（电路与系统专业论文）基于dmbth的前向纠错编译码的结构优化与设计.pdf

匕。0jrj 、一 7 i i i l l l t l l i l l f i l l l f l l l li i l l l l r ll l f l l r f r l l l li ll | - y 1718 5 5 7 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： 冯旦垦日期：加p 年s 月3 1 日 论文使用授权 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：冯旦盈 导师签名： 日期：加阳年r 月3 1 日 4 一 摘要 摘要 由于噪声和多径衰落等干扰因素的原因，导致数字电视信号在信道的传输过 程中产生信息误码。为了保证数字电视系统的信号传输质量，前向纠错编码技术 被广泛的使用在了数字电视传输系统中。 本文根据d m b t h ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i at v h a i l d l eb r o a d c a s t i n g ) 标准 对其信道编码中的b c h 码的编译码和l d p c 码编码进行了研究，并对其进行了设 计与实现。 首先介绍了d m b t h 标准的系统结构与前向纠错编译码方案，然后在现有的 前向纠错编码方案的基础上，采用并行b c h 编码与并入串出结构的q c l d p c 编 码级联，对前向纠错编码结构进行了优化，设计并实现了高速率编码的b c h 编码 器与q c l d p c 编码器；根据d m b t h 标准中b c h 码的特点，选取了译码算法， 设计并实现了高速率的b c h 并行译码器。 通过仿真验证，本设计的功能和性能均达到了d m b - t h 标准要求。本文设计 的多码率l d p c 编码器采用s r p m a 电路复用技术，减少了编码器消耗的资源； 并且配合本设计中的b c h 并行编码器，使得整个信道编码方案与传统的串行b c h 编码和串入并出结构的l d p c 编码方案相比，消耗资源较多，但编码效率有了大 的提高。 关键字：数字电视d m b - t h 前向纠错码b c h 码q c l d p c 码 _ q r i a b s t r a c t a bs t r a c t e r r o rw i l lo c c u rd u r i n gt h et r a n s m i s s i o nw h e nd i g i t a lt e l e v i s i o n s i g n a l i s t r a n s m i t t e di nc h a n n e li n t e r f e r e db yn o i s e sa n dm u l t i p a t he f f e c t f o rd e p e n d a b l e t r a n s m i s s i o no ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns i g n a l ，t e c h n o l o g yo ff r o n te r r o rc o r r e c t i o nh a s b e e nu s e di nd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g s y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e do nt h es t a n d a r do fd m b - t h ( t e r r e s t r i a ld i g i t a l m u l t i m e d i at v h a n d l eb r o a d c a s t i n g ) ，ar e s e a r c ha b o u tb c h e n c o d i n g d e c o d i n ga n d l d p ce n c o d i n gi sf i n i s h e d ，a n dh a st h e s em o d u l e si m p l e m e n t e d f i r s t l yt h es y s t e m s t r u c t u r ea n df e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) c o d i n gs c h e m ea r ei n t r o d u c e d b a s e do n t h ev i s i b l ef e cc o d i n gs c h e m e ，w eh a v et h ef e cc o d i n gs t r u c t u r eo p t i m i z e d i nt h i s o p t i m i z e df e cc o d i n gs t r u c t u r e , w eu s ep a r a l l e lb c hc o d i n gc a s c a d ew i t hp i s o ( p a r r a m l di n p u ts e r i a lo u t p u t ) s t r u c t u r e dq c l d p cc o d i n gs c h e m e t h e nw eh a v et h e h i g h - s p e e db c hc o d i n ga n dq c l d p cc o d i n gm o d u l ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d b a s e do nt h ep r o p e r t yo fb c hc o d ei nd m b - t hs t a n d a r d , ah _ i g h - s p e e dp a r r a l l e l d e c o d i n ga l g o r i t h mi sc h o s e n , d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h r o u g hv e r i f i c a t i o no fs i m u l a t i o n , t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ef u l f i l l e dt h e d m b - t hs t a n d a r d t h em u l t i - r a t el d p ce n c o d e ri sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nb a s e d o ns h i f t - r e g i s t e r - p a r r a l l e l - m u t i p l i y - a d d e r ( s r p m a ) t h es r p m a a l g o r i t h ms i m p l i f i e s t h ee n c o d e rc o m p u t a t i o nm o d u l ea n dr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h eo p e r a t i o n n e m u l t i - r a t ee n e o d e rr e u s e st h es r p m ac i r c u i t st oc u td o w nt h en u m b e ro fr e s o u r c e c o n s u m p t i o n c o m p a r e d 、) l r i t t lt h ec h a n n e le n c o d i n gb a s e do ns e r i a lb c he n c o d e ra n d s i p ol d p ce n c o d e r , t h es y s t e mc o n s t r u c t e db yl d p ce n c o d e ra n db c he n c o d e rt h a t p r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sm o r er e s o u r c ec o n s u m p t i o na n dm o r ee n c o d i n g e f f i c i e n c yr i s e d k e y w o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s o n , d m b - t h ，f e c ，b c h ，q c - l d p c 呵 目录 目录 ：第一章绪论二1 1 1 数字电视行业的发展1 1 2d m b t h 标准及其信道编码方案介绍。2 1 2 1d m b t h 标准介绍2 1 2 2d m b - t h 的信道编码方案3 1 3d m b t h 系统前向纠错编译码器的结构介绍6 1 4 论文的研究意义与工作重点7 1 5 论文的研究内容与结构安排：7 第二章d m b - t h 系统多码率前向纠错编码优化结构的设计 9 2 1d m b - t h 系统多码率前向纠错编码现有方案9 2 1 1 基于s r a a 电路的多码率前向纠错编码方案9 2 1 2 基于s r a a 电路复用的多码率前向纠错编码方案1 0 2 2 现有前向纠错编码方案的性能分析及结构优化1 0 2 3d m b - t h 系统中b c h 码编码结构设计1 2 2 3 1 串行b c h 码编码结构1 2 2 3 2 并行b c h 码编码结构的获得1 3 2 3 3 两种编码结构的性能比较与选取1 4 2 4d m b - t h 系统中q c l d p c 码编码结构设计15 2 4 1 常用l d p c 码的编码算法及编码算法的选取。1 5 2 4 2d m b t h 系统中q c l d p c 码编码结构研究与选取一2 0 2 5d m b - t h 系统多码率前向纠错编码优化结构设计及性能分析2 5 2 5 1 多码率前向纠错编码优化结构2 5 2 5 2 多码率编码优化结构与现有方案的性能比较2 6 2 6 本章小结2 8 第三章d m b - t h 系统多码率前向纠错编码优化结构的实现2 9 3 1d m b - t i - i 系统中并行b c h 码编码器的实现2 9 3 1 1 并行b c h 编码器的实现2 9 3 1 2 编码结果的验证3l i t t 目录 3 2 基于d m b t h 的多码率l d p c 码编码器的实现3 2 3 2 1 多码率l d p c 编码器总体结构3 2 3 2 2s r p m a 运算电路的实现3 3 3 2 3 位宽转换模块的实现3 6 3 2 4 编码器总体实现3 9 3 3 编码结果的验证4 8 3 4 本章小结4 9 第四章基于d m b - t h 的b c h 译码器的算法选取与实现5 0 4 1d m b t h 系统中b c h 码译码算法选取5 0 4 1 1b c h 码译码现有算法5 0 4 1 2d m b t h 系统并行b c h 译码算法：5 2 4 1 3 两种b c h 译码结构的性能比较与选取s 3 4 2d m b t h 中的b c h 码译码器的实现5 4 4 2 1 并行b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 译码器结构5 4 4 2 2 并行b c h ( 1 0 2 3 1 0 1 3 ) 译码器的实现5 6 4 3 本章小结6 0 第五章总结与展望。6 1 5 1 本文工作总结6 1 5 2 下一步研究展望6 2 致谢 参考文献 附录6 7 9 2 9 2 个人简历 攻读硕士期间的研究成果 i v 第一章绪论 第一章绪论 本章为绪论，首先介绍了数字电视技术的发展，国标d m b t h 标准及信道编 码方案，然后介绍了d m b - t h 系统中前向纠错编译码结构。最后给出本文的主要 内容和结构安排。 1 1 数字电视行业的发展 数字化已经成为当今各国拓展广播电视服务领域、推动广播电视产业升级的 主要源动力，数字技术使人们不仅可以固定接收电视还可以利用卫星和地面数字 电视网或者移动通信网移动接收电视。电视节目数字化是广播电视发展历程上的 一次重大变革，被誉为新世纪的“战略技术【l 】。数字电视传输系统与第三代移动 通信系统和新一代因特网一起构成了2 1 世纪的三大信息基础设施。数字电视广播 标准深刻影响着诸如信息服务业和接收终端制造业的发展。数字电视技术与通信 技术、网络技术的融合衍生出了手机电视、网络电视等一系列新的媒体技术，已 成为推动信息技术革命的重要因素【2 】。 相对模拟电视而言，数字电视的优势和特点主要表现在清晰度高、音频效果 好、频带利用率高、接收频道多、抗干扰性能好、可用于移动终端接收、节目的 加密处理性能好、便于开展各种综合业务和交互业务，有利于构建“三网合一 的信息基础设施等方面。数字电视的传输存在三种传输的通道：地面、卫星和有 线传输。 地面数字电视广播组织已经提出了三个地面数字电视标准，也是目前世界范 围内采用较多、也较为成熟的三大地面数字电视广播标准：美国的a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) ；欧洲的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 ) 标准；日本 的i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 标准。 电子科技大学硕士学位论文 1 2d m b t h 标准及其信道编码方案介绍 i 2 1d m b t h 标准介绍 中国数字电视地面传输标准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码 和调制，即d m b t h 标准，于2 0 0 6 年8 月1 8 日公布，该标准支持高清晰度电视、 标准清晰度电视和多媒体数据广播等多种业务，突破性的融合了单、多载波调制 技术，满足大范围固定覆盖和移动接收的需要，实现了关键技术创新，形成了多 项有自主知识产权的专利技术【3 l 。d m b t h 在继承原有系统有点的基础上，覆盖范 围、抗干扰能力、接收性能、系统稳定性等方面比原有的d m b t 技术有明显提高。 d m b t h 技术的核心采用时域同步正交频分复用( t d s o f d m ：t i m ed o m a i n s y n c h r o n o u so r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制技术，采用了 q c l d p c 前向纠错编码技术，因而可以更加可靠地支持更多的无线多媒体业务。 d m b - t h 规定了在5 2 m h z - 8 6 6 m h z 频段中，每8 m h z 数字电视宽带内，数字 电视地面广播无线传输信号的规范。d m b - t h 标准中规定了数字电视地面传输系 统中最核心的信号帧结构、信道编码和调制技术，涉及的关键技术有：t d s o f d m 技术、信号帧的头和帧体保护技术、低密度校验码( l d p c ) 等。 相对于其他的数字电视标准，d m b - t h 的抗干扰能力较强，主要采用了l d p c 码与b c h 码的级联作为信道编码技术，具有很强的纠错能力。d m b t h 标准中单 载波调制系统由三部分组成：信道编码、帧结构、信道调制。输入数据在信道中 经过的流程为：通过信道编码( 包括扰码和前向纠错编码) ，进入星座映射调制、 交织，和系统信息复用，形成帧体部分，再加上帧头，组成规范格式的帧结构， l 雩一出 | f 硎用il 釜liii 理ii 缎l | 图1 - 1 系统发射端的原理框图 我国的数字电视地面传输系统的发射端原理框刚3 1 如图1 1 所示。完成从输入数 据码流到地面电视信道传输信号的转换。输入数据码流经过扰码器( 随机化) 、前向 2- 第一章绪论 纠错编码( f e c ) ，然后进行从比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本 数据块。基本数据块与系统信息组合后，经过帧体数据处理形成帧体。而帧体与 相应的帧头复接为信号帧，经过基带处理转换为基带输出信号。该信号经正交上 变频转换为射频信号。 1 2 2d m b t h 的信道编码方案 在d m b t h 的信道方案中，采用了b c h + l d p c 的串行级联编码方案，通过 卷积交织技术组成级联码纠错，使系统抗干扰能力更强。图1 - 2 为d m b - t h 系统 信道编码方案的流程图【3 1 。 ! 一_ 磊f 一 ! i 1 j 图1 - 2d m b - t h 系统信道编码方粟 ( 1 ) 加扰 为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理，输入的数据码流数据需要采 用扰码技术进行加扰。 扰码是一个最大长度的二进制伪随机序列。该最大长度二进制伪随机序列由图 2 所示的线性反馈移位寄存器生成。其生成多项式定义为： g o ) = 1 + 一4 + 一5( 1 - 1 ) 该l f s r 的初始状态定义为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 输入的比特码流( 字节码字从m s b 到l s b ) 与p n 序列进行逐位模二加后产 生数据扰乱码。扰码器的移位寄存器在信号帧开始时复位到初始状态。 3 电子科技大学硕士学位论文 二进制伪随机序列输出 0 0 0 0 0 0 l1 ” + 1 1 11h 竺1 1 竺1 1 竺 1 竺1 1 竺1 1 竺h ! ：h 竺陀! 什! ! 陀! 批! 靴! ，t ! 初始相位1 0 010 1010000000 图1 3 扰码器组成框图 ( 2 ) 纠错编码 扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。前向纠错编码由外码( b c h 码) 和 内码( l d p c ) 级联实现。 f e c 的具体参数见表1 1 。 表1 - 1f e c 码参数 编号 块长 比特】信息比特 对应的内码码率 码率1 7 4 8 83 0 0 8o 4 码率27 4 8 84 5 1 2o 6 码率37 4 8 86 0 1 6o 8 b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码由b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 码缩短而成，7 5 2 比特信息位前添加2 6 1 比 特0 成为1 0 1 3 长度，编码成1 0 2 3 位，信息位在前，然后再将前2 6 1 比特0 丢掉， 形成7 6 2 码长。该b c h 码字的生成多项式为： g i c h ( z ) = 1 + 矿+ x 哪 ( 1 - 2 ) 三种码率的前向纠错码使用同样的b c h 码。 l d p c 码采用了基于矩阵分解中的两个信息符号的r s 码法，构造l d p c 码的 循环置换矩阵，得到其生成矩阵瓯如下所示： g 筘= g o ，og o l g o 扩i ioo g l 。og 1 1 g l 州o i o ；： g j ， ；i g l - l 。og “l g 七- i 产loo i ( 1 - 3 ) 其中，i 是b x b 阶单位矩阵，o 是b b 阶零阵，而c , i j 是b x b 循环矩阵， 取0 f k 一1 ，0s 歹c 一1 。 b c h 码按顺序输入l d p c 编码器时，最前面的比特是信息序列矢量的第一个 元素。l d p c 码信息位在后，校验位在前。 4 第一章绪论 三种不同内码码率的f e c 码的结构分别为： 码率为o 4 的f e c ( 7 4 8 8 ，3 0 0 8 ) 码： 先由4 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码和l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码级联构成，然后将 l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码前面的5 个校验位删除。l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码的生成矩阵g 口。具 有上式所示的矩阵形式，其中参数k = 2 4 ，c = 3 5 和b ：1 2 7 。 码率为0 6 的f e c ( 7 4 8 8 ，4 51 2 ) 码： 先由6 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码和l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码级联构成，然后将 l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码前面的5 个校验位删除。l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码的生成矩阵g 口。具 有上式所示的矩阵形式，其中参数k = 3 6 ，0 = 2 3 和b = 1 2 7 。 码率为0 8 的f e c ( 7 4 8 8 ，6 0 1 6 ) 码： 先由8 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码和l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 码级联构成，然后将 l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 码前面的5 个校验位删除。l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 码的生成矩阵g 口。具 有上式所示的矩阵形式，其中参数k - - 4 8 ，o = 11 和b - 1 2 7 。 ( 3 ) 卷积交织 数据信号( 即数据码的星座符号) 的基本数据块间交织采用基于星座符号的卷 积交织编码，如图l - 4 所示，其中变量b 表示交织宽度( 支路) ，变量m 表示交 织深度( 延迟缓存器) 。进行符号交织的基本数据块的第一个符号与支路0 同步。 交织去交织对的总时延为m x 0 3 - - 1 ) x b 符号。取决于应用情况，基本数据块间 交织的编码器有2 种工作模式： 模式1 ：b = 5 2 ，m = 2 4 0 符号，交织解交织总延迟为1 7 0 个信号帧； 模式2 ：b = 5 2 ，m = 7 2 0 符号，交织解交织总延迟为5 1 0 个信号帧。 善2i 三k 差! 裁 蛔k 一 2 刘。x 一卜_ 三 l 图l _ 4 卷积式数据块间交织 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3d m b t h 系统前向纠错编译码器的结构介绍 在d m b t h 标准中，在前向纠错编码的算法上选择了以b c h 码为外码， q c l d p c 码为内码的链接编码方案。其中，码率为o 4 的情况下，由4 个b c h ( 7 6 2 ， 7 5 2 ) 码级联组成的长为3 0 4 8 的信息码通过q c l d p c 编码成为l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码；码率为0 6 的情况下，6 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码级联组成的长为4 5 7 2 的信息码 通过q c l d p c 编码成为l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码；码率为0 8 的情况下，8 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码级联组成的长为6 0 9 6 的信息码通过q c l d p c 编码成为l d p c ( 7 4 9 3 ， 4 5 7 2 ) 码。 以码率0 4 为例，给出b c h + q c l d p c 级联纠错编码原理图，如图1 5 所示。 r 一一1 ：b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 夕b 码编码： 1 7 4 9 3 b i t 眦c 7 编4 9 码3 , 3 蚴，p 刊4 篇警陋 图1 - 50 4 码率的b c h + q c l d p c 级联纠错编码原理 与编码原理相逆的，在此，同样给码率为0 4 的b c h + q c l d p c 级联纠错译码 原理图，如图1 6 所示。d m b t h 系统的前向纠错编码和前向纠错译码的原理相 反，但是就实现复杂度来说，译码过程比编码过程复杂的多，导致译码消耗的资 源要比编码消耗的资源多出许多。因此，在设计编码器的时候，主要考虑的是编 码速度和编码效率。而在设计译码器的时候，首先要考虑的是译码速度和译码复 杂度，而译码复杂度通常与译码消耗资源成正比。 在编码器设计中，由于编码算法简单，灵活度小，可以考虑提升b c h 码编码 器与q c l d p c 编码器的整体编码效率，而在译码器的设计中，首先考虑的是各个 译码模块各自的译码速率和资源消耗，由此进行设计。 6 第一章绪论 纠嗍铲h 淼p 图1 60 4 码率的b c h + q c l d p c 级联纠错译码原理 1 4 论文的研究意义与工作重点 随着d m b t h 标准的强制执行，目前已经有一些芯片提供商设计了基于国标的 信道编解码芯片，但是由于信道编解码耗费的资源几乎是发射、接收机系统的三 分之一，而在信道编译码中，前向纠错编译码器的研究是核心内容。因此，研究 高效率、低复杂度的前向纠错编解码器具有重要的实践意义。 本文的工作重点在与：通过研究现有的d m b - t h 系统的前向纠错编码的结构， 对现有结构进行了性能分析。针对现有前向纠错编码方案均受限于低编码效率的 串行b c h 编码的特点，采用了一种d m b - t h 系统的前向纠错编码优化结构，这种 优化结构采用并行b c h 编码+ 并入串出结构q c l d p c 编码，编码效率相对现有的前 向纠错编码方案有了大的提高。本文还针对d m b t h 标准b c h 编码的特点，选取 了一种适合d m b t h 标准的高效率的并行译码算法，并对算法进行了实现。 1 5 论文的研究内容与结构安排 本论文的主要内容是：在研究数字电视地面传输标准中的前向纠错编码的性 质和特点的基础上，通过对现有的基于d m b t h 标准的前向纠错编译码器的研究， 对现有的前向纠错编码结构进行了优化，并进行了设计与实现。选取了一种适合 d m b t h 标准的高速率并行b c h 译码算法，并进行了实现。 论文的结构和章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍数字电视技术的发展、d m b t h 标准及其信道编码 方案、d m b t h 系统前向纠错编译码的结构、论文的研究意义与工作重点，最后 介绍了本论文的主要内容和结构安排。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章是本文的重点。首先在介绍了现有的d m b t h 系统多码率前向纠错编 码方案的基础上，对现有的多码率前向纠错编码方案进行了分析，采用了一种基 于并行b c h 码编码+ 并入串出q c l d p c 编码的多码率前向纠错编码的优化方案。 对d m b t h 系统中多码率前向纠错编码优化结构中的b c h 编码，l d p c 编码算法 分别进行了研究和设计，然后通过对前向纠错编码优化结构的整体方案设计，得 到了一个高效的多码率前向纠错编码结构。 第三章首先给出了适合d m b t h 标准的1 0 b i t 并行b c h 编码器设计与实现， 然后给出了多码率l d p c 编码器中所用的关键模块的设计，然后设计出了在效率 和资源上适合d m b t h 标准的多码率l d p c 编码器，并在x i l i n x 平台下进行设计 和仿真，通过与m a t l a b 平台下编码结果进行对比，验证了设计的正确性。 第四章首先对基于d m b - t h 的b c h 并行译码算法进行了研究，通过对算法 进行性能比较，选择了一个适合d m b t h 的b c h 并行译码算法并进行了设计与 实现，并在x i l i n x 平台下进行设计和仿真，验证了设计的正确性。 第五章对全文进行总结，并对下一步研究工作予以展望。 8 第二章d m b - t h 系统多码率前向纠错编码优化结构的设计 第二章d m b t h 系统多码率前向纠错编码优化结构的设计 2 1d m b t h 系统多码率前向纠错编码现有方案 目前在一些文献中介绍了的d m b t h 系统中前向纠错编码器的设计，在文献 4 】中介绍了单码率l d p c 编码的设计，在文献 5 】【6 】中介绍了基于s r a a 电路的 多码率前向纠错编码模块的设计，在文献【7 】【8 】中介绍了基于s r a a 电路复用方案 的多码率前向纠错编码编码模块的设计。随着编码技术的不断发展，d m b 。t h 系 统中的多码率编码器由于其硬件利用率比单码率编码器高而被重视起来，故在本 文中只对多码率前向纠锗编码方案进行研究。 2 1 1 基于s r a a 电路的多码率前向纠错编码方案 在文献【5 】 6 】中介绍了一种基于s r a a 电路的多码率前向纠错编码的设计方 案，编码原理如图2 1 所示。整个编码器的工作原理是，由扰码器输入到b c h 编 码器的串行数据，经过b c h 串行编码后输入到l d p c 编码器中，在控制模块的控 制下，串行数据输入c 个s r a a 电路中，经过k 个时钟周期后，位宽为b x c b i t 的 校验码位输入到并串转换模块，经过并串转换处理后将校验位输出，将存储在信 息位缓存的信息位紧跟在校验位输出，完成整个编码过程。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 串 图2 1 基于s r a a 电路的多码率前向纠错编码方案 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 基于s r a a 电路复用的多码率前向纠错编码方案 在文献 7 】 8 中介绍了一种基于s r a a 电路复用的多码率前向纠错编码的方 案。如果单独设计基于s r a a 电路的单码率串入并出结构前向纠错编码器，0 4 码 率情况下需要消耗3 5 个s r a a 电路，0 6 码率情况下需要消耗2 3 个s r a a 电路， 0 8 码率情况下需要消耗1 1 个s r a a 电路。考虑到在o 6 与o 8 情况下s r a a 电路 的利用率不高，而且三种码率情况下消耗的s r a a 电路数目与1 2 的倍数相近，由 此对2 1 1 节所设计的前向纠错编码方案进行了改进。改进后的前向纠错编码器原 理图如图2 2 所示。 串 图2 - 2 基于s r a a 电路复用的多码率前向纠错编码方案 2 2 现有前向纠错编码方案的性能分析及结构优化 对于现有d m b t h 系统的前向纠错编码结构，均采用了串行b c h 编码+ 基于 s r a a 电路复用的q c l d p c 编码结构。其中b c h 编码的资源消耗比q c l d p c 编码的资源消耗少很多，而l d p c 编码器的资源耗费主要集中在s r a a 电路的使 用上。对于单码率的s i p o 结构l d p c 编码器设计，0 4 码率情况下需要3 5 个s r a a 电路，0 6 码率的情况下需要2 3 个s r a a 电路，0 8 码率下需要1 1 个s r a a 电路。 设计多码率的l d p c 编码器，可以通过资源复用，只需要3 5 个s r a a 电路即可实 现支持多码率的l d p c 编码电路。 在2 1 1 节中介绍的编码方案采用了3 5 个s r a a 电路复用的方式实现l d p c 编码，整个前向纠错编码器的硬件资源消耗为：触发器8 9 0 0 个，二输入与门4 4 4 5 个，二输入异或门4 4 4 7 个。从信息码输入前向纠错编码器到一个7 4 9 3 b i t 长的l d p c 码的校验位计算结束，所消耗的时钟周期数为：0 4 码率情况下3 0 4 8 个时钟周期； 0 6 码率情况下4 5 7 2 个时钟周期；0 8 码率情况下6 0 9 6 个时钟周期。 1 0 第二章d m b t h 系统多码率前向纠错编码优化结构的设计 而2 1 2 节中介绍的前向纠错编码结构，b c h 编码方式与2 1 1 节中的方案相 同，均为串行编码。在q c l d p c 编码中采用了s r a a 电路复用结构，s r a a 电路 的消耗由3 5 个减少为了1 2 个，当码率o 4 时复用3 次，当码率为0 6 时复用2 次， 当码率为0 8 时，不需复用。整个前向纠错编码器硬件资源消耗为：触发器3 0 5 8 个，二输入与门1 5 2 4 个，二输入异或门1 5 2 6 个。从信息码输入前向纠错编码器 到一个7 4 9 3 b i t 长的l d p c 码的校验位计算结束，所消耗的时钟周期数为：0 4 码 率情况下9 1 4 4 个时钟周期；0 6 码率情况下9 1 4 4 个时钟周期；0 8 码率情况下6 0 9 6 个时钟周期。 已有的这两种前向纠错编码方案在b c h 编码均采用了串行编码方案，在 d m b - t h 系统的前向纠错编码设计中，b c h 编码所占资源相对l d p c 编码要少的 多，但是b c h 编码方案以及编码速率对其后的l d p c 编码方案以及整个前向纠错 编码的速率都有决定性的影响。 可以对d m b t h 系统的前向纠错编码结构进行优化处理，采用并行b c h 编码 + 并入串出q c l d p c 编码结构，由于采用了并行b c h 编码，整个前向纠错编码的 效率有所提高，由此对整个前向纠错编码器的编码效率会有提升。整个前向纠错 编码原理图如图2 3 所示。 r 赢磊： - - 图2 - 3 基于并行b c h 编码的多码率前向纠错改进编码方案 这种方案的资源消耗较前节介绍的方案多，但是编码速率与现有的多码率前 向纠错编码方案相比有了大的提高。 对于前向纠错编码器优化方案中各个模块分析、比较与设计，将在本章中随 后小节中进行详细的研究与设计，最后会对d m b t h 系统多码率前向纠错编码器 优化方案中的b c h 编码模块与q c l d p c 编码模块分别进行设计，然后对整合后 的前向纠错编码优化方案与现有方案进行性能分析和比较。 电子科技大学硕士学位论文 2 3d m b t h 系统中b c h 码编码结构设计 现有的d m b t h 系统的b c h 码编码均为串行编码结构，本节中将通过对串行 b c h 码编码结构进行研究，获得适用于多码率前向纠错编码优化结构的并行b c h 编码结构。 2 3 1 串行b c h 码编码结构 在d m b t h 标准中所使用的b c h 码为b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 的截短码( 7 6 2 ，7 5 2 ) ，在 7 5 2 比, 特数据的扰码处理后的码前添加了2 6 1 比特的0 成为1 0 1 3 比特，编码成1 0 2 3 比 特。生成多项式为： g 脱w ( x ) = 1 + 工3 + z l o ( 2 1 ) d m b t h 标准中使用的b c h 码是系统码，即数据位在前，校验位在后。系统 码实现的编码方式是将信息码多项式升万一后次幂后除以生成多项式，然后将所得 余式至于升幂后的信息多项式之后。 这一编码过程可以用式( 2 2 ) 表示出来【9 】： 乏铲刊咖器 倍2 ， 这里g ( d ) 为商式。由此得到的系统循环码多项式为 彳( d ) = d ”咄 4 ( d ) + ，( d )( 2 3 ) 其中 r ( d ) = m ( d ) d ”m o dg ( d ) ( 2 - 4 ) 多项式除法，在工程上通常使用l f s r ( 线性反馈移位寄存器) 除法电路实现【姗。 一种是采用“内接的异或( 模2 和) 电路，另一种采用“外接 异或电路。 对于d m b - t h 标准的编码系统中，这两种电路分别如图2 - 4 ，图2 5 所示。 m 图2 _ 4d m b - t h 标准b c h 码“内接”异或编码电路 1 2 第二章d m b - t h 系统多码率前向纠错编码优化结构的设计 g ( d ) = l +d 3 + d 1 0 m ( d ) 图2 5d m b t h 标准b c h 码“外接”异或编码电路 上述的两种编码方案虽然可以用作编码器，但是由于前1 0 次移位只是用于将 信息码元输入移位寄存器，因此在信息码元输出之后，尚需1 0 次移位才能输出监 督码元，其间存在1 0 位间隙。为此，还可以采用预先乘以d 1 0 的编码方案，如图2 6 所示。在前7 5 2 位信息码元输入时，开关打在下方，在信息位输入电路进行反馈运 算的同时，输出信息位。在第7 5 3 个时钟开始开关打在上方，将存储在移位寄存器 中的校验位数据串行输出。 l 上唧磊 图2 _ 6d m b - t h 标准b c h 码串行编码电路 2 3 2 并行b c h 码编码结构的获得 采用并行b c h 编码算法进行编码可以实现在一个时钟周期内输入m 个信息 位，而并行编码算法的核心是要求出时刻r 和时刻t + m 时刻寄存器与输入的m 个 信息位之间的关系，若k 个信息位恰好是m 的整数倍，那么经过k m 个时钟周期后， 移位寄存器的状态就是所计算的校验位的值，从而实现了系统形式的b c h 编码。 由于采用的b c h 码为b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 的截短码，可以采用靠= 7 7 0 ，k = 7 6 0 ， 即在截短码( 7 6 2 ，7 5 2 ) 前补8 个0 。这样，取m = 1 0 ，即在一个周期处理1 0 b i t 的信 息，只需要7 6 个时钟周期即可实现编码。 下面开始计算推导余数寄存器的状态转移矩阵。 设时刻t 寄存器的状态为x ( d = ，五，恐，黾，毛，而，黾，而】，输入为z ，根 据图3 1 所示的串行编码器，在t + 1 时刻余数寄存器的状态如式( 2 5 ) 所示： 1 3 电子科技大学硕七学位论文 x ( r + 1 ) = 毛。而 而 五 屯。而 而 兄 屯 气 墨 黾 ( 2 5 ) 根据式( 3 - 2 ) ，在输入1 0 b i t 数据m = ，毛，z 2 ，z 3 ，乙，乞，z 6 ，z 7 ，z 8 ，z 9 】，t + 1 0 时刻 时，可以计算出寄存器的状态转移矩阵。如式( 2 6 ) 所示： x ( 丁+ 1 0 ) = z o o 而。而 刁。五。黾 z 2o 恐。而 弓。而。毛o j c 7 z 4o 五o o 黾 毛。而。玛。而 z 6o 而ox 6 z 7 0 心o x 7 气。墨。气 z 9o 讫。而 2 3 3 两种编码结构的性能比较与选取 ( 2 6 ) 由前两节我们可以知道，串行b c h 编码结构和并行b c h 编码结构都是基于生 成多项式的编码算法。两种结构编码速度及占用的硬件资源如表2 1 所示。 表2 1 两种编码结构资源利用对比 编码结构触发器 二输入与门 二输入异或门编码时间 串行编码 1 0 o 27 5 2 并行编码 1 0 o2 3 7 6 由表3 1 中对比可知