（信号与信息处理专业论文）dvbs信道解码技术的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 欧洲广播联盟提出的数字视频广播标准即d v b 系列标准，融合了先进的信息 处理技术，得到了许多国家的支持。我国采用数字卫星电视广播标准，即d v b s 作为国家标准。作为数字卫星电视接收机的重要组成部分，现今市场上多数的 d v b 。s 信道解码芯片除了信道解码功能外，并不具备误码统计能力，其它芯片如 s t 0 2 9 9 ，虽然能输出误码统计数值，但是其不足之处是只能通过配置寄存器，每 次输出某一种误码统计数据，不能同时输出多种数据。本文研究实现了集信道解 码功能和误码监测功能于一身的d v b s 信道解码f p g a 芯片，该芯片能够在不中 断数字视频广播通信的前提下对信道质量进行监测评估，同时输出四种不同的误 码统计数据。 论文主要研究了d v b s 信道解码技术中卷积码的维特比解码、解卷积交织、 里德一所罗f - j ( 2 0 4 1 8 8 ) 解码和解随机化等各个环节的理论基础和硬件实现方法，重 点研究了维特比解码和里德所罗f 3 ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 解码的f p g a 设计实现：引入了基于 软件流水线技术的回溯法来实现维特比解码器中的幸存路径管理电路，与利用寄 存器交换法实现的维特比解码器相比，该算法大大减少了硬件资源消耗，与利用 一般回溯法实现的维特比解码器相比，又极大的提高了解码速度，满足d v b s 解 码系统实时解码的要求；采用了基于线性反馈移位寄存器的b e r l e k a m p m a s s e y 迭 代算法实现里德所罗f 1 ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 解码器中的关键电路计算，从而大大降低了电路 复杂度。并设计了一种全新的并行输入并行输出的解随机化电路，从而简化了操 作步骤，避免了异步时钟域的出现，减少了系统潜在的不稳定因素。在完成以上 工作的基础上，本文设计实现了可以同时输出4 种误码统计数据的误码监测器。 整个d v b s 信道解码器各个模块的r t l 级代码用v e r i l o gh d l 编写，并在 x i l i n x 公司的x c 2 v p 3 0 芯片上通过了综合后的仿真验证，整个解码系统在综合实 现后通过了板级验证。 关键词：数字卫星电视广播，现场可编程门阵列，维特比解码器，软件流水线技 术，里德所罗门解码器。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t a n d a r & f o rd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n ga r ep r o d u c e db yt h ee u r o p e a n b r o a d c a s t i n gu n i o n 1 h e ya r es u p p o r t e db ym a n yc o u n t r i e s d v b s ，t h es t a n d a r df o r d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s to v e rs a t e l l i t e , i sa d o p t e di l l st h en a t i o n a ls t a n d a r di nc h i n a d v b - sf e c c h i pi st h ei m p o r t a n tp a r to fd v b sr e c e i v e r s o m eo ft h e s ed v b sf e c c h i p sa r eo n l yi n t e g r a t e dw i t hf e cd e c o d i n gf u n c t i o na n dc a n te v a l u a t ec h a n n e l s q u a l i t y o t h e rc h i p sl i k es t 0 2 9 9t h o u g hh a v ea b i l i t yt oo u t p u ts t a t i s t i c a ld a t ao fe r r o r c o d e s ，t h e yc a l lo n l yo u t p u to n ek i n do fs t a t i s t i c a l d a t aa tat i m e t h i sd i s s e r t a t i o n a c c o m p l i s h e st h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fd v b - sf e cd e c o d e ri n t e g r a t e dw i t h e r r o rm o n i t o r , w h i c hc a ne v a l u a t ec h a n n e l sq u a l i t ya n do u t p u tf o u rd i f f e r e n tk i n d so f s t a t i s t i e a ld a t ao f e r r o rc o d e sw h i l ed e c o d i n gi sp e r f o r m i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b a s i ct h e o r i e sa n ds p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fv i t e r b i d e c o d e r , d e - i n t e r l e a v e r , r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) d e c o d e ra n dd e - s c r a m b l e ra r ed i s c u s s e d v i t e r b i d e c o d e ra n dr s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) d e c o d e ra r ef o c u s e do n t r a c eb a c ka l g o r i t h mb a s e do n s o f t w a r ep i p e l i n i n gi si n t r o d u c e dt oi m p l e m e n tt h es u r v i v o rp a t hm a n a g e m e n to f v i t e r b i d e c o d e r , w h i c hr e d u c e sr 韶o u r c oc o n s u m p t i o no f t h ed e s i g na n ds p e e d su pt h ed e c o d i n g b e r l e k a m p - m a s s e yi t e r a t i v ea l g o r i t h mb a s e do nl i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r ( l f s r ) i sa d o p t e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo f r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) d e c o d e rc i r c u i t a ne r r o rm o n i t o ri s d e s i g n e d 丘n a l 墩w h i c hc a l lo u t p u tf o u rd i f f e r e n tk i n d so fs t a t i s t i c a ld a t ao fe l l o rc o d e s a ta t i m e a l lm o d u l e s r t lc a ) d e sa r ew r i t t e ni nv e r i l o gh d l ，s y n t h e s i z e da n dv e r i f i e do n x i l i n x sx c 2 v p 3 0 t h ee n t i r es y s t e mi so n l i n ea n a l y z e db yc h i p s e o p ep r oa n dt h e o u t c o m ei sc o r r e c t k e y w o r d s ：d v b - s ，f p g a ，v i t e r b id e c o d e r , s o f t w a r ep i p e l i n i n g , r sd e c o d e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盘且固窘 日期：? “7 年毕月2 9 日日期：? 一年毕月o ，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：删导师签名： 日期：州 第一章引言 第一章引言 数字电视技术的发展，大大提高了广播电视节目的技术质量、制作能力和工 作效率，扩展了频道资源，拓宽了业务能力，开创了卫星、有线和地面电视的新 体系和新局面，给广播电视带来了一场深刻地变革和前所未有的发展机遇。 1 1课题背景及发展现状 所谓数字电视，严格地说就是从信源开始，将图像画面的每一个象素、伴音 的每一个音节都用二进制编码成多位数据，在经过高效的信源压缩编码和前向纠 错编码、交织与调制等措施的处理后，以非常高的比特率进行码流发射、传输和 接收的系统工程。仅在接收端的显像管和扬声器的输入端，分别得到经数模转换 后的模拟视频信号和模拟环绕立体声音频信号。相对于传统模拟广播电视，数字 电视具有图像质量高，频道利用率高等优点，它代表着现代电视技术的发展潮流， 因而正日益成为现代电视系统的主流。 数字电视的发展大致可以分为三个阶段。 第一个阶段为个别电视设备的数字化阶段。例如摄像机信号处理部分的数字 化、电视制式转换器与数字特技等。 第二个阶段为全功能数字电视演播室阶段。在数字演播室中，电视信号从摄 像机输出到后期制作完全是在数字环境下进行的。 第三个阶段为数字电视广播阶段。数字电视广播实现了数字电视信号的直接 发射和接收，这一步完成了整个电视系统的数字化，意味着电视节目的拍摄、记 录、后期加工、编辑制作、存储、交换、分配发送以及接收等环节，都是在全数 字环境下进行的。 欧洲d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，即数字视频广播) 组织于1 9 9 3 年提出 了数字视频广播标准，即d v b 标准，包括数字卫星电视广播标准d v b s 【1 】、数字 电视有线广播标准d v b c 、数字电视地面广播标准d v b t 。 d v b s 是d v b 最先制定的传输标准，可适用于多种卫星广播系统。它规定了 电子科技大学硕士学位论文 通过卫星进行数字电视广播的方法，主要包括信道编码与调制技术。d v b s 数据 流调制采用q p s k 方式，工作频率为1 1 g h z 1 2 g h z ，当使用m p e g 2 m l 格式时， 如果用户端达到i t u r 6 0 1 演播室质量，码率为9 m b s ；若达到p a l 质量，码率为 5 m b s 。一个5 4 m h z 卫星转发器( t r a n s p o n d e r ) 的传输速率可达6 8 m b s ，可用于 多套节目的复用，d v b s 标准几乎为全球所有的数字电视卫星广播系统所用。 接收卫星电视广播信号的数字卫星电视接收机，也就是数字卫星机顶盒，将 卫星传输的数字电视信号，经过信道解码、信源解码，把传输的数字码流转换到 压缩前的形式，再经过d a 转换和视频编码后送到普通电视接收机。它包括许多 不同的功能模块，而且要求这些功能模块能受集中控制而协调工作。对于机顶盒 整机解决方案，国内先后出现了七片、五片、四片、三片、两片等多种形式。 七片机方案：国内最早出现的一批数字卫星接收机就是七片方案，其代表 是p h l i p s 公司的产品，包括双路模数转换器t d a 8 7 0 5 、数字解调器 v e s 4 1 4 3 、信道解码器v e s 5 4 5 3 、解多工复用器s a a 7 2 0 5 、音视频解码 器s t 、，3 5 2 0 、视频编码器s 从7 1 8 2 和3 2 位微处理器。 五片机方案：五片机的代表是s t 公司的产品，其特点是采用双路模数转 换器s t v 0 1 9 0 、数字解调和信道解码器s t v 0 1 9 6 、音视频解码器s t v 3 5 2 0 、 视频编码器s t v 0 1 1 8 以及将解多工复用器和3 2 位微处理器合并的 s t 2 0 - t p 2 。 四片机方案：p h l i p s 公司和s t 公司的四片机方案类似，区别在于使用 了不同的芯片实现相同的功能。以p h l m s 公司的四片机方案为例，它采 用了数字解调和信道解码器t d a 8 0 4 3 、音视频解码器s a a 7 2 0 1 、视频编 码器s a a 7 1 8 3 以及合并了解多工复用、微处理功能的s a a 7 2 0 8 。 三片机方案：在p h l 口s 公司提出的三片机方案中，前端的模拟解调不再 使用频率为4 7 9 5 m h z 的第二中频，而直接使用零中频送入双路a d c 内。 与四片机方案相比，除了相应功能使用新一代的芯片实现外，还将音视频 解码、视频编码甚至视频数模转换集成到了一块t d a l 3 0 5 芯片内，从而 减少了整机的芯片数目。 两片机方案：f u j i t s u 公司的两片机方案在国内市场十分流行，它采用了一 体化的调谐解调解码器和集成了解多工、音视频解码、3 2 位微处理功能 的m b 8 7 l 2 2 5 0 芯片。而s t 公司的s t i 5 5 0 0 ，不仅具有m b 8 7 l 2 2 5 0 的全 2 第一章引言 部功能，还集成了视频编码功能，从而实现了真正意义上的两片机方案。 这款机型作为准单片方案，是国内外的主流产品。 1 2 课题研究意义 在上述方案中，我们可以看到机顶盒整机的集成度越来越高，体积越来越小， 成本越来越低。然而，我们也很惋惜地看到，占据市场的产品主要都来自国外， 而对于这样具有高科技含量、高附加值、巨大市场前景的领域，我们一定要拥有 具有自主知识产权的产品，加快我国的数字电视产业化进程。 而且，现在占据市场的部分d v b s 信道解码芯片除了解码功能外，并不具备 误码统计能力，其它一些芯片如s t 0 2 9 9 ，虽然能输出误码统计数值，但是只能通 过寄存器配置输出某一种误码统计数，不能同时输出多种数据，不便于评估分析 信道的通信质量。因此，研究实现集信道解码功能和多样化误码监测功能的d v b 。s 信道解码芯片，具有很高的应用价值。 1 3课题任务及论文结构 本论文的主要任务是：通过对d v b s 信道解码技术的研究，采用f p g a 架构 2 1 在x i l i n x 公司的f p g a 芯片x c 2 v p 3 0 t 3 l 上设计开发一块集成度高，具有多种误 码监测功能的d v b s 信道解码器芯片。整个d v b s 信道解码器芯片各个模块的 r t l 级代码用v e r i l o gh d l l 4 j 5 6 】编写。 本论文的任务重点是： 研究并实现基于软件流水线技术的维特比解码器。相比同类设计，本设计 中的维特比解码器在节省硬件资源，提高解码速度，保证解码性能等方面 都具有一定的优势。 研究并实现基于b m 迭代算法的r s 解码器，降低硬件复杂度。 在上述工作的基础上，设计实现误码监测器。该误码监测器能够在不影响 数字视频广播的前提下，同时提供多种误码统计数据，用于监测、评估信 道质量。 本章通过对数字电视的介绍引出了本论文的主要任务，即研究d v b s 信道解 3 电子科技大学硕士学位论文 码技术，并在f p g a 上设计实现其解码芯片。 第二章介绍了d v b s 的传输系统，主要研究了d v b s 的信道编解码技术的 理论基础。 由于在d v b s 信道解码模块中，d v b s 内码解码模块( 维特比解码器) 和外 码解码模块( r s 解码器) 无论从解码理论还是硬件实现上都是相对复杂的，因此 在第三章和第四章分别完成它们的f p g a 设计实现工作，并给出了仿真验证结果。 第五章完成了解卷积交织和解随机化模块的设计和仿真工作。 第六章完成了误码监测器的设计和仿真工作。 第七章完成了d v b s 信道解码器的整机测试方案的制定，并给出了测试结果。 第八章是结论，总结了本论文的主要工作重点。 4 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 d v b 标准是一个系列标准，各标准在视频、音频编码以及系统复接方案上一 致，均符合m p e g 2 标准，主要区别在于传输系统采用不同方案，以适用于不同 传输媒介与应用环境。 m p e g - 2 缩浠鳊弼及复用卫越信堪斌髦嚣 l 援颧编码 一 已 l 啻额编弼 一 蕊 踅 蓐 丑 用僚 簪 适 羹 卷内 成 q 嚣 配 委 祝码 形 p s l 数搬缓鹞i - - - - 鐾一空卷k 颦 据 祝 袄 掰 谶 靛 誊 繁 扩搀 期 艘雄 图2 1d x r b s 系统功能模块图 d v b s 的传输系统就是图2 - 1 中的卫星信道适配器，它对码流做如下处理： 复用适配，能量扩散。 外码r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码。 卷积交织。 内码卷积码编码，删节操作。 基带成形。 q p s k 调制。 而d v b 的传输数据包( t s ) ，即进入信道适配器的数据包的格式是统一的， 由1 8 8 个字节组成，第一个字节为同步字节4 7 。在接收端，数字信号经过相应 的逆操作之后，送给解复用器。下面分节对各个模块进行介绍。 2 1复用适配以及能量扩散随机化 首先进行复用适配，将每8 个t s 包组成1 个超帧。并将每个超帧中的第一个 5 电子科技大学硕士学位论文 包的同步字节反转，即由4 7 h ( 0 1 0 0 0 1 1 1 ) 变成b 8 。( 1 0 1 1 1 0 0 0 ) ，为能量扩散随机 化处理作准备。 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中0 、l 是等概率出 现的。另一方面，在接收端进行解调时必须先提取出比特时钟。比特时钟的提取 是利用传输码流中0 、1 之间的波形跳变来实现的，而连续的0 或1 将带来困难。 能量扩散随机化就是利用伪随机二进制序列发生器产生的伪随机序列对传输码流 进行扰码，避免码流中出现长串的“0 ”或“l ”。 在d v b s 的接收端，只要将r s 解码器输出的数据再次执行随机化操作即可 解随机化。 2 2 外码编解码( r sc o d e c ) r s ( r e e d - s o l o m o n ) 码是一种纠错能力很强的多进制b c h 码【“。r s 码不仅是生 成多项式的根取自g f ( 2 ”) 域，其码元符号也取自g f ( 2 “) 域。也就是说，在一个 ( 栉，的r s 码中，输入信号分成k m 比特一组，每组包括k 个符号，每个符号由m 个比特组成。 一个纠t 个符号错误的r s 码有如下参数【8 】： 码长：，l = 2 4 1 个符号，或m ( 2 ”一1 ) 个比特 信息段：k 个符号，或m k 个比特 监督段：r l k = 2 t 个符号，或m ( n 一个比特 最小码距：d m i n - - 2 t + 1 个符号，或m ( 2 f + 1 ) 个比特 r s 码是一个极大最小距离码，也就是说，对于给定的( n ，k ) 分组码，没有其它 码的最小距离比r s 码的更大。这充分说明r s 码的纠错能力很强。 一个( ，l ，七) r s 码的最小距离和码重分布完全由k 和”两个参数决定，这非常有 利于根据指标设计r s 码，也是r s 广为应用的原因。 在d v b 系统中，外码编码采用( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 的r s 码，此r s 码的长度在 原理上应为n = 2 8 1 = 2 5 5 字节，实施上述r s 编码时，先在1 8 8 字节前加上5 1 个 0 字节，组成2 3 9 字节的信息段，然后根据r s 编码电路在信息段后面生成1 6 个 监督字节，得到所需的r s 码。 6 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 假设r s 编码后的码字多项式为c ( 功，接收到的码字多项式，( 砷= c ( 曲+ e c x ) ， 错误图样为e ( 功，并表示为： r s 解码的基本思想就是：从接收多项式，( 功找出错误位置和错误值，即错误 图样p ( 功的系数岛( f = o ，1 ，n - 1 ) ，从r ( 功中减去g ( 力就得到解码后的正确码字 c ( 功= r ( 力一e c x ) 。若信道产生t 个错误，则错误图样e ( 曲可表示为： t e c x ) = y l x + e + + 纱= 黟 m 其中：誓g f ( 2 “) 为错误值，为发生错误的位置。如果r ( 功有t 个错误， 则e ( 功共有t 项y ；z 7 ( ，= 1 ，2 ，f ) 。 r s 的解码算法主要有两种例：时域解码算法和频域解码算法。由于频域解码 算法在实现上需要更多的硬件开销，因而本设计采用时域解码算法来实现 r s ( 2 0 4 1 8 8 ) 解码器。r s 时域解码算法通常可以分为5 个步骤，分别为伴随式计算、 关键方程计算、错误位置计算、错误值计算和纠错输出。 2 2 1 伴随式计算 根据接收到的码字多项式，( 力计算伴随式最o = l ，2 ，2 t ) 的值，就是将 o = 1 ，2 ，2 0 代入接收多项式，( 砷中求出岛的值： 邑= ( 口) o + 吒( 盯) 1 + 吃( 口) 2 + + ) 4 - 1 i = 1 ，2 ，2 f ( 2 1 ) 若全部的s 。都为0 ，则认为传输过程中没有发生错误，若墨不全为0 ，则发生 了错误，需要根据只找出错误图样e ( 功。 墨= 巧( 口) 7 州 若令 4 ) 7 ；z ，则上式可写成 f 墨= 瞩 j 一 7 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 护一n 托以 扣扣卜 叩叩例 + + 勺 = = = 力力力西“ 电子科技大学硕士学位论文 r s 解码就是解有限域g f ( r ) 上的这组伴随式的非线性方程组，求出未知数 错误位置和错误值巧，一般避免直接求解非线性方程组，而采用间接的方式， 先计算得到错误位置多项式盯( 功和错误值多项式c o c x ) 。 2 2 2 关键方程计算 1 9 6 6 年b e r l e k a m p 提出了由s ( 力求盯( 功的迭代解码算法，极大的加快了求 盯( 功的速度，在实现上比较简单，且易于在计算机上完成；1 9 6 9 年，m a s s e y 指出 了迭代解码算法与序列最短线性移位寄存器之间的关系，并进行了简化【1 0 】，自此 后把这种解码算法称为b m 迭代解码算法，它的基本原理如下： 错误位置多项式： 设： t 盯( 力= 1 + q x + c r 2 ，+ + 吼，= n ( 1 一x j x ) ( 2 - 4 ) l l f j ( 力= l + j 。x + s ：x 2 + = 丑= ( 弓_ x ； ( 2 5 ) 降oi - - - o ，- l 作乘积j ( 石) 仃( 功，并用m ( 工) = 1 + c a l x + c 0 2 x 2 + 表示该乘积，得到： 又因为： ( 2 - 6 ) 岛“+ 丑q + 墨一i 毛+ + s t o t = 0 $ t + 24 - t + l q + 吒+ + s 2 q = o ( 2 - 7 ) 岛l + 屯f - l q + 屯卜2 0 i + + s t o t = 0 所以，式( 2 - 6 ) q a 大于一的系数均为0 。由于盯( 功的次数为t ，而式( 2 6 ) 中的最 高次数为t ，所 c o ( x ) 的最高次数不大于t 。因此s ( 刁和盯( 功都只要选到一次即可， 由于s ( 功盯( 功的最高次数不大于2 f ，可推出 s ( 功盯( 功- - - ( o ( x ) ( m o d x 2 ”1 )( 2 8 ) 8 、妒 窖鞲 筠 嚣咐翟州 删如小 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 称此方程为求解错误位置多项式盯( 曲的关键方程。 所谓用迭代法求解关键方程，就是首先选择一组或两组合理的初值盯( 0 和 国( o ( ，然后开始第一次迭代运算求得盯( 1 ( 功和m 【1 ( 力，并用仃o ( 功和国o ( 功表 示它们。这样依次进行，由c r ( o ( 功和c o ( 0 ( 力求得仃竹”( 功和0 3 ( t + 1 ) ( 善) ，也就是首先 计算满足上式的s ( 功和盯( 功的低次项，然后通过迭代得到s ( 劝和盯( 力的高次项， 最后解出满足上式的盯( 功和街( 力。 2 2 3 错误位置计算 解盯( 功的根，就是确定，( 功中哪几位产生了错误。设 ， ) = + + + ，一，为了要检验第一位。是否错误，相当于解码器要确定 口“是否是错误位置数，这等于检验口巾- 1 是否是盯( 力的根。若口巾。是盯( 功的根， 则 o - c a - ( n - 1 ) ) = 仃( 口) = 1 + c r l o t + ( r 2 0 t 2 + + 噶口= o ( 2 - 9 ) 所以得到了盯( 功后，为了译。，解码器首先计算q 口，吒盯2 ，吒，然后计 算它们的和是否为一l 。若是，则口”1 是错误位置数，。码元是错误的；否则。是 正确的。同理可以检验其它位上的数据是否错误。 以上搜索过程即称为钱氏搜索。 2 2 4 错误值计算 利用f o m e y 算法，根据错误值多项式c o ( x ) 来计算错误值。 着实际产生的错误个数，f ，则： s t = 蹦 ( 2 - l o ) k f f i l s ( 力= l + s l x + s 2 x 2 + 一1 + 。( 2 1 1 ) = 1 + ( 墨) 一= 1 + ( 耳( ( 功) 由 妻如乙ai ( 2 - 1 2 ) 智 卜a 9 电子科技大学硕士学位论文 可知： 舡闩+ 喜毒 ( 2 1 3 ) 所以： 删- ( 1 + 喜圭砻喇叫砷州嘻卷叫功( m o d 4 ) 由于恒等式左边最高次数为2 t ，故上式为 盯言慧刮功叫功 求盯( 功的导数： 毒帅荆砉孳叫圹删 陋 ft t 盯。( x ) = ( 兀( 1 - x i x ) ) = 一薯兀o - x j x ) ( 2 - 1 7 ) “1 舞 令并= 百1 ，则上式成为： 所以： t 盯( 百1 ) = 一兀( 1 一- i 1 ) 舞 t 一口( 巧1 ) 可1 = 1 7 0 一百1 ) 篇 ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 由( 2 1 6 ) 可得： w 血j = l ( 1 一删+ 删窆j = l 麓叫功叫功 州，“1 。甲 ( 2 2 0 ) 令x = 可1 ，则上式成为： 1 0 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 誓五百1 1 - i o 一一百1 ) = ( 可1 ) ( 2 - 2 1 ) ；i ； 把式( 2 一1 9 ) 代入上式便知： 誓薯( 一盯( 可1 ) ) ( 百1 ) = c o c x ；1 ) ( 2 - 2 2 ) 所以错误值： 誓= 谢o r ) i 五j 找到错误的位置和错误值之后，只需从相应的错误位置的码字中减去错误值， 就可以得到纠错后的正确码字。 2 3内码编解码( 删节卷积码，c o n v o l u t i o n a lp u n c t u r e dc o d e c ) 分组码是把k 个信息段编成月个码元的码字，每个码字的，l 一i 个校验位仅与本 码字的k 个信息段有关，而与其它码字无关。为了达到一定的纠错能力和编码效率， 分组码的码长一般都比较大。编解码时必须把整个信息码组存贮起来，由此产生 的解码延时随，l 的增加而增加。 1 9 5 5 年e l i a s 发明了卷积码。它也是将_ j 个信息段编成诈个码元，但k j 通 常很小，特别适合以串行形式进行传输，延时小。与分组码不同，卷积码编码后 的栉个码元不仅与当前段的k 个信息段有关，还与前面的n 一1 段信息段有关。同 样，在解码过程中不仅利用此时刻收到的码元，还利用以后若干时刻收到的码元 来提取解码信息。 卷积码的纠错性能随k 的增加而增大，而差错率随的增加而指数下降。由 于卷积码的编码过程充分利用了码字间的相关性，因此在码率和复杂性相同的条 件下，卷积码的性能优于分组码。但卷积码没有分组码那样严密的数学结构和数 据分析手段，目前大多是通过计算机进行好码的搜索。 d v b s 内码采用( 2 ，1 ，7 ) 卷积码，基本电路结构如图2 - 2 所示，1 个信息比特生 成2 个编码比特，码率r l = k n = 1 2 ，虽然编码效率低，但纠错能力强。如果传输 信道质量较好，为提高编码效率，d v b s 给出多种可供选择的删节卷积码， 信系统中 蠖2 莉 图2 2l 2 码率的基本卷积码电路结构 图2 3 【2 ，1 ，3 ) 卷积码编码器 图2 4 ( 2 ，l ，3 ) 卷积码编码器状态图 1 2 、 。，i 挎 槐骶篇嚣 赫 比解它涛比， 鲥黼删气黼 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 虽然状态图能表示卷积编码器在不同输入序列下，编码器各状态之间的转移 关系，但并不能表示出编码器状态转移与时间的关系。为了表示这种关系，可以 用篱笆或网格( t r e l l i s ) 虱来表示，如图2 5 所示。此图是l = 5 时，该( 2 ，1 ，3 ) 码的篱 笆图，即将状态图在时间上展开。它由节点和分支组成，共有+ 州个单位时间( 节 点) ，以0 至工+ ，1 1 表示。若编码器从s o ( 0 0 ) 状态开始，并且结束于状态，则 最先的2 个时间单位( 0 ，1 ) ，相应于编码器由s o 状态出发往各个状态行进，而最 后2 个时间单位( 6 ，7 ) ，相应于编码器由各状态返回到s o 状态。因而，在开始和 最后2 个时间单位，编码器不可能处于任意状态中，而只能处在某些特定状态( 如 品，b t ) 中之一，仅仅在其它时间单位，编码器可以处于任何状态之中( 即4 个状 态， ，s 2 ，毛中之任一个) 。 篱笆图中每一状态有两个输入和两个输出分支。在某一时间单位( 节点) i ， 离开每一状态的虚线分支( 下面分支) ，表示输入编码器的信息子组m = 1 ；而实 线分支( 上面分支) 表示此时输入至编码器的信息子组巩= 0 ；每一分支上的2 个 数字表示第i 时刻编码器输出的子组q = 如o ，e 2 ) ) ，因而篱笆图上的每一条路径都 对应于不同输入的信息序列。由于所有可能输入的信息序列共有2 舭个，因而篱笆 图上可能有的路径也有2 舢条，相应于2 舭个长为圮= 犯+ m 一1 ) n o 的不同码序列。 圈2 - 5 ( 2 ，1 ，3 ) 码l = 5 时的篱笆图 一般情况下，( n o ，m ) 卷积码编码器有共有2 岛枷。1 个状态，若输入的信息序 列长度是厶+ 劬一1 ) k o ( 后咖一1 ) 岛个码元全为o ) ，则进入和离开每一状态的各 有2 b 条分支，在篱笆图上有2 址条不同的路径，相应于编码器输出的2 址个码序列。 编码器送出的码序列c ，经过离散无记忆信道( d m c ) 传输后送入解码器的是序 列r = c + e ，e 是信道错误序列。解码器根据接收序列皿，按最大似然译码准则力 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图找出编码器在篱笆图上所走过的路径，这个过程就是解码器计算、寻找最大似 然函数 m j a x l o 岛p ( r i q ) j = l ，2 ，2 舭( 2 2 4 ) 的过程，或者说解码器计算、寻找具有最大“度量”的路径过程，即寻找 m m ( r i c j ) j = l ，2 ，2 舭( 2 2 5 ) 的过程。式中，膨 l q ) 2 l o g 一尸( r l q ) 是q 的自然函数也称为q 的路径度量。 对b s c 信道而言，计算和寻找有最大度量的路径，等价于寻找与五有最小汉 明距离的路径，即寻找 m 如d ( r ，c ，) j = 1 ，2 ，2 舢( 2 2 6 ) 对二进制输入q 进制输出的d m c 信道而言，就是寻找与丑有最小软距离的 路径，此时的度量就是软判决距离。 呼t 假，巳) ，= 1 2 一，2 舭( 2 - 2 7 ) 式中，置与c 。是接收序列矗与c ，序列的q 进制表示。 但是，用上述这些方法解码是是难以实现的。例如l = 5 0 ，t o = 3 ，k o = 2 ， 则共有2 舭= 2 ” 1 0 ”个码序列( 或篱笆图上的路径) 。如果在一秒钟内送出这 k o l = 1 0 0 个信息元，则信息传输率只有1 0 0 b i t s ，这是很低的。但即使是在如此低 的信息速率下，也要求解码器在一秒钟的时间内计算、比较1 0 3 0 个似然函数( 或汉 明距离、软距离) ，这相当于要求解码器计算每一个似然函数的时间小于1 0 s ， 这是根本无法实现的。更何况通常情况下三不是几十，而是成百上千，甚至无穷 尽，因此，必须寻找新的最大似然解码算法。 维特比算法正是为解决上述困难所引入的一种最大似然解码算法。它并不是 在篱笆图上一次比较所有可能的2 舭条路径，而是接收一段，计算、比较一段，选 择一段最可能的码段，从而达到整个码序列是一个最大似然函数的序列。现把维 特比解码算法的步骤简述如下： ( 1 ) 从某一时间单位，开始，对进入每一状态的所有长为，段分支的部分路径， 计算部分路径度量。对每一状态，挑选并存贮条有最大度量的部分路径 1 4 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 及其部分度量值，称此部分路径为幸存路径。 ( 2 ) _ ，增加1 ，把此时刻进入每一状态的所有分支度量，和同这些分支相连的 前一时刻的幸存路径的度量相加，得到了此时刻进入每一状态的幸存路 径，加以存贮并删去其它所有路径，因此幸存路径延长了一个分支。 ( 3 ) 若k 叶i n 1 ，则重复以上各步，否则停止，解码器得到了有最大路径度量 的路径。 由单位时间m 1 直至厶篱笆图上2 b 伽棚个状态中的每个状态有一条幸存路径， 共有2 “”条。但在三单位时间后，篱笆图上的状态数目减少，幸存路径也相应 减少。最后到第l + m 1 单位时间，篱笆图归到全为0 的状态，因此仅剩下一条 幸存路径。这条路径就是要找的具有最大似然函数的路径，也就是解码器输出的 估值序列。由此可知，在篱笆图上用维特比解码算法得到的路径一定是一条最大 似然路径，因而这种解码方法是最佳的。 2 3 2 截尾解码器 由前面所述的解码过程不难明白，维特比解码器应有以下特点： ( n o ，k o ，m ) 卷积码编码器共有2 岛协哪个状态，因而维特比解码器必须有同样 的2 b 佃川个状态发生器，并且对每一状态必须有一个路径寄存器以存贮路 径或其信息序列，以及一个存贮路径度量值的存贮器。所以维特比解码器 的复杂度随2 b 佃- 1 指数增加。为了不致使解码器太复杂、成本太高，一般 要求选用码的编码存贮m 1 0 。 每个路径存贮器存贮路径的长度是n o l 。这里是需要存贮的码序列的总 长度。若工很大，则解码器的存贮量太大而难以实用。实际上，当解码器 译完若干级节点后，每个状态幸存路径的前几个分支已完全重合在一起， 这就告诉我们每个路径存贮器不必存贮工很大的码序列，而只要存贮 f l 段子码即可，f 称为截尾深度( 也就是回溯深度) 。当解码器接收并 处理完第f 个码段后，解码器中的路径寄存器已全部存满，当解码器开始 处理第r + 1 个码段时，它必须对所有路径寄存器中的第一段信息元作出判 决并输出。像这样不等处理完所有三段码序列，解码器就开始进行判决和 输出的解码方法称为维特比解码的截尾解码，解码器称为截尾解码器。显 然，截尾解码器的复杂性比非截尾的要大大减少，但其性能可能稍差，可 1 5 电子科技大学硕士学位论文 是如果f 选择足够大，则对解码器输出的解码错误概率影响很小。 下面的问题是，解码器如何判决并输出所有路径寄存器中的第一段信息码? 这有以下几种方法： 任选一条路径的寄存器，把它的第一段信息码作为解码器的输出； 把所有2 岛枷。1 个路径寄存器的第一段信息码取出，按大数准则输出第一段 信息码； 在2 0 伽- 1 个路径寄存器中，挑选一个具有最大路径度量的路径，以它的路 径寄存器的第一段信息码作为解码器的输出； 对路径的度量值定出一个门限，当某一路径的门限超过此值( 若为最小距 离准则，则小于门限) ，就输出此路径的第一段信息码。 以上4 种方法可任选一种。本设计采用的是第一种方法。 2 3 3 软判决维特比解码 硬判决解码中计算具有最大度量的路径等价于寻找相应的最小汉明距离的路 径。而为了充分利用信道输出信号的信息，提高解码的可靠性，往往把信道输出 的信号进行q ( 2 ) 电平量化，然后再输入维特比解码器。能适应于这种q 进制输入 的维特比解码器称为软判决维特比解码器。软判决维特比解码器在输入信号上进 行较精细的量化，用欧式距离代替汉明距离作为判据，以此来计算假设路径与接 收信号问的距离并选定幸存路径，进行解码。由参考文献 7 1 可知，软判决维特比解 码器的结构并不比硬判决的复杂，但性能却要好2 3 d b 。 2 4 卷积交织 大多数编码方法都是基于信道差错满足统计独立的特性设计的，但实际信道 往往是突发错误和随机错误并存的组合信道，在这些信道中直接使用纠随机错误 码效果并不好。而且，卷积码解码后的码序列的误码也具有突发性，若后面再要 进一步纠错处理，也需要能纠正这类突发误码。 交织技术是一种时间频率扩展技术，它把信道错误的相关度减小，在交织度 足够大时，就把突发错误离散成随机错误，为正确解码创造了更好的条件。 r a m s e y 和f o m e y 最早提出了卷积交织方案。与矩阵交织不同，卷积交织不需 1 6 第二章d v b s 信道编解码技术的理论基础 要将编码序列分组，是一种连续工作的交织器，且比矩阵交织更为有效。如图2 - 6 所示，编码序列在切换开关的作用下依次进入f 个支路，周而复始。每个支路的延 时缓存器数依次以膨的倍数增加。输出端采用同步的切换开关从个支路轮流取 出符号。变量，称为交织宽度( 支路) ，代表交织后相邻的符号在交织前的最小距 离。变量m x i 表示交织深度( 延时缓存器) ，是交织前相邻的符号在交织后的最 小距离。将图中上下倒置，就可以得到接收端的解卷积交织器。交织解交织的最 大时延为m x ( z - 1 ) j 。 至叵 一 图2 - 6 卷积交织示意图 2 5 基带成形和q p s k 调制 卷积编码后输出的v q 信号是一连串窄脉冲，占用的频带很宽，无法在卫星信 道中传输，必须经过基带成形对其加工，使其适合在卫星信道中传输。基带成形 电路对窄脉冲进行升余弦平方根滚降滤波，滚降系数口等于o 3 5 。 由于d v b s 的特点在于卫星信道的带宽大( z 4 i h z ) ，但转发器的辐射功率不 高( 十几瓦至一百多瓦) ，传输信道质量不够高( 传输路径远，特别是容易受雨衰 影响) 。因此，为保证接收可靠，d v b s 采用了调制效率低、抗干扰能力强的q p s k 调制。图2 - 7 是q p s k 调制星座图，由图可知，i q = 0 0 对应于4 5 载波相位，i q = 1 0 对应于1 3 5 。载波相位，坦= 1 1 对应于2 2 5 。载波相位，坦= 0 1 对应于3 1 5 。载波相位。 所以，使用的是格雷码q p s k 调制而不是d q p s k 调制，虽然抗干扰能力有所增强， 但是会引入9 0 ，1 8 0 。相位模糊【l l 】。这些相位模糊问题都可通过其相关特性在解码 时得以解决。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 譬厂 、箸 1 一 参l备1 。 1 虱2 - 7q p s k 调制星座图 2 6d v b s 系统的性能要求和监测方法 卫星接收端有确定的误码性能要求，以确保接收信号质量。在传输信道中， 对于出现的加性高斯白噪声( a w g n ) 引起的信号质量下降，通常以丘n 进行。 衡量。忍是单个比特的平均信号功率，m 是单位带宽内的噪声功率。误码率b e r 与色n o 之间存在一定的函数关系，因此，根据b e r 性能指标可以推算出对解调 信号的巨n