6   1 . 4 2   L a t e n c y   ( n s)   3 1 . 9 0   3 2 . 0 1   3 3 . 4 7   3 4 . 4 8   2 1   T o   2 1   S y mb o l s   C o mp l e x i t y ( L E )   4 6 4 3   5 7 9 9   6 9 6 2   8 1 1 3   F r e q u e n c y   max .   ( M H z )   1 5 2 . 0 0   1 4 8 . 1 9   1 3 9 . 9 4   1 3 0 . 7 7   t h r o u g h p u t     m a x . ( G b / s)   3 . 1 9   3 . 1 1   2 . 9 4   2 . 7 5   L a t e n c y   ( n s)   1 3 8 . 1 6   1 4 1 . 7 1   1 5 0 . 0 6   1 6 0 . 5 9   7 3   T o   7 3   S y mb o l s   C o mp l e x i t y ( L E )   5 7 3 8 8   7 1 8 6 7   8 6 0 1 4   1 0 0 3 0 2   F r e q u e n c y   max .   ( M H z )   8 4 . 3 1   8 2 . 2 2   8 0 . 0 3   7 6 . 9 5   t h r o u g h p u t     m a x . ( G b / s)   6 . 1 5   6 . 0 0   5 . 8 4   5 . 6 2   L a t e n c y   ( n s)   8 6 5 . 8 5   8 8 7 . 8 6   9 1 2 . 1 6   9 4 8 . 6 7   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       V HDL  Desig n   a n d   F P GA   I mp leme n ta tio n   o f a   Hig h   Da ta   R a te  Tu r b o   Dec o d er … .   ( A .   B o u d a o u d )   1829   5.   T H E   T URB O   DE CO D E R   5 . 1 .   F P G I m ple m e nta t io n o f   T urbo   Dec o der   Ou r   t u r b o   d ec o d er   c o n s is t s   o f   t w o   SI SO  d ec o d er   an d   f o u r   in ter lea v er s   s i m ilar   to   t h o s d is cu s s ed   ab o v e,   s ee   Fig u r 7 .   Fig u r 8   s h o w s   th e   ev o l u tio n   o f   t h s ilico n   s u r f ac ( e x p r ess ed   i n   l o g ic  ele m e n L E ) ,   o cc u p ied   b y   t h co m p o n e n ts   o f   t h T u r b o   d ec o d e r   f o r   C ( 7 , 3 ) C ( 7 , 3 ) ,   C ( 2 1 , 1 1 ) C ( 2 1 , 1 1 )   an d   C ( 7 3 , 4 5 ) C ( 7 3 , 4 5 )   p r o d u ct  co d es,  w it h   q u an tizatio n   o f   5   b its .   Fi g u r 9   ill u s tr ate s   th is   s u r f ac w it h   q u an tizat io n   o f   3   to   7   b its   f o r   C ( 2 1 , 1 1 ) C ( 2 1 , 1 1 )   co d es.           Fig u r 7 .   Deta iled   s tr u ct u r o f   o u r   T u r b o   d ec o d er             Fig u r 8 .   A r ea   o cc u p ied   b y   d i f f er en t SI SO d ec o d er s   f o r   q u an tiz at io n   o f   5   b its     Fig u r 9 .   DSC ( 2 1 , 1 1 ) ²   SISO  d ec o d er s   o cc u p ied   ar ea   f o r   d if f er en t   b it s   o f   q u a n t iz atio n   ( 3   to   7   b its )       5 . 2 .   Va lid a t io n o f   o ur  T urbo   Dec o der   Af ter   f u n ct io n al  s i m u latio n   o n   Q u ar tu s   I I   s o f t w ar e,   o u r   d esig n   i s   al s o   v alid ated   o n   a   co - s i m u latio n   ch ain   o n   Ma tlab   / Si m u lin k   a n d   DSP   B u ild er .   T h co - s i m u latio n   ch ai n   p r o p o s ed   ( Fig u r 1 0 )   co n s is ts   o f   th m ain   co m p o n en t s   o f   d ig ital  tr an s m is s io n   c h ain th i n f o r m atio n   to   b tr an s m itted   is   g e n er ated   in   r an d o m   m a n n er ,   co d ed   b y   p r o d u ct   co d er   b ef o r b ein g   m o d u lated   o n   B in ar y   P h ase  Sh if t   Ke y in g   ( B P SK)   m o d u lat io n .   T h ch a n n el,   A W GN  ( A d d   w h ite  Ga u s s ia n   No is e)   w ill i n s er t r an d o m   er r o r s   i n   t h in f o r m atio n   r ec eiv ed .   T h b lo ck   ca lled   in   t h f i g u r 1 1   "T u r b o   d ec o d e r "   co n tain s   t h T u r b o   d ec o d er   to   test ,   f u n ct io n s   f o r   th q u a n tizatio n   an d   d ata  ad ap tatio n .     Qu a n tizatio n   as s i g n s   to   ea ch   s y m b o f ix ed   n u m b er   o f   b it s ,   ac co r d in g   to   th d ec o d er .   T h lo o p   i clo s ed   b y   co u n ter   o f   " b it  er r o r in   o r d e r   to   m ea s u r e   th B E R   p er f o r m a n ce   ( B it  E r r o r   R ate)   v er s u s   SNR ( Si g n al - to - No i s R atio ) .   Fig u r 1 1   illu s tr ate s   th p er f o r m an ce   f o r   th DS C ( 2 1 , 1 1 )   t u r b o   d ec o d e r   at  th f ir s t iter atio n   in   t h t h eo r etica l   ca s an d   in   VH D L   w i th   q u an t izatio n   o f   4 ,   5   an d   7   b its .     I n   Fi g u r 1 2 ,   w e   p r esen ted   t h e   B E R   p er f o r m a n ce   o f   t h s a m tu r b o   d ec o d er   w it h   q u an t iz atio n   o f   5   b its   f o r   1 st , 2 nd   an d   3 rd   iter atio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 8 2 4     1 8 3 2   1830       Fig u r 1 0 : th p r o p o s ed   c o - s i m u latio n   c h ai n   f o r   th B E R   p e r f o r m an ce   m ea s u r e m e n t o f   th e   tu r b o   d ec o d e r           Fig u r 1 2 .   B E R   p er f o r m an ce s   o f   T u r b o   d ec o d e r   f o r   1 st ,   2 nd   a n d   3 rd   iter atio n       5 . 3 .   P er f o r m a nces o f   o ur  T u rbo   Dec o der    Ou r   t u r b o   d ec o d er   d esig n ed   a n d   i m p le m e n ted   o n   t h e   E P C4 CE 1 1 5 F 2 9 C7   FP GA   cir cu it  p r esen ts   t h e   p er f o r m a n ce s   s u m m ar ized   in   T ab le  3 .   I is   e v id en t   f r o m   T ab le  4 ,   th at  t h p r o p o s ed   d esig n   h as   g o o d   p er f o r m a n ce   co m p ar ed   to   o th er   r ec en ar ch itect u r es;  a n d   es p ec iall y   t h late n c y   t h at  i s   n in ti m e s   lo w er   th a n   th least o n in   t h e   o th er   d esi g n s .       T ab le  3 .   Su m m ar y   o f   D SC   ( 2 1 ,   1 1 )   T u r b o   Dec o d e r   P e r f o r m a n ce s   W it h   Qu a n tizatio n   o f   5   B its .     I t e r a t i o n   P a t h *   T h r o u g h p u t   max .   ( M b / s)   L a t e n c y   mi n .   ( µ s)   C o mp l e x i t y   ( L E)   O c c u p a t i o n   ( %)   B ER   a t   S N R = 3 d B   1   2 S + I   5 1 0   0 . 2 2 4   2 4   5 9 0   2 1 . 3 8 %   4 . 7 2   1 0 - 2   2   4 S + 3 I   2 5 5   0 . 5 9 0   36   188   3 1 . 4 6 %   9 . 9 1   1 0 - 4   3   6 S + 5 I   1 7 0   0 . 9 5 6   36   188   3 1 . 4 6 %   5 . 6 2   1 0 - 5   ( * In f o rm a ti o n   p a t h S   f o S IS d e c o d e a n d   I   f o In terle a v e r       T ab le  4 .   C o m p ar aiso n   W it h   O th er s   T u r b o   Dec o d er   Desig n                                   T h i s w o r k   [ 1 8 ]   2 0 1 0   [ 1 5 ]   2 0 0 5   [ 1 6 ]   2 0 0 3       [ 1 7 ]   2 0 1 3   2 nd   i t e r .     3 rd   i t e r .   N u mb e r   o f   I t e r a t i o n s     2   3   5   6   4   NA   T h r o u g h p u t     ( M b / s)   2 5 5   1 7 0   9 3 0   7 5 8   7 5 . 6   3 4 6   L a t e n c y ( µ s)   0 . 5 9   0 . 9 5 6   5 . 5   1 0 . 5   5 . 3 5   NA   F r a me   l e n g t h   4 4 1   4 4 1   5 1 2 0   5 1 2 0   4 3 2   NA   B ER   a t   S N R = 3 d B   9 . 9   1 0 - 4   5 . 6   1 0 - 5   4   1 0 - 6   NA   4   1 0 - 7   2   1 0 - 3   M o d u l a t i o n   B P S K   B P S K   B P S K   NA   NA   B P S K   C h a n n e l   t y p e     A W G N   A W G N   A W G N   NA   NA   A W G N   C o d e   r a t e     0 . 2 7 4   0 . 2 7 4   NA   NA   0 . 3 3   0 . 3 3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       V HDL  Desig n   a n d   F P GA   I mp leme n ta tio n   o f a   Hig h   Da ta   R a te  Tu r b o   Dec o d er … .   ( A .   B o u d a o u d )   1831   6.   CO NCLU SI O   T h ap p r o ac h   o f   th VH D L   d esig n   u s in g   p ar allel  m o d e   an d   th FP G A   i m p le m en tati o n   o f   t h p r o p o s ed   tu r b o   d ec o d er   h as  allo w ed   u s   a   h ig h   d ata  r ate,   lo w   co m p lex i t y   a n d   v er y   lo w   laten c y .   T h is   w il l   j u s tify   it s   u s in   f u tu r co m m u n icatio n   c h a n n el s .     Use  o f   FP GA   cir cu it  w it h   b etter   Sp ee d g r ad ”  co u ld   f u r t h er   in cr ea s d ata  r ate  an d   r ed u ce   laten c y .   I n   ad d itio n ,   r ev ie w   o f   t h in t er leav er   ar ch itect u r is   n ec e s s ar y   to   r ed u ce   m o r it s   co m p le x it y .       RE F E R E NC E   [1 ]   Be rro u ,   A .   G la v ieu x ,   P .   T h it i m a jsh ima ,   Ne a S h a n n o n   L imit   Erro Co rr e c ti n g   Co d i n g   a n d   D e c o d in g T u r b o   Co d e s” IE EE   I n tern a ti o n a C o n f e re n c e   o n   Co m m u n ica ti o n   ICC9 3 ,   v o l.   2 /3 ,   M a y   1 9 9 3 .     [2 ]   R.   P y n d iah ,   A .   G l a v ieu x ,   A .   P i c a rt ,   S .   Ja c q ,   Ne a Op ti m u m   D e c o d in g   o f   P r o d u c C o d e s” ,   Glo b e c o m ' 9 4 ,   S a n   F ra n sisc o , 1 9 9 4 .   [3 ]   M.   Be lk a s m i,   M .   L a h m e r,   F.   Ay o u b ,   Iter a ti v e   T h re sh o ld   De c o d i n g   o Pro d u c C o d e Co n stru c te d   fro M a j o rity   L o g ic De c o d a b le Co d e s” ICCT A   c o n f ,   Da m a sc u s,S y ria ,   p p .   2 3 7 6 -   2 3 8 1 ,   A p ril   2 0 0 6 .   [4 ]   J.   L .   M a ss e y ,   T h re sh o ld   De c o d i n g ,   M . I. T .   P re ss ,   Ca m b rid g e ,   M a ss a c h u se t ts,   1 9 6 3 .   [5 ]   E.   J . .   W e ld o n   Jr,  Dif f e re n c e - S e C y c li c   Co d e s” ,   Bell  S y ste m T e c h n ica J o u r n a l ,   V o l . 4 5 ,   p p .   1 0 4 5 _ 1 0 5 5 ,   se p   1 9 6 6 .     [6 ]   R.   L .   G ra h a m ,   F.   J.  M a c W il li a m s ,   On   th e   Nu m b e o f   In f o rm a ti o n   S y m b o ls  in   Diffe re n c e - S e C y c li c   Co d e s” ,   Bell  S y ste m T e c h n ica J o u rn a l ,   v o l.   4 5 ,   p p .   1 0 5 7 - 1 0 7 0 ,   S e p   1 9 6 6 .   [7 ]   J.  S in g e r,   A   T h e o re m   in   F in it e   P r o jec ti v e   G e o m e tr y   a n d   S o m e   A p p li c a ti o n to   Nu m b e rs  T h e o r y ,   AM S   T ra n s . ,   v o l.   4 3 ,   p p .   3 7 7 - 3 8 5 ,   1 9 3 8 .   [8 ]   F .   J.  M a c W il li a m s,  A   T a b le  o f   P rim it iv e   Bin a ry   Id e m p o ten ts  o f   o d d   L e n g th   n ,   7   ≤n   5 1 1 ,   IEE E   T ra n s.  I n f o rm .   T h e o ry ,   v o l.   IT - 2 5 ,   p p .   1 1 8 1 2 3 ,   Ja n .   1 9 7 9 .   [9 ]   F .   J.  M a c W il li a m s,  J.  S e e r y ,   Th e   w e i g h Distrib u ti o n o f   so m e   m in i m a C y c li c   C o d e s,”  IEE T ra n s.  I n fo rm .   T h e o ry ,   v o l.   IT - 2 7 ,   p p .   7 9 6 8 0 6 ,   No v .   1 9 8 1   [1 0 ]   C.   Clarc k ,   B.   Ca i n ,   Err o r - Co rre c ti o n   Co d in g   f o Dig it a Co m m u n i c a ti o n s,”   P len u m   P re ss ,   1 9 8 3 .   [1 1 ]   M .   El h a ro u ss i,   M .   Be lk a sm i,   V HD L   De sig n   a n d   F P G A   I m p l e m e n tatio n   o f   a   F u l ly   P a ra ll e A rc h it e c tu re   f o r   Itera ti v e   De c o d e o f   M a jo rit y   L o g ic  Co d e f o Hig h   Da ta  Ra te  A p p li c a ti o n s” ,   J o u rn a o W ire le ss   Ne two rk in g   a n d   Co mm u n ica ti o n s ( J W NC) ,   2 (4 ),   p p .   3 5 - 4 2 ,   2 0 1 2   [1 2 ]   J.  Ha g e n a u e r,   E.   O ff e r,   L .   P a p k e ,   Itera ti v e   D e c o d in g   o f   Bin a r y   Blo c k   a n d   Co n v o lu ti o n a C o d e s” ,   IEE T ra n s.   In fo rm .   T h e o ry ,   M a rs 1 9 9 6 ,   V o l .   4 2 ,   p p .   4 2 9 - 4 4 6 .     [1 3 ]   A . Bo u d a o u d ,   E. A b d e lm o u n im ,   A.  Ba ra z z o u k ,   J.  Zb it o u ,   M . Be lk a sm i ,   F P G I m p le m e n tatio n   o f   H IHO   a n d   S IHO   De c o d e rs f o DSC  Co d e s” ,   IEE E   e x p lo re r ,   p p .   1 4 6 1     1 4 6 4 ,   A p ril   2 0 1 4   [1 4 ]   L.   D.  Ru d o lp h ,   G e o m e tri c   Co n f ig u ra ti o n   a n d   M a j o rit y   L o g ic   De c o d a b le  Co d e s” ,   P h t h e sis,  Un iv e rsity   o Ok lah o m a ,   No r m a n ,   1 9 6 4 .     [1 5 ]   G .   P re s c h e r,   T .   G e m m e k e ,   T . G .   No ll ,   p a ra me triza b le L o w p o w e r Hig h - th ro u g h p u T u rb o - d e c o d e r,”   in   IEE In t .   Co n f .   A c o u stics ,   S p e e c h ,   a n d   S ig n a P ro c e ss in g   (ICA S S P ),   v o l u m e   5 ,   p a g e s 2 5 - 2 8 ,   M a r.   2 0 0 5 .   [1 6 ]   B.   Bo u g a rd ,   A .   G iu li e tt i,   V .   De ru d d e r,   J.   W il lem ,   S .   Du p o n t,   F .   Ca tt h o o r,   L .   H o ll e v o e t,   L .   V .   d e P e rre ,   H.  D.  M a n ,   R.   L a u w e r e in s,  sc a l a b le  8 . 7   n j/ b i 7 5 . 6   M b /s   p a r a ll e c o n c a te n a ted   c o n v o lu t io n a l   ( tu rb o - )c o d e c ,   in   IEE E   In t .   S o li d - S tate   Circu i Co n f . ,   p p .   1 5 2 4 8 4 ,   F e b .   2 0 0 3 .   [1 7 ]   Ra h u S h re sth a ,   Ro y   P   P a il y ,   De sig n   a n d   Im p lem e n ta ti o n   o a   Hig h   S p e e d   M AP   De c o d e Arc h it e c tu re   fo T u r b o   De c o d in g ,   2 6 th   IEE E   In tern a t io n a Co n f e re n c e   o n   V L S De sig n   a n d   th e   1 2 t h   IEE In tern a ti o n a l   Co n f e re n c e   o n   Em b e d d e d   S y ste m s,  pp .   8 6 - 9 1 ,   2 0 1 3 .   [1 8 ]   S .   M .   Ka rim ,   I.   Ch a k ra b a rti ,   A n   Im p ro v e d   L o w - p o w e Hig h - th ro u g h p u lo g - M A P   T u rb o   D e c o d e r " ,   IEE T r a n s.   Co n su m.   El e c tro n . ,   v o l.   5 6 ,   n o .   2 ,   p p .   4 5 0 - 4 5 7 ,   2 0 1 0   [1 9 ]   A Z .   Jid in ,   T .   S u ti k n o ,   F P GA   I m p le m e n tatio n   o f   L o w - Are a   S q u a re   Ro o Ca lcu lato r ”,   T EL KOM NIKA   T e lec o mm u n ica ti o n ,   Co m p u t in g ,   El e c tro n ics   a n d   C o n tro l ,   2 0 1 5 1 3 (4 ):  1 1 4 5 - 1 1 5 2 .   [2 0 ]   Yi  Bo - n ian ,   T u rb o   Co d e   De sig n   a n d   Im p le m e n tatio n   o f   Hig h - S p e e d   P a ra ll e De c o d e r T E L KOM NIKA ,   Vo l.   1 1 ,   n o .   4 ,   A p ril   2 0 1 3 ,   p p .   2 1 1 6 ~ 2 1 2 3   [2 1 ]   M .   El h a ro u ss i ,   M .   Be lk a s m i,   De sig n   a n d   F P G A   I m p le m e n tatio n   o f   a   F u ll y   P a ra ll e A rc h it e c tu re   f o T u rb o   d e c o d i n g   o f   m a jo rit y   lo g ic  c o d e F o Hig h   d a ta  ra te  A p p li c a ti o n s” I n ter n a ti o n a l   J o u rn a l   o Co mp u t in g   a n d   In fo rm a t io n   T e c h n o l o g y   ( IJ CIT ) ,   V o l .   3 ,   N_ 2 ,   p p .   8 1 - 9 5 ,   2 0 1 1                           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 8 2 4     1 8 3 2   1832   B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS        Abd e lg h a n B O UD AO UD   w a s   b o r n   i n   A z il a M o r o c c o   i n   1 9 7 3 .   He   is  g ra d u a ted   f ro m   Hig h   No rm a S c h o o o f   Tec h n ica Ed u c a ti o n   (ENS ET in   1 9 9 6   a M o h a m m e d ia   M o ro c c o .   In   2 0 0 3 ,   h e   h a d   th e   d i p lo m a   o f   a g g re g a ti o n   in   e lec tri c a e n g in e e rin g   a t   ENS ET   o f   Ra b a M o ro c c o .   In   2 0 1 1   h e   o b tai n e d   t h e   M a ste in   « Las e In stru m e n tatio n   a n d   Op t o e lec tro n ic   Co m p o n e n ts”   a th e   F a c u lt y   o S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y   (F S T )   H a ss a n   Un iv e r sit y ,   S e tt a M o ro c c o .   Cu rre n t ly ,   h e   is  P h stu d e n t   in   S y ste m   A n a l y sis  a n d   In f o rm a ti o n   T e c h n o lo g y   Lab o ra to r y   ( AT S I)  in   F S T ,   Ha ss a n   Un iv e rsit y ,   S e tt a t,   M o r o c c o .         M u sta p h a   EL H AR O USS I   wa b o r n   in   A z il a M o ro c c o   i n   1 9 7 4 h e   re c e iv e d   h is  P h i n   Err o r   Co r re c ti n g   Co d e f ro m   M o h a m m e d   V   Un iv e rsity   M o ro c c o   in   2 0 1 3 .   In   2 0 1 4   h e   jo i n e d ,   a s   P r o f e ss o r,   a p p li e d   P h y sic d e p a rtme n o f   F S T ,   Ha ss a n   Un iv e rsity ,   S e tt a t,   M o ro c c o .   His   c u rre n t   re se a rc h   in tere sts  in c lu d e   h a rd w a re   d e sig n   o f   a lg o rit h m a p p li e d   to   in f o rm a ti o n   p r o c e ss in g   a n d   c o n tro o f   in d u str ial  sy ste m a S y ste m   A n a l y sis  a n d   In f o rm a t io n   T e c h n o lo g y   L a b o ra to r y   a Ha ss a n   Un iv e rsit y ,   S e tt a t,   M o r o c c o .               Elh a ss a n e   AB DELM O UN IM   w a b o rn   i n   Ou e d - Zem   M o ro c c o   i n   1 9 6 5 h e   re c e iv e d   h is  P h i n   S p e c tral  a n a ly sis  f ro m   L i m o g e s   Un iv e rsity   F ra n c e   in   1 9 9 4 .   I n   1 9 9 6 ,   h e   j o in e d ,   a P r o f e ss o r,   a p p li e d   p h y sic s   d e p a rtme n o f   F S T ,   Ha s sa n   Un iv e rsit y ,   S e tt a t,   M o ro c c o .   His  c u rre n re se a rc h   in tere sts  in c lu d e   d ig it a sig n a p r o c e ss in g   a n d   m a c h in e   lea rn in g .   He   is  c u rre n tl y   c o o rd i n a to o f   a   Ba c h e lo o f   S c ien c e   in   e lec tri c a e n g in e e rin g   a n d   h e   is  re se a rc h e a S y st e m   A n a l y sis  a n d   In f o rm a ti o n   T e c h n o l o g y   L a b o ra to ry   a Ha ss a n   Un iv e rsity ,   S e tt a t,   M o r o c c o .                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.