（电路与系统专业论文）数字电视系统中改进算法的RS编译码器设计及其FPGA实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 中国的数字电视产业借着北京奥运会的东风，得到了突飞猛进的发展。本课 题正是来源于符合国家数字电视d c 标准的q a m 调制器项目。 r s ( r e e d - - s o l o m o n ) 码是差错控制领域中一类重要的线性分组码。由于r s 码具有同时纠正突发错误和随机差错的能力，且纠正突发错误更有效，因而被广 泛应用于各种差错控制方案中。国家数字电视d - c 标准中q a m 调制器采用 了r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码。 本文结合一种新的常系数伽勒华域乘法器，设计完成了一种具有高速、低复 杂度特点的r s 编码改进算法，该算法可减少逻辑单元，降低系统的开销，且易 移植到其它码长的r s 编码中。通过下载到x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 e 系列器件中进 行硬件测试，验证了该设计功能正确并给出了波形图。为方便后续q a m 解调器相 关工作的开展，本文还设计了一种基于b m 迭代算法的r s 解码器并由f p g a 实现。 本文完成的工作主要有： 1 介绍了r s 编码的数学基础，完成了对r s 编码理论的数学推导。 2 给出了r s 编码中核心器件伽罗华域乘法器的常规设计方式。 3 提出了一种新型的伽罗华域乘法器并结合它完成了改进算法的r s 编码器 设计，该设计简化了硬件电路，降低了系统的开销。并通过了时序仿真及硬件验 证。 4 介绍了b m 迭代算法原理，设计了基于b m 迭代算法的r s 译码器并由 f p g a 实现，通过了功能仿真，得到了r t l 电路图。 关键词：有线数字视频广播，伽罗华域乘法器，r s 码，现场可编程门阵列， 正交幅度调制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gv i g o ro ft h eb e i j i n go l y m p i c s ，d i g i t a lt vi n d u s t r yi nc h i n a h a sb e e nd e v e l o p e db yl e a p sa n db o u n d s t h i si s s u ew a sj u s tf r o mt h ep r o j e c tq a m m o d u l a t o r , w h i c ha c c o r d sw i t ht h en a t i o n a ld i g i t a lt e l e v i s i o ns t a n d a r dd v b c r e e d - s o l o m o n ( r s ) c o d ei so n ec l a s so ft h ei m p o r t a n tl i n e a rb l o c kc o d e si nt h e e r r o rc o n t r o la r e a f o rh a v i n gt h ea b i l i t yt oc o r r e c tg u s t ye r r o r sa n dr a n d o me r r o r s s y n c h r o n o u s l y , e s p e c i a l l yt h eb u r s te r r o r s ，r sc o d eh a sb e e nw i d e l yu s e di nav a r i e t yo f e r r o rc o n t r o lp r o g r a m s q a mm o d u l a t o r a d o p t st h er s ( 2 0 4 ，18 8 ) c o d ef o ri t sc o d i n g m e c h a n i s mi nn a t i o n a ld i 百m lt vd v b cs t a n d a r d c o m b i n i n gw i t han e wc o n s t a n tc o e f f i c i e n t sg f ( 2m ) g a l o i sf i e l dm u l t i p l i e r , i n t h i sp a p e r , a ni m p r o v e dr se n c o d e ra l g o r i t h m ，w h i c hh a saf e a t u r eo f h i g h - s p e e da n d l o w c o m p l e x i t y , w a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yf p g a b yd o w n l o a d i n gt h e a l g o r i t h mp r o g r a m st ot h ex i l i n x ss p a r t a n 一3 ef a m i l yd e v i c e si nh a r d w a r et e s t i n g , t h e f u n c t i o n a l i t yh a sb e e nv e r i f i e da n daw a v e f o r mh a sb e e ng i v e ni nt h ep a p e r t of a c i l i t a t e t h ef o l l o w i n gq a md e m o d u l a t o rr e l a t e dw o r k ，t h i sp a p e rh a sa l s od e s i g n e dar s d e c o d e ri m p l e m e n t e do nf p g a m a i nw o r ki nt h i sp a p e rf o l l o w s 1 w ei n t r o d u c e dt h em a t h e m a t i c a lb a s i so fr sc o d i n g ，a n d c o m p l e t e dt h e m a t h e m a t i c a ld e r i v i n gp r o c e s sf o rr sc o d i n gt h e o r y 2 ac o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o df o rt h ec o r ec o m p o n e n t s - 一g a l o i sf i e l dm u l t i p l i e r , w a sg i v e ni nt h ep a p e r 3 w ep r o p o s e dan e wt y p eo fg a l o i sf i e l dm u l t i p l i e r , a n dd e s i g n e da ni m p r o v e d a l g o r i t h mr se n c o d e r t h ed e s i g nh a ss i m p l i f i e dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dr e d u c e dt h e s y s t e m c o s t s t h ec o r r e c t n e s so ft h e d e s i g n h a sb e e nv e r i f i e d t h r o u g h t h e i m p l e m e n t a t i o no nf p g a 。 4 ar sd e c o d e rw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e do nf p g a ，w h i c hh a sp a s s e d t h r o u g ht h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ，a n dr t lc i r c u i th a sb e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：c a b l ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b c ) ，g a l o i sf i e l dm u l t i p l i e r ，r s c o d e ，f p g a ，q a m 2 山东大学硕士学位论文 a s i c d s p f p g a f i f 0 h d l i 盯l d v b c f e c f i r g f ( q ) q a m i p s o p c 1 0 b c l b l u t s d r a m p c i 符号说明 专用集成电路 数字信号处理器 可编程逻辑门阵列 先入先出数据阵列 硬件描述语言 寄存器传输级 有线数字视频广播 前向纠错 有限长单位冲激响应 q 阶有限域 正交幅度调制 知识产权 可编程片上系统 可编程输入输出单元 可配置逻辑 查找表 动态随机存储器 外围设备互联总线 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丑丝f 丝 日期：型! 生塑丝旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孔丝壑导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字电视技术的发展背景 电视是现代科技的重要成果之一，无论是在工业、军事和科技领域的视频监 测、监控中，还是作为人们日常文化生活中的广播电视的信息传播媒介，都起到 非常了重要的作用。电视的图像和声音信号，其本源是模拟信号，所以早期电视 都是模拟电视。数字电视是电视的换代产品。数字电视是指在电视信号处理、发 射、传输和接收全过程应用数字化信号的电视系统，它具有双向互动、抗干扰能 力强、频率资源利用率高等数字信号的所有优点l i j 。 数字电视是数字信号处理技术在电视领域发展和应用的必然结果，它与模拟 电视一样，同样由内容( 节目) 、传输和接收三个部分组成。其中，内容泛指电视节 目或综合信息业务的采集、制作等；传输是指以卫星、地面、有线等传输手段将 内容传送到受众；接收泛指由制造业生产的用户终端接收电视信息。当上述三个 部分都实现数字化后，用户才能获得真正意义上的由数字电视革命所带来的视听 享受与信息服务。 数字电视技术的特点和优势已被人们广泛接受j ，主要有以下几个方面： ( 1 ) 传输质量高，抗干扰能力强 模拟电视信号由于失真和杂波干扰，经长距离传输以及多次复制后，信号质 量会迅速下降；而数字电视信号的失真和杂波在经过多次信号处理( 主要是信道 编码，如纠错码编解码、卷积交织解交织等等) 后，信号特性可以基本保持不变。 因而在数字电视广播中用户接收到的图像清晰度高，音频效果好。 ( 2 ) 电视频道利用率高 在8 m h z 带宽的频道内，只能传输一套模拟电视节目，但可传输乱8 套数字 电视节目，而且传送数量还会随着编码技术的改进而进一步提高。 ( 3 ) 信号稳定可靠，设备维护和使用方便 模拟电视信号数字化后，信号以二进制码的形式出现，它只有“0 ”和“1 ”两种状 4 山东大学硕士学位论文 态。二进制数字信号可以不受电源波动、器件非线性的影响，所以能保持工作稳 定、可靠。采用大规模集成电路处理数字信号，可降低设备的功耗，提高设备的 可靠性。同时，数字化设备维护简单，使用方便。 ( 4 ) 节省发送功率，覆盖范围广 数字电视发射设备在相同覆盖区所需的平均功率，比模拟电视发射设备的峰 值功率要低一个数量级。因此，采用相同发射功率，数字电视比模拟电视覆盖范 围要广得多。 ( 5 ) 易于实现高速数据传输和交互式应用，方便开展多种增值业务 作为传统的传播媒体，模拟电视仅向受众提供公益电视节目，广告收入构成 电视台的产业收入主体。实现数字化后，电视台除向受众提供正常资讯电视节目 外，还可提供数据广播、交互信息等多媒体数据业务，其产业范畴几乎延伸到各 个领域。数字电视通信可以同时传送文字、数据、语音、静止图像等多种数字化 信息。系统采用了开放的中间件技术，易于实现各种交互式应用。数字电视网可 与互联网、电信网互连互通，不仅使信息资源更为丰富，还可以增加用户与各种 信息源之间的交互性操作，如实现用户自由点播节目、电子商务、网上购物、网 上教学、网上医疗、网上游戏等多种高速数据业务。 ( 6 ) 方便加密加扰，容易实现条件接收( c a ) 数字电视信号容易进行加密力口扰，有利于信息安全和防护，同时便于实现条 件接收，大大降低了开展付费电视业务的成本。 ( 7 ) 网络改造成本低，普及方便 由于仍然保留了现有模拟电视视频格式，用户端仅需加装数字电视机顶盒即 可同时接收数字电视节目，这样更有利于系统的平稳过渡，减少消费者的负担。 在传输手段上，广播电视的有线、无线网络将与其他通信网络在技术方面趋于融 合，数字化后所带来的双向传送、移动便携接收、区域联网、频道增容等优势， 将使有线、无线网络在产业化方面大有可为。而灵活和友好的人机交互界面，便 于用户操作。除显示设备外，其余设备均可系统集成，进行大规模生产。因此价 格低廉，便于推广普及。伴随数字电视新业务的兴起，s d t v 接收机、h d t v 接收 机、多功能机项盒等一大批新型信息家电产品将应运而生，从而为制造业带来空 前的市场和产业机遇。 山东大学硕士学位论文 数字电视的应用将为人们提供更加适合人类自然视域的画面结构、优质的电视 图像和更多形式的电视服务，并在相关的工业技术领域产生深远的影响，因而发达 国家均把数字电视看作是对人类社会信息发展具有极其重要意义的“战略技术”。 美国是世界上较早发展数字电视的国家，在技术领域不仅完成了数字电视三 大标准的制订工作，而且已经率先实现了商用播出。据保守估计，美国数字电视 市场规模达1 5 0 0 亿美元以上，目前已经进入大规模商业应用阶段，另据美国消 费电子协会( c e a ) 提供的最新数字显示，消费者购买的数字电视机、数字显示器和 数字接收设备正在呈指数增加。 1 2 国内有线数字电视发展现状 随着国内人民精神生活需求的不断提高，中国有线电视的数字化进程也得到 了充分重视，2 0 0 1 年中国广播电影电视总局( 广电总局) 制定了广播影视技术 科技十五计划和2 0 1 0 年远景规划，为中国数字电视整体发展做出规划；2 0 0 3 年 6 月发布的我国有线电视向数码化过渡时间表，更明确指出中国各城市的有线 电视数字化时间表，计划在2 0 1 5 年完成全国的数字电视转换工作，并停止模拟电 视信号的发送。 中国有线数字电视的标准采用欧洲标准的d v 眦，使用q a m 调制的方式。 中国有良好的有线数字电视基础，自北京在2 0 0 3 年9 月率先进行数字电视试播以 来，全国各大城市数字电视试播工作不断取得进展，各种创新性的网络改造经营 模式不断被开发出来。可以说，中国有线数字电视的发展大有可为。 2 0 0 8 年举世瞩目的北京奥运会的举行，更为我国数字电视的发展提供了难得 的机遇。中国在世界范围内以高清数字信号直播或转播了奥运节目，为中国数字 电视事业的发展提供了强大的推动力。作为数字电视的重要组成部分，有线数字 电视技术的发展也越来越快，有线数字电视业务增长明显。 中国有线电视用户有1 4 7 亿，2 0 0 8 年底数字电视用户约4 5 0 0 万，还有1 亿 多是模拟电视用户，这些要在未来几年内通过使用机顶盒转向数字电视。每户所 需要的机顶盒投资约为3 0 0 元，如果进行双向化改造每户投资约为2 0 0 元。仅存 量市场规模就是3 0 0 - - 一5 0 0 亿元，数字一体化电视机市场则更为庞大。 6 山东大学硕士学位论文 1 3r s 码简介 r e e d s o l o m o n 码( 简称r s 码) 是一类具有很强纠错能力的多进制b c h 码， 也是一类典型的代数几何码。它首先是由里德( r e e d ) 和索洛蒙( s o l o m o n ) 应用m s 多项式于1 9 6 0 年构造出来的。在一般的应用中，r s 码可以作为单码单独使用： 而在信道条件极为恶劣的应用中，如移动通信、卫星通信等具有多径衰落特性的 信道中，也可以作为外码提供纠错能力更强的串行级联码，最常见的一种结构就 是将r s 码作为外码，卷积码作为内码的级联码。 r s 码在不增加译码复杂度的情况下，可以得到更高的编码增益和与长码相同 的纠错能力，因而r s 码被广泛地应用于数据通信和数据存储系统的差错控制中， 以作为提高数据传输和数据存储可靠性的重要手段。例如：r s 码已经成为美国航 天局( n a s a ) 和欧洲空间站( e s a ) 在深空通信级联系统中采用的标准码；d v b ( 数 字电视) 标准中信道编解码采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ；a t m 网络中使用r s ( 1 2 8 ，1 2 4 ) 作为前向纠错编码f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i n g ) 。 r s 码的编译码算法一直是国际通信领域研究的热点问题之一。 1 4 课题研究的来源、背景及意义 按照有线数字电视广播信道编码与调制规范的国家标准g y t1 7 0 2 0 0 1 规定， 有线数字电视系统的构架原理如图1 1 所示。 刮爱h 蓍删警巨 图1 1 有线数字电视系统的构架原理 积喘!节卷剌仁字 h 8 一 山东大学硕士学位论文 其中，上半部分为信道编码与调制，其产品通常称为q a m 调制器，下半部分 为信道解码与解调，其产品通常称为q a m 解调器。 本课题来源于某电子公司自主研发的q a m 调制器项目。中国数字电视广播国 家标准的有线传输系统采用q a m 调制的方式，市面上现有产品统称为q a m 调制 器，其原理分为信道编码和q a m 调制两大模块。 作为有线数字电视传输的主要设备q a m 调制器的性能对数据传输质量有着 重要影响。目前市面上现有的q a m 调制器绝大多数是单频点调制器，且有相当数 量的产品中的模块是使用国外专用芯片实现的，不能实现的部分由f p g a 实现， 最后连接成整个系统，因此系统集成度不高。同时还要考虑各部分电路的协同工 作问题，需要增加阻抗匹配、电平标准匹配等外围电路，并且占用了大量的f p g a 的i o 引脚，使得f p g a 的资源并没有得到充分利用。 该项目在深入研究国家标准g y t17 0 2 0 0 1 有线数字电视广播信道编码与调 制规范的基础上，提出了全数字的实现方案，并基于f p g a 对q a m 调制器进行 了多频点、全数字的研究、设计和实现。所实现的系统集成度高、性能稳定，节 省了大量的外围电路和线路板面积；f p g a 的i o 引脚的使用充分合理；并且可以 同时实现多个频点的调制。 r s 编码器在该系统中的作用至关重要。为满足有线数字电视广播的编码要求， 该项目采用基于r s 码编码的前向纠错码( f e c ) 。系统的f e c 锁定是整个系统的 最基本也是非常重要的技术指标。因此，r s 编码器在该系统中的作用至关重要。 本文结合一种新的常系数伽勒华域乘法器，设计完成了一种具有高速、低复杂度 特点的r s 编码改进算法，并由f p g a 实现。 为方便后续工作中解码与解调部分的实现，本文还设计了一种改进b m 算法 的r s 译码器，并由f p g a 实现。 8 山东大学硕士学位论文 2 1 信道编码技术概述 第二章r s 码理论 通信系统的目的是将信源端的信息准确而高效地传送到接收端。然而，由于 带有信息的通信信号在通过信道时会不可避免地受到各种各样的干扰。尤其是在 无线信道和存储信道( 存储介质) 上，从而使信号发生畸变，在接收端无法完全正确 地恢复信号。因此，通信系统中需要引入差错控制机制【3 】o 在数字通信系统中，差错控制的方式可以大致分成f e c ( 前向纠错) 、a r q ( 反 馈重发) 、h e c ( 混合纠错) 三类【4 l 。前向纠错是指信息在发送前先进行纠错编码，在 接收端通过纠错译码自动纠正传输中的错误。反馈重发是指发送时仅对信息进行 检错编码，接收端通过译码器检测接收码的正确性，从而决定接收或是向发送端 请求重传。混合纠错是前两种方式的结合，发送端发送的码字兼有检错和纠错的 能力，接收端首先判断错误的程度，如果不超过纠错能力，则进行纠错，否则将 进行反馈重传。上述差错控制方式中用到了纠错码或检错码，它们在原理上并没 有本质的区别，均是对信息元按一定的编码规则加入冗余码元后形成的，所以把 它们都纳入纠错编码( 信道编码) 来处理。 按照对信息序列的处理方法，信道编码可以分为分组码和卷积码【5 】。分组码是 将信息序列每k 位分为一组，编码器对每组的k 位信息按一定的规律产生r 个校验 位( 监督元) ，输出长度为n = k + r 的码字。每一码组的n k 个校验位仅与本码组的k 个信息位有关，而与其它组的信息无关。本文所述的r s 码便是一种多进制线性分 组码。实际中还可以将码进行缩短使用，l l 女h ( n ，k ) 分组码可以缩短为( n m ，k 1 1 1 ) 码来使用。卷积码是指编码器给每l ( 0 位信息加上1 1 0 1 ( o 位校验后得到长度为n o 的码 字。与分组码不同，该码字的编码运算不仅与本段1 ( o 位信息有关，还与其前面的 1 t i 组1 ( o 位信息有关，称这种码为( n o ，l ( 0 ，m ) 卷积码。 在数字通信、数字电视中，信道编码的使用提高了数据传输的质量。虽然增 加了传输带宽，但信道编码减小了数据传输出现误码的概率，同时也减小了所需 9 山东大学硕士学位论文 要的信噪比。在大多数应用中，将r s 码与卷积码级联使用进行纠错。 在自信源发送至接收的过程中，数字电视信号的编码包括信源编码、信道编 码及加密。信道编码又称作前向纠错编码，其目的是提高信息传送或传输的可靠 性。当传输差错在一定范围内，接收机都能将误码纠正过来。 必须指出，信道编码并非指信号经上变频发送以后，在传输信道中( 有线、 卫星、或地面) 进行编码，而是指经过编码后便于匹配信道传输和减少差错。因 此，自信源编码后的所有编码包括能量随机化扰码、卷积、交织、r s 编码等，都 可以划为信道编码。典型的数字电视信道编码如图2 1 所示。 多路枧 音频月发 据节目 复用 图2 - 1 数字电视信道编码的一般结构框图 在图2 1 中，外编码多为具有很强突发纠错能力的r s ( n ，k ，t ) 编码，1 1 为 缩短码长，k 为信息位，t 为能纠正误码的最大的码位，而且r s 外码编码的特点 是纠正与本组有关的误码，尤其对纠正突发性的误码最有效。 对信道编码的研究，始于香农1 9 4 8 年的开创性论文通信的数学理论【5 1 。经过了5 0 多 年的发展，纠错编码的理论及实践成果已经相当丰硕，并且己经广泛地应用在数字通信系统 及计算机存储和运算系统中当前，由于电子及微电子技术飞速发展，随着信道编码的 实现载体如a s i c 的研发，可将编码理论有效地通过i c 芯片得到实觋【6 1 。 2 2 信号处理的实现 通信系统中的每个部分最终都需要实现，从而构成实用的通信电子设备。数 字通信系统的许多模块都可以纳入数字信号处理的范畴，当然信道编码也不例外， 可由软件或硬件方式加以实现。 信号处理的实现必须以理论为基础，但是和理论并不一定有直接的对应关系。 对算法的数学描述方式与具体实现还有较大的差别。很多数学上的简单问题用硬 件来实现时会变得十分，比如求根、求对数这些基本的数学运算实现起来就复杂 且耗费硬件资源。有些在数学上己经可解决的问题，放到工程上就变得还不可解 决，这主要是还有一个实现的条件的问题。因为工程中需要考虑实际的情况，如 1 0 山东大学硕士学位论文 所需的器件规模以及实现的实时性以及精度问题。信号处理的实现问题，就是研 究如何将理论的算法有效地应用到现成的软、硬件环境中【刀。 软件实现，通常指在通用微处理器( p c 机) 或是微控制器硬件平台上通过编写 程序，用软件解决相关模块的信号处理功能并实现信号处理的算法；硬件实现， 则是指用a s i c ( 专用集成电路) ，d s p ( 数字信号处理器) ，或可编程逻辑器件( 如 f p g a ，c p l d 等) 来实现相关模块的功能【引。硬件实现中也需要软件过程：a s i c 、 f p g a 的系统结构设计以及逻辑设计过程中需要进行软件仿真及代码编制，d s p 开发中的大部分工作也是处理软件的编制。硬件实现和软件实现的本质区别是前 者对硬件具有配置能力，即可以根据需要选用或多或少的硬件，而后者则没有， 属于纯软件性质的计算机编程程序实现算法。 上述实现方式各有优缺点。用软件实现可以利用现成的硬件平台，由于设计 只涉及软件的编制，开发速度快并且容易对设计进行修改升级；但是也有其缺点， 由于通用的硬件平台并没有为信号处理做出专门的加速设计，在使用同样的时钟 频率时，用软件实现的速度会比用硬件实现慢的多，有时两者速度会差好几个数 量级。反之，用硬件来实现的优势是实现的模块处理速度高，缺点是开发过程比 较复杂、费时且开发成本较高。在实时处理的场合，通常是使用硬件，而对实时 性不高的一些信号处理则会采用软件。 以往的通信系统信道编码模块通常是由a s i c 或是d s p 来实现的，它们可以 看作是硬件实现的两个极。前者是纯硬件，一旦设计制作完成便无法修改；后者 是偏软的，可以轻松地修改运行于d s p 系统上的软件。随着近年来微电子技术和 半导体工艺的进步，作为半定制a s i c 的可编程逻辑器件f p g a 己发展到了数百万 门甚至上千万门的集成度，这个规模已经可以有效地实现很多的数字信号处理算 法。由于f p g a 对于a s i c 具有成本及开发速度上的优势，对于d s p 则具有器件 处理速度及功耗的优势，而且具有可重复编程的灵活性，所以近年来在国内外得 到了广泛的研究和应用。 目前，国外己有许多商业化的通信、信号处理i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y 知识 产权) 核，有面向v l s i 的，也有面向f p g a 的，i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的含义 是“知识产权”，是目前集成电路设计中的一种新概念。通常讲的i p 核( i pc o r e ) 是指已经设计优化好、经过验证、功能复杂、可以嵌入到其他电路中重复使用的 山东大学硕士学位论文 集成电路模块【9 1 。如今的i p 已经成为i c 设计的一项独立技术，成为实现s o c 设 计的技术支撑，成为a s i c 设计方法学中的学科分支。不同的用户可以通过直接调 用这些模块来完成各自的系统设计。这样就大大减轻了设计工程师的负担，避免 了重复劳动，提高了设计效率，缩短了产品进入市场的周期。 i p 内核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 三种不 同级别的设计。对应有主要描述功能行为的“i p 软核( s o f ti pc o r e ) ”、完成结构 描述的“d 固核( f i r mi pc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证的“i p 硬核( h a r d i pc o r e ) ”三个层次。这相当于集成电路( 器件或部件) 的毛坯、半成品和成品的 设计技术。 i p 软核通常是以某种硬件描述语言( h d l ) 文本提交给用户。该软核已经过 行为级设计优化和功能验证，但其中不包含任何具体的物理信息。 i p 硬核是基于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺， 并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩 膜版图和全套工艺文件，是可以直接使用的全套技术。与软核相比，利用硬核进 行集成电路设计受到的限制多，但是容易一次流片成功，其进行知识产权的保护 也较简单。 i p 固核的设计介于软核和硬核之间，除完成了门电路级综合和时序仿真等设 计环节外，还完成了i p 硬核所有的设计。一般以门电路级网表形式提交给用户使 用。 外从功能上划分有嵌入式口核和通用i p 核。嵌入式i p 核指可编程i p 模块， 主要是c p u 与d s p 。通用i p 核模块包括存储器、存储控制器、通用接口电路和通 用功能模块等。随着集成电路的规模越来越大，s o c ( 片上系统) 己经成为可能，而 各类i p 核将是s o c 设计的必要元素。 2 3 纠错码理论 纠错码的产生源于1 9 4 8 年c l a u d es h a n n o n 的著名论文“am a t h e m a t i c a lt h e o r y o f c o m m u n i c a t i o n 的发表【1 0 1 。而s h a n n o n 提出的信道编码定理正是为纠错码的发展 奠定了理论基础。众所周知，在深空通信中需要不断地从卫星上往下传输各种各 1 2 山东大学硕士学位论文 样的科学数据和工程数据。而为了更加有效地对这些数据进行传输，往往会对传 输数据的通信系统提出以下的五项需求： ( 1 ) 数据传输的速率最大化； ( 2 ) 传输数据得到最大的可靠性； ( 3 ) 数据传输所要求的能量最小化； ( 4 ) 数据传输所要求的带宽最小化； ( 5 ) 数据传输系统的复杂性或资源使用最小化。 通信系统在满足以上五种基本需求的同时，还需要克服存在于传输媒介中不 同噪声所带来的影响。而这些噪声一般是以各种各样的气象效应、干涉现象、障 碍物或者其他现象的不同形式而存在的。从s h a n n o n 的噪声信道编码定理可知， 为了克服由噪声所带来的影响同时又满足上述五项需求，只要在传输数据中加入 适当的保护冗余，就可以达到上述所提出的目标。这就是说，采取纠错码保护传 输数据的通信系统可以对上述的五项需求做出满意的折衷。 纠错码能够对在深空中传输的数据起着如此重要作用的主要原因在于：从影 响传输数据的角度来看，可以把深空传输信道描述为一条无记忆高斯信道；而该 信道正是s h a n n o n 的噪声信道编码定理所描述的信道。因此，所有依据该信道而 得到的理论结果和仿真结果都可以对实际的应用起到可靠的指导作用。同时，从 资源使用的角度来看，纠错码可以对影响数据传输的不同因素加以折衷，从而使 得传输数据可以在一定程度上满足人们的要求。 随着对信息传输的可靠性和有效性要求越来越高，差错控制技术在通信中的 作用显得愈发重要。在数字通信系统中，利用纠错码进行差错控制的方式通常可 分为三种：重传反馈方式( a r q ) 、前向纠错方式( f e c ) 和混合纠错方式0 q e c ) 。不同 的差错控制方式有不同的优缺点，需要根据实际情况选择差错控制方式，在本系 统中采用前向纠错方式。前向纠错方式是指发送端发送能够被纠错的数据即经过 编码的数据；接收端接收到这些数据后，通过纠错译码器自动地发现错误并且自 动纠正在传输过程中因干扰而产生的错误，最终实现传输信息恢复，从而达到可 靠通信的目的。 f e c 技术有着坚实的理论基础，经过多年的发展己相对成熟。香农的信息理 论告诉我们，当信息发送率小于信道容量时，就可应用某种f e c 编码，纠正信道 山东大学硕士学位论文 中发生的某些错误，从而提高系统的可靠性。f e c 技术总是力求用最少的冗余来 纠正尽可能多的错误，在速率和可靠性之间找到一个最佳的平衡点。它的主要优 点是：不需要反馈信道，适用于一点发送多点接收模式的广播系统；译码延时固 定，较适合于实时传输系统。但是，这种方式要求预先确定信道的差错统计特性， 以便选择合适的纠错码，否则难于达到误码率的要求，而且误码率的降低是以牺 牲信息传输率为代价的( 增加冗余度) 。 2 4r s 码数学模型 2 4 1r s 编码的基本概念 线性码：其信息码元和监督码元之间的关系为线性关系，即监督码元是信息 码元的线性组合：相反，两者不存在线性关系则称非线性码。 分组码：监督码元仅与本码组的信息码元有关；相反，监督码元不仅与本组 信息码元有关，与前面码组的信息码元也有约束关系则称卷级码。 系统码：在k 位信息码后根据一定规则附加m 位监督码元，所有码字的k 位 信息码元和m 位监督码元排列顺序一致且互不相混；相反就是非系统码。 有限域：非空集合f ，若在f 中定义了加和乘两种运算，且满足下述公理： ( 1 ) f 关于加法构成阿贝尔群。其加法恒等元记为0 。 ( 2 ) f 中非零元素全体对乘法构成阿贝尔群。其乘法恒等元记为1 。 ( 3 ) 加法和乘法间有如下规律： a ( b + c ) = a b + a t 7 , ( 6 + c ) 口= b a + c a ( 2 1 ) 则称f 是一个域 域中元素的个数称为域的阶。元素个数有限的域称有限域。记为g f ( q ) 。 迹：a g f ( q “) ，则它在舒( g ) 上的迹定义为 霉= 口+ 口9 + 口9 2 + + 口q ” ( 2 2 ) q 为素数或素数幂 阿贝尔群：设g 为非空集合，并在g 内定义一种代数运算，若满足下述公理： ( 1 )由封闭性。对任意a 、b g ， 恒有a 。b g 。 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 结合律成立。对任意a 、b 6 g ，有( 口。6 ) 。c = 口。( 6 。c ) 。 ( 3 ) g 中有一恒等元e 存在。对任意a g ，e g ，有a 。e 2e 。a2 a 。 ( 4 ) 对任意a g ，存在a 的逆元a 1 0 ，使口。a = a 一。a = e 则称g 构成一个群。若群g 中，对任意a 、b g ，有a 。b = b o 口，成g 为阿 贝尔群。 对偶基：与g f ( q ”) 的基底z = ( 成，届，尾- 1 , ) 相对应，若 硼咿骺 l = 一 其它 ( 2 3 ) 满足，则称g f ( q ”) 的基底z2 ( t o ，乃，- l ) 是z 的对偶基。 r s 码是r e e d - - s o l o m o n 码的简称。r s 码是多进制b c h 码，也是一类典型的 代数几何码，是迄今为止发现的一类很好的线性纠错码类，也是目前应用最广泛 的线性分组码之一。r s 码具有同时纠正突发错误和随机错误的能力，且纠正突发 错误更有效，因而被广泛的应用于数据通信和数据存储系统的差错控制中，以作 为提高数据传输和数据存储可靠性的重要手段。 r s 码与线性分组码的关系可以表示为：r s 酗s c h 码_ 循环码一 线性分 组码( _ 表示隶属关系) 。r s 码是一种纯粹的代数码，其编译码方法均建立在近世 代数的基础上。 2 4 2r s 码的构成 r s 码是码元符号域与码多项式的根域相一致的b c h 码，对( n ，k ，t ) r s 码中的n 的含义不是二进制比特而为符号数。一个能纠正t 个符号错误的( n ，k ，o r s 码有如下 表( 表2 1 ) 所示的基本参数： 表2 1 码长： n = 2 m _ 1 个符号或m ( 2 m 1 ) 比特 信息段：k 个符号或k m 比特 监督段： n k = 2 t 个符号或m ( n k ) l l 特 最小码距： d = 2 t + 1 个符号或m ( 2 t + 1 ) h ：特 对于一个长度为2 m _ 1 个符号的r s 码，每个符号均可看成为有限域g f ( 2 m ) 中 山东大学硕士学位论文 的一个元素。设仅为有限域g f ( 2 m ) 的本原元，则最小码距为d 个符号的r s 码的 生成多项式为： g ( x ) = ( x c o ( x 一口2 ) ( x 一口3 ) ( x - - o f d ) ( 2 - 4 ) 其中a i 为g f ( 2 m ) 中的一个元素，扛一) 是a i 在g f ( 2 m ) 上的最小多项式，由 此生成一个q 进制的 q l ，q - d 】的r s 码，有最小距离d ，由于线性码的最大可能的 最小距离是校验元的个数加1 ，而r s 码恰好做到了这一点。因此，称r s 码为极 大最小距离可分码，简称m d s 码。显然，r s 码的设计距离d 与实际距离d 是一 致的，r s 码特别适合于纠正突发错误，一般说来它可纠正的错误图样有： 总长度为岛= o 一1 ) m + l 比特的单个突发错误； 总长度为6 = ( f 一3 ) m + 3 比特的双个突发错误； 总长度为岛= ( t - 2 i + 1 ) m + 2 i 一1 比特的i 个突发错误。 2 4 3 码生成多项式 按照国家标准的规定，在能量扩散随机化处理之后，采用t = 8 、截短的r s 编 码，并将其加到每一个已经随机化的m p e g 2 传送包上。对每个传送包而言，可 纠正8 个错误字节。此过程在m p e g 2 传送包中增加了1 6 个校验字节，码字为( 2 0 4 ， 1 8 8 ) 。r s 编码同样也作用于包同步字节，不论是未倒相的( 即4 7 h e x ) 还是已经 倒相的( b 8 h e x ) 。 码生成多项式为： g ( x ) = ( x + 力。) ( x + 力1 ) ( x + 五2 ) ( x + 五1 5 ) ( 2 5 ) 这里l = 0 2 h 。 域生成多项式为： p ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + l ( 2 6 ) 此处截短的r s 码的实现方法是在( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码器输入端输入信息字 节之前，添加5 1 个字节，并设置为全零。编码后，再将这些空字节丢弃。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了信道编码的原理以及实现方式，着重介绍了纠错码理论；同时强调 了r s 码的数学基础和r s 码本身的构成，为后文的r s 编解码器的设计与实现打 下了基础。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章f p g a 技术及其应用 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一类工程界广泛应用的具有很高集成 度的可编程逻辑器件，它起源于美国的x i l i n x 公司，该公司于1 9 8 5 年推出了世 界上第一块f p g a 芯片。经过多年的发展，f p g a 的硬件体系结构和软件开发工具 都在不断地完善且日趋成熟。从最初1 2 0 0 个逻辑门，到2 0 世纪9 0 年代时几十万 个逻辑门，目前单片f p g a 芯片已达数百万甚上千万门的规模。x i l i n x 、a l t c r a 等世界f p g a 顶级厂商已经将f p g a 器件的集成度提高到一个新的水平。f p g a 技术结合了微电子技术、电路技术、e d a 技术，使设计者可以集中精力进行所需 逻辑功能的设计。与专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e o f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 相 比，f p g a 具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而得到了广 泛应用。同时和f p g a 相关的各项技术和应用也迅速发展起来【1 1 1 。 f p g a 是现场可编程门阵列的简称。之所以赋予这个名字，一方面是因为f p g a 可以用编写代码的方法实现复杂逻辑电路，另一方面是因为其内部是由规则的逻 辑阵列所组成的，非常类似一个由逻辑门构成的阵列。而且这种结构很适合实现 复杂设计并可重复编程。 目前主流的f p g a 是基于查找表( l o o ku pt a b l e ，u j t ) 技术的，已经远远超出 了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能( 如r a m 、时钟管理和d s p ) 的硬 ( a s i c 型) 块。如图3 1 所示，f p g a 芯片主要由7 部分组成，分别为：可编程输入 输出单元( i o b ) 、可配置逻辑( c l b ) 、数字时钟管理模块、嵌入式块r a m 、丰富 的布线资源、底层内嵌功能单元和内嵌专用硬核i l 引。 1 8 山东大学硕士学位论文 籼 l 图 ： 勤嘲i 悼# 翻城簟 j 厶【 i 嘲i l 啪l _l 黼l ll 一? - 一 ll l 煳j 鼢 1 | _ 1 嘲l 翻协簟 l 籁臻 r - l 啪l l m i 图3 1f p g a 芯片的内部结构 3 1 信号处理的硬件实现方式比较 目前，信号处理的硬件实现方式大致可以分为a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 、d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) - - 种，它们有着各自的特点及使用范围。 a s i c 是专门为某一应用领域或某一专门用户需要而设计制造的大规模或超大 规模集成电路。而f p g a 和d s p 也可以看作是特殊的a