多碼率國標(biāo)發(fā)射機(jī)信道編碼器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

黨宏社，方 鑫

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

1 引言

中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)GB20600-2006（以下簡稱“國標(biāo)”）適用于地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)字多路電視/高清晰度電視固定和移動廣播業(yè)務(wù)的幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制系統(tǒng)。國標(biāo)中的信道編碼部分采用了BCH（外碼）+QC-LDPC（內(nèi)碼）的級聯(lián)糾錯編碼技術(shù)，使誤碼糾錯能力和信號調(diào)制性能更高，系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)[1]。其內(nèi)碼采用了非規(guī)則的QC-LDPC碼，性能更加接近隨機(jī)非規(guī)則的LDPC碼。

信道編碼器作為發(fā)射機(jī)的重要組成部分，設(shè)計十分關(guān)鍵。而信道編碼器中的LDPC編碼器必須能夠進(jìn)行3種碼率的編碼工作，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)占用資源較多，對系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度有重要影響，設(shè)計難度較高。因此設(shè)計的重點(diǎn)與難點(diǎn)就是要在滿足系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低資源的消耗，達(dá)到資源消耗與系統(tǒng)性能的平衡。

2 系統(tǒng)級設(shè)計

BCH+QC-LDPC級連糾錯原理如圖1所示，TS碼流輸入分組模塊后，由模塊分組并產(chǎn)生每組的數(shù)據(jù)使能信號后輸入下一級。根據(jù)國標(biāo)要求，信道編碼器分為外碼編碼器BCH與內(nèi)碼編碼器LDPC兩部分，兩級編碼器中還添加了一個刪除前261 bit的0并按照碼率組織數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，其作用是用于編碼數(shù)據(jù)長度切換，以便達(dá)到更好的編碼效率。編碼器模塊工作時鐘為50 MHz，由一個板載50 MHz晶振產(chǎn)生。

圖1 BCH+QC-LDPC級連糾錯原理圖

3 模塊級設(shè)計

3.1 BCH編碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)國標(biāo)，BCH（762，752）碼由 BCH（1023，1013）系統(tǒng)碼縮短而成，該BCH碼生成多項(xiàng)式為GBCH（x）=1+x3+x10，可知編碼器共需10個移位寄存器。BCH編碼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BCH編碼器結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)A：前752個時鐘周期閉合，使數(shù)據(jù)輸入編碼器，進(jìn)行BCH編碼；后10個時鐘周期斷開，輸出10 bit校驗(yàn)位。開關(guān)B：前752個時鐘周期向下，輸入數(shù)據(jù)輸出；后10個時鐘周期向上，輸出10 bit校驗(yàn)位。

每個周期BCH編碼器完成一次長度為1023的編碼運(yùn)算，然后接受下一次數(shù)據(jù)輸入，進(jìn)行下次編碼。

3.2 LDPC編碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

LDPC碼的生成矩陣Gqc的結(jié)構(gòu)為[1]

式中：I是 b×b 階單位矩陣；O 是 b×b 階零陣；Gi，j是 b×b階循環(huán)矩陣，取 0≤i≤k-1，0≤j≤c-1。

LDPC 碼由循環(huán)矩陣Gi，j生成。

LDPC編碼器是整個信道編碼器的核心[2-3]，設(shè)計規(guī)模大，因此采用了自頂向下的設(shè)計方法，將這個編碼器劃分為6個子模塊：計數(shù)器控制器，數(shù)據(jù)輸入控制器，ROM總線控制器，運(yùn)算器陣列，F(xiàn)IFO控制器和輸出控制器。LDPC編碼器的整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 LDPC編碼器結(jié)構(gòu)圖

LDPC編碼器各個部分及其功能如下：

1）計數(shù)器控制器

計數(shù)器控制器控制整個編碼器內(nèi)部的工作時序。該子模塊包含3個計數(shù)器：count_127運(yùn)算計數(shù)器、count_row行列計數(shù)器和count_output輸出計數(shù)器。運(yùn)算計數(shù)器對運(yùn)算器每次載入新Gi，j首行數(shù)據(jù)后的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，每溢出一次代表完成了一次行運(yùn)算；行列計數(shù)器對行運(yùn)算的次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，每溢出一次代表完成了一次編碼；輸出計數(shù)器對輸出字進(jìn)行計數(shù)，每溢出一次代表完成了一次編碼結(jié)果輸出。

2）數(shù)據(jù)輸入控制器

該子模塊完成對運(yùn)算器陣列的輸入數(shù)據(jù)的時序控制，同時產(chǎn)生ROM地址數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行約束。

在仿真測試中發(fā)現(xiàn)了兩個問題：

（1）ROM地址數(shù)據(jù)不能與輸入數(shù)據(jù)同步，必須比輸入數(shù)據(jù)提前2個時鐘周期出現(xiàn)在總線上，否則會造成數(shù)據(jù)錯位。原因在于ROM從讀取地址到輸出數(shù)據(jù)需要2個時鐘周期。由于ROM地址數(shù)據(jù)無法提前，因此設(shè)計時將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了2個時鐘周期的延時，達(dá)到了相同的設(shè)計效果。

（2）ROM必須使用CLK全局時鐘的下降沿工作，否則會造成ROM讀取地址數(shù)據(jù)時，恰好是地址正在變化的不穩(wěn)定時刻，造成數(shù)據(jù)讀取錯誤。解決辦法是對CLK時鐘進(jìn)行反向后提供給ROM，這樣讓ROM讀取地址的時刻延遲了半個時鐘周期，解決了數(shù)據(jù)讀取錯誤問題。

3）ROM總線控制器

該子模塊只需按照輸入的碼率設(shè)定值將對應(yīng)碼率的ROM數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)總線即可。

4）運(yùn)算器陣列

運(yùn)算器陣列由35個運(yùn)算器串聯(lián)組成，使用時根據(jù)不同的碼率選擇不同數(shù)目的運(yùn)算器組成陣列進(jìn)行運(yùn)算。每1個運(yùn)算器在使用過輸入數(shù)據(jù)后，將輸入數(shù)據(jù)保持后從數(shù)據(jù)輸出口向后一級運(yùn)算器輸出。每個運(yùn)算器可通過1個移位寄存器累加（SRAA）電路構(gòu)成，采用反饋移位寄存器與邏輯門設(shè)計編碼器電路實(shí)現(xiàn)。0.4碼率LDPC需要 35個 SRAA，0.6碼率 LDPC需要 23個 SRAA，0.8碼率LDPC需要11個SRRA，但不同碼率不會同時出現(xiàn)，所以只需設(shè)計35個SRAA即可。SRAA編碼電路如圖4所示。

圖4 SRAA編碼電路

設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，雖然每個SRAA中均設(shè)計有與門，但是由于是輸入數(shù)據(jù)與127 bit矩陣數(shù)據(jù)做與運(yùn)算，結(jié)果不是127 bit的0，就是原矩陣數(shù)據(jù)。因此設(shè)計時不用刻意設(shè)計出與門，只需要利用Verilog語言的 If…else語句的特點(diǎn)，不加入else語句就會默認(rèn)保持結(jié)果，即可完成設(shè)計。

每個單個的運(yùn)算器完成以下功能：（1）獲取輸入待編碼數(shù)據(jù)比特和ROM數(shù)據(jù)；（2）若輸入待編碼數(shù)據(jù)為1，則將ROM數(shù)據(jù)與結(jié)果寄存器中的數(shù)據(jù)按位異或后存入結(jié)果寄存器；若輸入為0，則什么也不做；（3）將ROM數(shù)據(jù)循環(huán)右移1位，同時將本次運(yùn)算的輸入待編碼數(shù)據(jù)輸出給下一個運(yùn)算器。運(yùn)算器只需不停地實(shí)現(xiàn)以上3個功能，即可完成運(yùn)算任務(wù)。外部數(shù)據(jù)輸入控制由數(shù)據(jù)輸入控制器完成。

下面以碼率為 0.4的 LDPC（7493，3048）碼為例，詳細(xì)說明運(yùn)算過程。矩陣Gi，j如圖5所示。

圖5 SRAA陣列運(yùn)算示意圖

第1個時鐘到來時：第1個比特進(jìn)入運(yùn)算器1，與進(jìn)入鎖存器中的ROM首行127 bit數(shù)據(jù)（即G[0][0]）做與運(yùn)算，結(jié)果放入data_out臨時寄存器中，鎖存器中數(shù)據(jù)右移1位，同時將第1個比特輸出至運(yùn)算器2的bit_in數(shù)據(jù)輸入線上。

第2個時鐘到來時：第2個比特進(jìn)入運(yùn)算器1，與已移位的鎖存器中數(shù)據(jù)（即國標(biāo)文件中的G[0][1]）做與運(yùn)算，再與data_out中的數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算，并放入data_out中，鎖存器中的數(shù)據(jù)右移1位；同時運(yùn)算器2完成上一步運(yùn)算后，把第1個比特輸出至運(yùn)算器3；運(yùn)算器1把第2個比特輸出至運(yùn)算器2中。

第3～35個時鐘完成如前兩步所示。

第36～127個時鐘到來時：ROM數(shù)據(jù)停止輸入，運(yùn)算器繼續(xù)完成與鎖存器中移位數(shù)據(jù)的運(yùn)算過程。

第128個時鐘到來時：ROM被輸入新數(shù)據(jù)（G[1][0]），完成一個小陣（127×127）的運(yùn)算。

當(dāng)運(yùn)算器運(yùn)算結(jié)束時，讀出運(yùn)算結(jié)果，同時ROM地址復(fù)位，給運(yùn)算器重新賦入數(shù)據(jù)（即G[0][0]）。

得到的127×35=4445個數(shù)據(jù)為校驗(yàn)位，輸出到127×24=3048 個原始數(shù)據(jù)前，組成 LDPC（7493，3048）碼。

5）FIFO控制器

該子模塊的任務(wù)是將最后一個運(yùn)算器輸出的輸入數(shù)據(jù)按127 bit組合為一組，存入FIFO中，待校驗(yàn)碼輸出完畢后輸出。

6）輸出控制器

在輸出控制器中，若輸出使能位被計數(shù)器控制器置1，則與輸出計數(shù)器同步運(yùn)行，將每個運(yùn)算器輸出的運(yùn)算結(jié)果輸出至輸出口上。設(shè)計時僅需注意在輸出第一個127 bit校驗(yàn)位時需要將indication輸出線輸出高電平，以便后級處理時使用。

4 系統(tǒng)仿真與測試驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)仿真

編譯結(jié)果表明，整個信道編碼器占用了Altera的EP1S30B956C5芯片的12874個 （40%）邏輯單元與287060 bit（9%）存儲器。

在經(jīng)過時序仿真后，圖6的BCH編碼器輸出結(jié)果示意圖表明了輸出BCH編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，按照程序設(shè)計的方式工作并輸出了正確的結(jié)果。

圖6 BCH編碼器輸出結(jié)果示意圖

LDPC輸出示意圖如圖7所示。address地址信號在使能信號輸入前2個時鐘周期將數(shù)據(jù)送入了ROM，完成了各個模塊的時鐘同步。每個時鐘周期下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤；各個約束條件都發(fā)生了作用，在合適的時刻控制地址線，完成了地址的輸入切換。所有的輸出結(jié)果都準(zhǔn)確，時序正確；在編碼輸出的同時，與新一次的編碼運(yùn)算銜接得很好。

4.2 測試驗(yàn)證

測試與驗(yàn)證主要是檢驗(yàn)設(shè)計的信道編碼器能否準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速地對每個輸入比特完成編碼。

圖7 LDPC輸出示意圖

將編譯通過的編碼器在Quartus II中加入邏輯分析儀后再編譯下載至芯片，連接測試數(shù)據(jù)輸入模塊，將編碼器的所有控制與數(shù)據(jù)信號加入邏輯分析儀中[4]，然后將預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)輸入，檢查各個信號線的輸出是否正確；若各個信號無誤，則將芯片的工作頻率逐漸上調(diào)，直到數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤停止，測試最高工作頻率。

在測試過程中，每一步均采集了大量數(shù)據(jù)，并與Matlab仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并未發(fā)現(xiàn)誤碼，說明上述設(shè)計的信道編碼器能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速地對每個輸入比特完成編碼。工作頻率測試發(fā)現(xiàn)上述設(shè)計的信道編碼器的最高工作頻率為60 MHz，為了保證運(yùn)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，正常使用時采用50 MHz時鐘工作，而實(shí)際需要的最高時鐘頻率為6×7.56 MHz=45.36 MHz，這說明所設(shè)計的編碼器完全滿足系統(tǒng)需要。

4 小結(jié)

筆者提出了一種三碼率、低復(fù)雜度、可擴(kuò)展的國標(biāo)數(shù)字電視信道編碼器的結(jié)構(gòu)，該編碼器可根據(jù)設(shè)定的編碼碼率，自動進(jìn)行對應(yīng)碼率的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)前端編碼工作。該結(jié)構(gòu)資源消耗低，配置簡單靈活，吞吐率大。

[1]GB 20600-2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，信道編碼和調(diào)制[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2]楊抒文，彭克武，潘長勇.DTMB發(fā)射機(jī)LDPC編碼器的設(shè)計與優(yōu)化[J].電視技術(shù)，2008，32（7）：4-5.

[3]王文君，朱曉暄，康桂霞，等.結(jié)構(gòu)化LDPC碼的高速編譯碼器FPGA 實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2008（23）：113-118.

[4]齊志強(qiáng)，葛建華，尚文靜.地面數(shù)字電視國標(biāo)編碼器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2007，31（10）： 35-36.