CMMB標準中RS編碼的FPGA實現

栗芬環

（華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640）

1 概述

廣電局頒布的移動電視傳輸標準CMMB中，信道傳輸協議是重要的組成部分[1]。其中，前向糾錯碼（FEC）在信道傳輸中尤其重要。RS糾錯碼是FEC的重要組成部分。RS編碼是多元BCH碼的一種[2-3]，在線性分組碼中，它的糾錯能力和編碼效率都是最高的。在短碼和中等碼長的條件下性能接近Shannon限。本文著重介紹標準中RS的特點、編碼的FPGA實現。

2 CMMB標準中RS編碼的特點

根據標準描述，RS編碼和字節交織是列輸入和列輸出，按行編碼的方式進行。RS碼長為240 byte的RS（240，k）截短碼。 該碼由原始的 RS（255，M）系統碼通過截短產生，其中M=k+15。k為一個碼字中信息序列的字節數，校驗字節數為（240-k）。 RS（240，k）碼有 4 種模式，分別為 k=240，k=224，k=192，k=176。RS 碼的每個碼元取自域GF（256），標準選擇的生成多項式為

產生截短碼的過程為：

1） 在 k 個輸入信息字節（m0，m1，…，mk-1）前添加 15個全“0”字節，構造為原始的 RS（255，m）。 系統碼的輸入序列為（0，0，…，0，m0，m1，…，mk-1）。

2） 編碼后生成的碼字為（0，0，…，0，m0，m1，…，mk-1，p0，p1，…，p255-M-1）。

從碼字中刪去添加的字節，得到240 byte的RS截短碼。為驗證標準中的系數與設計實現是否一致，編寫Matlab驗證代碼為FPGA提供驗證數據源。對mode=224，設計信息為從0～223，共224個信息字節。編碼所采用的Matlab程序如下：

余項結果如下：

Columns 225 through 240246 90 157 163 59 74 124 45 229 106 182 124 69 49 50 11

3 RS編碼電路

對于RS編碼，存在軟件編碼和硬件編碼方法。軟件編碼可以采用信息字節m（x）和生成矩陣G（x）相乘得到碼字[4]。硬件編碼常采用線性移位寄存器（LFSR）電路實現。

圖1給出了標準中RS（240，176）的硬件編碼電路，實現了多項式的乘法和除法運算[5]。采用該電路組成的編碼器在初始化時，需要對寄存器清零。信息字節的高位先進先出，通過開關A和B進行選擇。編碼開始時，開關打到A。當k個信息字節全部進入編碼器后，開關打到B處。此時，LFSR把0不斷地從左邊的r0移進編碼寄存器。這一過程完成了兩項操作：余項從B開關處讀出的同時進行了寄存器的清零。經過N個周期（標準為240）即可完成對k個信息字節的編碼。此后對后k個信息字節進行編碼的時候就不需要重新對寄存器清零。

上述電路都采用了有限域的乘法器，其系數由生成多項式產生，標準中產生系數的辦法如下

不同于標準DVB－C/T的生成多項式[4]為

設計符合k=224，k=192及k=176三種模式的編碼模塊。為了提高綜合效率，只須針對k=176設計，節約編碼成本。對于k=224及k=192模式，只須加載不同的乘法系數即可。例如，對于k=192模式，系數g0～g15為0，系數g16～g63加載k=192時對應的有限域乘法系數。對于k=224 模式，系數 g0～g47為 0，系數 g48～g63加載 k=224 模式下對應的有限域乘法系數。

圖2為編碼器硬件模塊結構。控制模塊發出協調信號，控制字節交織（采用RAM實現）和編碼通路選擇，以達到編碼流水線操作。

控制模塊發送有效數據至LDPC編碼模塊之間的時序關系如圖3所示。

RS模塊與LDPC模塊之間數據通信通過ldpcen信號、ldpcz信號與data信號。當ldpcen信號拉高，告知LDPC模塊開始復位，準備接受RS編碼模塊發送的數據。當ldpcz信號拉高一個周期，意味著RS模塊發送的數據有效，直至ldpcen信號拉低。

對設計模塊進行FPGA綜合驗證，綜合工具為QuartusII6.0；功能仿真工具為Modelsim6.1。器件選擇EP2S30F484C3。綜合結果為：Total ALUTs為1 572，占用6%；Total Memory bits為 1 049 600，占用 77%。

綜合結果符合標準的字節交織深度最大為432，則432×240×8＝829 440。 使用了 FPGA 內部 2 片 65 536×8 bit的RAM組成，從而占用了大量的內存。

功耗分析結果如下：設置device power characteristics為typical，工作溫度為25°。靜態功耗為367.5 mW，動態功耗為71.33 mW，I/O熱功率為27.78 mW，分析結果可信程度顯示為高。

可見，為降低功耗以及成本，經過FPGA驗證后，有必要采用ASIC流程進行芯片設計。給出其中k=224編碼模塊的經QuartusII綜合布線后仿真波形（見圖4）：設置時鐘頻率為 85 MHz； 余項數據為 246，90，157，163，59 74，124，45，229，106，182，124，69，49，50，11，與 Matlab 編碼結果數據一致。

4 FPGA驗證

CMMB RS編碼器的驗證由隨機驗證和FPGA上板測試組成，隨機驗證通過Matlab平臺產生隨機函數，通過Modelsim驗證平臺讀入隨機數據，并灌入所設計的Verilog模塊，輸出寫成txt文本，由Matlab平臺讀入校驗[5]。實時編碼硬件驗證需要把Quartus生成的bitfile下載到Altera EP2S30F484C3中。為方便驗證，直接使用了計算機VGA輸出作為動態編碼數據源，通過對數據流“編碼-解碼-重現”的過程，驗證信道編碼的正確性。FPGA驗證流程如圖5所示。

圖5中，ERC為error rate calculate模塊。經過 “編碼-解碼-重現”，當隨機錯誤產生器產生的加性誤碼干擾在信道RS編碼糾錯范圍外，顯示圖像存在雜點（誤碼干擾）。當隨機錯誤產生器產生的加性誤碼干擾在信道RS編碼糾錯范圍內，顯示圖像無雜點（無誤碼干擾），如圖6所示。

5 小結

筆者對移動多媒體新標準RS碼特點進行了分析，采用Verilog語言實現編碼的FPGA驗證與實現。結合標準中FEC特點，編碼硬件模塊在字節交織的同時進行數據發送，實現流水線操作，以此減少相應的等待延時。結合CMMB編碼特點，結合RS編碼原理，只須設計k=176編碼器，通過加載不同信息長度的編碼系數，實現k=224，k=192模式下的RS編碼。并通過“編碼-解碼-重現”驗證了RS編碼器的實際工作效果。

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[1]國家廣播電影電視總局.GY/T 220.1-2006中華人民共和國廣播電影電視行業標準[S].2006.

[2]梁煒新，王群生，牟剛.基于FPGA的通用RS編解碼器的VHDL設計方法[J].電視技術，2004，28（3）：16-20.

[3]王新梅，肖國鎮.糾錯碼原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[4]馬紅學，劉青.RS編碼器的CPLD實現[J].電視技術，2002，26（10）：52-54.

[5]栗芬環.Matlab和Modelsim數字前端設計、仿真驗證平臺[EB/OL].[2010-02-10].http：//www.leaderstudio.cn/meeting/qth/14th/other1.html.