（通信与信息系统专业论文）dvb信道编解码算法研究与fpga实现.pdf

d v b 信道编解码算法研究及f p g a 实现 摘要 随着人们对于数字视频和数字图像的需求越来越大，数字电视 广播和手机电视迅速发展起来，但是人们对于数字图像质量的要求 也越来越高。对于观众来讲，画面的质量几乎是最为重要的，然而 由于信道传输特性不理想和加性噪声的影响，不可避免地会产生误 码，导致图像质量的下降，甚至无法正常收看。因此，为了保障图 像质量就需要采用纠错编码( 又称信道编码) 的方式来实现通信。 在数字视频广播系统( d v b ) 中，无论是卫星传输，电缆传输还是 地面传输都采用了信道编码。 本文首先深入研究d v b 标准中的信道编码部分的关键技术；然 后依照d v b t 标准技术要求，设计并硬件实现了数字视频传输的信 道编解码系统。在该系统中，编解码器与信源端的接口利用了 m p e g 2 的视频传输接口同步并行接口( s p i ) ，这种接口的应用让 系统具有很强的通用性；与信道端接口采用了g 7 0 3 接口，具有g 7 0 3 接口功能和特性的数据通信设备可以直接与数字通信设备连接，这 使得应用时对于信道的选择具有较大的灵活性。 在深入理解r s 编解码算法，卷积交织解交织原理，卷积编码 v i t e r b i 译码算法原理的基础上，本文给出了解码部分的设计方 案，并利用x i l i n x 公司的s p a r t a n m 系列x c 3 s 2 0 0 0 芯片完成方案 的硬件实现。在r s 解码过程中引入了流水线机制，从而很大程度 上提高了解码效率。解交织器部分采用了r a m 分区循环法，利用 对r a m 读写地址的控制实现解卷积交织，这种方法控制电路简单， 实现速度比较快，代价小。v i t e r b i 译码器采用截尾译码，在几乎 不影响译码准确度的基础上大大提高了解码效率。 关键宇：d v br s 编解码卷积交织v i t e r b i 译码f p g a 北京邮电大学硕士论文 t h ea l g o r 【1 h 】r e s e a r c han d 舳l e 匝n 咖o no nf p g ao fc h a n n e i ， c o d i n go fd v b a st h ed e m a n d so fd i g i t a lv i d e oa n dd i g i t a li m a g eb e c o m e m o r ea n dm o r eg r e a t e r , d i g i t a l1 vb r o a d c a s ta n dm o b i l et vd e v e l o p r a p i d l y , a tt h es a m et i m e ，b e t t e rd i g i t a li m a g eq u a l i t yi sr e q u i r e d f r o m t h ea s p e c to fa u d i c e ，t h ei m a g eq u a l i wt a k e st h em o s ti m p o r t a n tp a r t ， b u tf o rt h ew d r s ep e r f o r m a n c eo ft r a n s m i tm e d i aa sw e l la st h ei n c o m i n g n o i s ei n t e r f e r e n c e ，t h ei m a g eq u a l i t yi n e v i t a b l yd e c r e a s e s ，s o m e t i m e s e v e nc a n n o tp l a y a sar e s u l t ，w en e e de r r o r - c o 饿娥c o d i n g ( a l s oc a l l e d c h a n n e lc o d i n g ) t oi n s u r et h ei m a g eq u a l i t yd u r i n gt h et r a n s m i s s i o n i n t h ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ( d v b ) s y s t e m ，w em a k eu s eo fc h a n n e l c o d i n gi na l lk i n d so fm e d i a ，n om a t t e rs a t e l l i t e ，c a b l e ，o rt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t 1 1 1 ep a p e rf i r s t l ym a k e sad e e pr e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo f c h a n n e lc o d i n gi nd v bs t a n d a r d ，t h e nd e s i g n st h ec h a n n e lc o d i n g s y s t e mf o rd i 百t a lv i d e ot r a n s m i s s i o na n di m p l e m e n ti to nh a r d w a r e i n t h es y s t e m , t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ec h a n n e lc o d e ca n ds o u r c 圮h a s m a d eu s eo fs y n c h r o n o u sp a r a l l e li n t e r f a c e ( s p i ) ，w h i c hi so fs t r o n g c o m p a t i b i l i t y ；a i s ot h es y s t e mu s e sg 7 0 3o nc h a n n e li n t e r f a c e g 7 0 3 i n t e r f a c eh a st h ef e a t u r et h a tm a k e sd i r e c t l yc o n n e c t i o na m o n gd i g i t a l c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s ，w h i c hg i v i n gac o m p a r a t i v e l yl a r g ef l e x i b i l i t y i nc h o o s i n gt h et y p eo f c h a n n e l o nt h eb a s i so f d e e p l yu n d e r s t a n d i n go f r sc o d i n ga l g o r i t h m , c o n v o h t i o n i n t e r l e a v e ，c o n v o h t i o nc o d i n g v i t e r b id e c o d i n g a l g o r i t h m , t h i sa r t i c l eg i v e sad e s i g ns o l u t i o nf o rd e c o d i n gs e c t i o n , w h i c hh a sb e e ni m p l e m e n t e dw i t hs p a r t a ni i is e r i e sc h i p so fx i l i n x c o m p a n y i nr sd e c o d i n gp r o c e s s ，p i p e l i n em e c h a n i s mi si n t r o d u c e dt o e n h a n c ed e c o d i n ge f f i c i e n c y r a mr e c y c l i n gd i v i s i o ni sa p p l i e di n d e - i n t e r l e a v e r , u s i n gr a ma d d r e s s i n gi oo p e r a t i o nt oi m p l e m e n t c o n v o l u t i o ni n t e r l e a v e r d e i n t e r l e a v e r t h i sa p p r o a c hh a s t h ef e a t u r e t h a te a s yc i r c u i t ，f a s ti m p l e m e n t l i t t l ec o s t v i t e r b id e c o d e ru s e t r u n c a t ed e c o d i n gw h i c hi n c r e a s e st h ed e c o d i n ge f f i c i e n c yw i 也l i t t l e i n f l u e n c eo nd e c o d i n ga c c u r a c y d v br sc o n v o l u t i o n - i n t e r l e a v e v i t e r b i d e c o d i n g f p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：；刍二_ 囊瞑日期：二逸雩l j ! l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 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，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 日期：垃：主：垂 日期：左丑：至f 北京邮电大学硕士论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着近年来可视电话、会议电视、远程医疗、远程教学、视频点播、计算 机图像等视频影像在人们的日常生活中的普及，我们可以看到，数字化是未来 技术发展的必经之路。目前我们的电视广播系统还主要以模拟信号为主，并处 在由模拟向数字化过渡的阶段，预计在未来几年内，数字电视会得到长足的发 展。 数字电视传输网络主要指地面、有线和卫星三大数字电视广播传输网络。 地面数字电视广播网络通过电视台制高点天线发射无线电波，覆盖电视用户， 用户通过接收天线和电视机收看电视节目。 传输信道编码是数字电视系统的重要组成部分，数字电视的优越性在很大 程度上也体现在这里。对于信道编码，有以下基本要求： 增加尽可能少的数据率而获得较强的检错纠错能力； 对数字信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的数字信号没有任何 内容限制； 传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性； 编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收的准确； 有适当的电平范围； 一旦误码，误码的扩散蔓延小。 1 2 信道编码的应用 s h a n n o n 信道编码定理告诉我们：每一类信道都存在着一定的容量c ，它 表示信道的极限传输能力，只要实际传输速率r l 所以 s ( 力仃( 力= o j ( x x m o d x 2 “1 ) 由于恒等式左边最高次数为2 t ，故上式成为 毒删竹噶鬈叫咖c 功 对盯( 功的求导数有 工 一仃( 可1 ) 百= 兀( 1 一_ 百) 舞 式( 3 2 8 ) 式( 3 - 2 9 ) 式( 3 - 3 0 ) 所以错误值为 巧= 帮一剽一 娴， 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。简言之，r s 码时域解码算法可以概括为以 下五个步骤： ，卜l 根据接收码字计算伴随式：母= ，) = 弓扩扣l ，2 ，2 t j = o 心 采用b m 迭代算法决定错误位置多项式盯( x ) = l + q ，和错误值多 项式彩( = l + q 工。 用钱搜索的方法找出错误位置多项式的根，错误位置多项式的根的倒 数就是错误位置。 咖釉呻鼽觯螨髓：鬈2 错一器l 1 7 北京邮电大学硕士论文 从接收码字中减去错误样图，就得到纠错后的码字。 3 2 2r s 解码器的设计实现 根据r s 码时域解码算法的五个步骤，我们将r s 解码器分为如下五个部分： 伴随式计算器、关键方程求解器、错误位置计算器、错误值计算器以及f i f o 控制器。解码器整体实现框图如图所示。本文将对上述五个部分中的伴随式计 算器、错误位置计算器、错误值计算器以及f 礤。控制器模块详细介绍的具体 实现。 图3 - 5r s 解码器总体结构框图 3 2 2 1 伴随式计算器的设计 ( 1 ) 逻辑功能电路 r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 解码的第一步就是计算1 6 个伴随式墨( f = q l ，1 5 ) 的值， 伴随式多项式 2 t - i s = 墨五 式( 3 3 2 ) l 柚 n - i 其中：s t = r ( ) = e r j a u i = 1 ，2 , - - - , 2 t 1 - o 上面的方程可以写成 墨= 【( 一l a 4 + 一2 ) 口+ - 3 p + + ) 口+ 式( 3 - 3 3 ) 这样我们可以通过下面的递推方程计算最： = 一一l a + ，：| 一，一l _ ，= o ，l ，万一l式( 3 3 4 ) 其中j ，是第j 步的部分和，并且。= o ，s n 一。= s i 。从上式可以看1 6 个伴随式的 计算都是独立并行而且可以递归运算。计算伴随式的逻辑电路结构如图3 _ 6 所 示。 北京邮电大学硕士论文 r e 昏r 2 0 $ 图3 - 6 伴随式计算器逻辑电路结构 开始时所有寄存器d 全部初始化为0 ，接收码字0 是以并行的方式依次输 入到1 6 个有限域加法器中。在第i 个时钟周期，寄存器d 的值与的本原元素口 进行有限域乘法之后乘积与接收码字进行有限域加法运算，结果存回到寄存器 d 。经过2 0 4 个时钟周期之后，当2 0 4 个接收的信息都被处理后，寄存器d 中 的累加结果就是所要计算的伴随式的值置。这样，就可以并行产生1 6 个所需 要计算的伴随式。在此模块中一个伴随式计算单元由一个有限域乘法器、一个 有限域加法器以及一个d 寄存器构成。解码器包括1 6 个这样的伴随式计算单 元。 ( 2 ) 伴随式计算器模块的设计实现与仿真 根据逻辑功能电路，使用v e n l o gh d l 语言编写实现伴随式计算器模块。 模块s y n d r o m e 的接口如图3 7 所示： s y n d r o m e 1 9 北京邮电大学硕士论文 图3 - 7 伴随式计算器模块接口 输入端口：c l k ，r e s e t ，c o d e i n ，i n i t ，n e x t r f d ，i n e n b 输出端口：o u t e n b ，s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 , s 5 ，s 6 ，s 7 ，s 8 ，s 9 ，s 1 0 ，s l l ，s 1 2 ，s 1 3 ，s 1 4 ，s 1 5 端口含义： c l k时钟 r e s e t复位信号 c x x i e i n 待解码并行数据 n e x t r f d关键计算模块是否做好准备 i n e n b待解码数据有效信号 i n i t重新开始传送包的标志信号 o u t e n b输出伴随式值有效信号 s o s 1 5解码所需计算的1 6 个伴随式值 ( 3 ) 模块仿真 模块设计完成后，首先要对其进行行为仿真( 即前仿真) 。此处测试方法是将1 ， 2 ，1 8 8 经过r s 编码后，存入文件。编码后，1 6 个校验位分别为2 2 7 ，2 4 4 ， 2 4 4 ，2 3 7 ，1 5 9 ，9 ，1 9 ，1 0 ，1 3 1 ，1 5 1 ，8 6 ，1 2 6 ，2 0 ，1 5 5 ，2 3 0 ，2 3 7 。解码 器直接读取数据文件，对其进行解码，伴随式计算模块输出部分数据如图3 - 8 所示。 图3 - 8 伴随式输出仿真波形 北京邮电大学硕士论文 3 2 2 2 错误位置计算器与错误值计算器的设计 ( 1 ) 错误位置计算器逻辑结构设计 在r s 解码算法中，利用钱搜索的方法来找出错误位置多项式a ( x ) 的根。 如果o ( a - j ) = o ，j = o ，l ，n ，则口7 为错误位置。r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 解码器中错误位 置计算器的逻辑电路结构图如图3 - 9 所示。 图3 - 9r s ( 2 0 4 1 8 8 ) 解码器错误位置计算器逻辑电路结构图 若r s 码的参数中n 恰好为2 m 一1 ( 如m = 8 时n = 2 5 5 ) ，则图中寄存器口初始 值分别存放错误位置多项式a ( x ) 的系数q ，o 2 ，q ，但是如果所研究的r s 码为 缩短码，则寄存器口中存放的并不是错误位置多项式盯( 曲的系数，而是它们 系数的适当倍数。在本论文中，所设计研究的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 是r s ( 2 5 5 , 2 3 9 ) 的缩短 码，它是r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 前5 l 位都为0 而得到的，在r s 解码器的f p g a 实现中 并不需要在它的码字前面加5 1 个0 ，而是要在此的钱搜索模块的寄存器的初始 值的设定中体现出来。在实现过程中，相当于寄存器d 的初始值分别存放着 4 5 2 q ，a 1 “吒，a 1 5 6 码，口“q ，a 5 q ，a 5 7 ，口1 “t r 7 ，a 1 “。 每个时钟周期，第i 个寄存器d i 的值与q 相乘，并将结果存入寄存器q 。 t 第k 个时钟周期时，所有寄存器的累加和为q o y + ，通过判断它的值是 j - i 否为o ，就可以判断口t 是否为错误位置。若要找出所有的错误位置，则需要 2 1 北京邮电大学硕士论文 进行n - 1 次这样的运算。 ( 2 ) 错误值计算器逻辑结构设计 图3 - 1 0r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 解码器错误值计再器逻辑电路结构 在r s 解码算法中，利用f o r n e y 算法计算错误值的公式为： p 剖z o ， 趣3 - 3 5 ) z 一， 其中z 为错误位置多项式盯( 曲的根，即为发生错误的位置。根据有限域的 特性，任意本原元素的偶次倍都为0 ，奇数倍则为该本原元素本身，我们可以 知道： a ，( z ) = a l z ) ，= a i + 2 a 2 z + 3 0 ，z 2 + 鸭+ 口，z 。+ ”州钳产圭a 一引 式( 3 - 3 6 ) o 为不大于t 的最大的奇数，吒甜( z ) = q z + q z 3 + + 扣，因此， 利用f o m e y 算法计算错误值公式可表示为： 北京邮电大学硕士论文 耳= 兰娑= 一兰唉 式( 3 3 7 ) z dt z ) ( t o d d t z j 图3 - 1 0 中所示为计算国( z ) 以及计算错误位置值z 的逻辑电路图，可以发现 它和错误位置计算器的电路结构大致相似，同样存在开始时寄存器初始值的设 定。t r 。u ( a o ) 为错误位置多项式奇数项之和，来自于错误位置计算器。 ( 3 ) 错误位置与错误值计算器模块的设计实现与仿真 根据上面错误位置计算器与错误值计算器的逻辑结构设计，使用v 既i l o g h d l 语言完成了模块的具体设计和实现。模块框图如图3 1 l 所示： e r r o r 撕_ 图3 - 1 1 错误位置和错误值计算器模块接口 输入端口：c l k , r e s e t , b m r d y , t a o u 0 t a o u 7 o m e g a 0 o m e g a 7 输出端i ：1 ：r f d 。r d y , e r r o r m a g n 端口含义：c l k时钟 r e s e 丌 b l n r d y t a o u 0 t a o u 7 o m e g a o o m e g a 7 r f d 妨y e r r o r m a g n 复位信号 b m 模块输出有效信号 错误位置值多项式系数 错误值多项式系数 模块准备完毕的标志位 错误值输出有效信号 错误值输出 北京邮电大学硕士论文 图3 1 2 错误位置与错误值计算器模块仿真波形 3 2 2 3f i f o 控制器的设计 通过以上模块，完成了从接收多项式r ( 曲找出错误的位置和错误值，即 错误图样e ( 。如要实现纠错，只需从接收多项式“功中减去p ( ，这样就 得到正确码字c ( 曲= ，( x ) p ( 曲。由于r s 解码需要时间，因此我们必须引入 f i f o 来完成纠错。将接收到的码字先存入f i f o 中，当系统完成此段码字的解 码后，利用错误值输出有效信号r d y 以及f i f o 读使能信号r d 来实现接收_en 数据和错误值的相减，即比特之间的异或操作。此处f i f o 利用了同步f i f o 的 婵核辅助实现，具体模块接口如图3 一1 3 所示： f i n a l o u t l m t 图3 _ 1 3 纠错模块框图 输入端口：c r e s e t , c o d e o u t , c o d e i n ，i n e n b ，o u t e n b 输出端口：f i n a l e n b ，f i n a l o u t 端口含义：c l k时钟 r e s e t复位 c o d e o u t错误值输出 北京邮电大学硕士论文 c o d e i n i n e n b o u t e n b f i n a l e n b f i n a l o u t 接收到的数据 待解码数据有效信号 错误值输出有效信号 解码输出正确值有效信号 解码输出正确数据 图3 1 4 纠错模决仿真波形 3 3 包同步的捕获与跟踪 3 3 1 包同步的捕获与跟踪的设计 本论文针对的数字视频图像的传输，而且在实现上依照d v b 的标准。因此 传输的数据流格式是m p e g 2 的t s 流，它是由长度固定为1 8 8 个字节的包构成， 且每个包具有一个固定的包头作为同步标志，即第一个字节为0 x 4 7 。由此解码 端在解码系统工作之前，要先达到传输流包的同步，即找到包的同步字节 p s y n c = 0 x 4 7 ，并对其后的每个包头进行检查。连续在正确位置发现3 个包同步头， 即认为达到传输流的同步，可以开始解码。如果在同步状态下，连续2 次没有 在正确位置找到同步头，则认为同步失锁，需要重新同步码流。接下来将介绍 包同步的捕获与包同步的跟踪的具体过程： 1 包同步的捕获过程 对于输入数据进行循环逐字节检测，当第一次捕捉到包同步节字 p s y n c = 0 x 4 7 后，从该包同步字节p s y n c = 0 x 4 7 算起每隔2 0 4 d 字节就再检测一次包 同步字节p s y n c = 0 x 4 7 。如果紧接着的连续两次都检测到，则认为包同步已被捕 捉到：只要有一次被中断，包括紧接着一次被中断之后连续两次都检测和检测 到一次又被中断一次，都认为包同步未被捕捉到。 2 包同步的跟踪过程 北京邮电大学硕士论文 包同步跟踪的过程如下：在包同步字节已经捕获到以后，每隔2 0 4 个字节 检测一次包同步字节p s y n c = 0 x 4 7 ，如果检测到包同步字节p s y n c - - 0 x 4 7 ，则认为 码流仍维持原同步状态；如果没有检测到包同步字：骨 p s y n c = 0 x 4 7 ，则认为码流 中有同步事件丢失的发生。考虑到数字信号在信道中要受到各种噪声的干扰， 从而产生一定的误码也是不可避免的。因此在包同步的跟踪过程期间，允许在 一定的范围内可以有码流同步事件丢失的发生，允许有连续两次码流同步事件 丢失的发生；当连续三次或三次以上码流同步事件丢失的发生，则认为包同步 已丢失。当包同步丢失后，需要重新进入包同步的捕获过程。 3 3 2 包同步的捕获与跟踪的实现 本文中，利用6 状态的状态机实现了在包同步的捕获与跟踪。其状态转移 图如下图3 1 5 所示： 图3 一1 5 包同步的捕获与跟踪状态转移图 各转移条件含义： c o n 0 ：表示包同步字节p s y n c 没有被检测到； c o n l ：表示包同步字节p s y n c 被检测到； c o n 3 ：表示己检测到包同步字节p s y n c 时，并且过2 0 4 个字节后，再次检测到包 同步字节p s y n c ； c o n 4 ：表示己检测到包同步字节p s y n c 时，但是过2 0 4 个字节后，没有检测到 包同步字节p s y n c 。 在包同步捕获阶段时，判断包同步的获得或丢失所需要的检测步数 ( t r a c k s t e p ) 是可变的，可以根据用户的需要而定。当检测步数( d 为n 时，即t - - n ， 北京邮电大学硕士论文 误警概率弓为( 2 _ 8 ) 4 。般检测步数t 的取值都大于2 ( ，r 2 ) ，通常检测步数：t 取在3 至5 步。如果检测步数t = 3 时，误警概率为p ，= ( 2 - 。) 3 = 6 1 0 4 ；如果检测步 数t = 5 时，误警概率为p r = ( 2 4 ) 5 - - 9 1 0 - ”；当检测步数1 谜为3 ( ，r _ 3 ) ，误警概率 为6 1 矿，就己满足要求。下面详细介绍包同步捕获和跟踪的各状态以及各状 态之间的转移过程和条件。 i d l e ：初始搜索态。在状态i d l e 期间，如果包同步字节p s y n c 被检测到，就 认为有一个同步事件发生，由状态i m e 转到状态c a p l ；在状态i d l e 期间，如果包同 步字节p s y n c 没有被检测到，则无同步事件发生，状态仍维持原状态i d l e 不变。 c a p l ：第一次检测到包同步字节后的捕捉状态。在进入状态c a p l 时，并经 过2 0 4 + 字节后，如果包同步字节p s y n c 被再次检测到，就认为又有一个同步事 件发生，由状态c a p l 转到状态c a p 2 ；在进入状态c a p l 时，并经i 立2 0 4 个字节后，如 果包同步字节p s y n c 没有被检测到，则认为原同步事件丢失，由状态c a p l 返回到 初始搜索态i d l e 。 c a p 2 ：连续第二次检测到包同步字节后的捕捉状态。在进入状态c a p 2 时， 并经过2 0 4 个字节后，如果包同步字节p s y n c 被再一次检测到，就认为同步事件 已捕捉到，由状态c a p 2 转到同步状态s y n c ；在进入状态c a p 2 时，并经过2 0 4 个字 节后，如果包同步字节p s y n c 没有被检测到，则认为原同步事件丢失，由状态c a p 2 返回到初始搜索i d l e 。在包同步捕捉期间，当状态进入同步状态s y n c 时，表示传 送流t s 的包同步已被锁定：包同步捕捉过程已完成，进入包同步跟踪过程。在包 同步跟踪过程期间，在包同步字节( p s y n c = 0 x 4 7 ) 之后，每隔2 0 4 个字节检测一次 包同步字节p s y n c ，如果检测到包同步字节p s y n c ，则认为码流仍维持原同步状 态s y n c ；如果没有检测到包同步字节p s y n c ，则认为码流中有同步事件丢失的发 生，至于传送码流t s 的包同步是否丢失，要视情况而定。 s y n c ：同步状态。在同步状态s y n c 期间，从包同步字节p s y n c 算起每隔2 0 4 个字节就再检测一次包同步字节p s y n c ，如果每次都检测到，则认为码流处于正 常同步状态，状态仍维持原状态s y n c 不变；如果有一次没有被检测到，就认为 有一个同步事件丢失的发生，状态由状态s y n c 转到状态l o s l 。 l o s l ：包已同步时的第一次包同步字节的丢失状态。在进入状态l o s l 时，并 经过2 0 4 个字节后，如果包同步字节p s y n c 又被检测到，就认为包同步又已恢复， 由状态l o s l 转到同步状态s y n c ；在进入状态l o s l 时，并经过2 0 4 个字节后，如果 包同步字节p s y n c 还没有被检测到，则认为同步事件又一次丢失，由状态l o s l 转 到状态l o s 2 。 北京邮电大学硕士论文 l o s 2 ：包己同步时的连续第二次包同步字节的丢失状态。在进入状态l o s 2 时，并经过2 0 4 个字节后，如果包同步字节p s y n c 又被检测到，就认为包同步又 己恢复，由状态l o s 2 转到同步状态s y n c ；在进入状态l o s 2 时，并经过2 0 4 + 字节后， 如果包同步字节p s y n c 还是没有被检测到，则认为原来包己同步的传送码流的包 同步己经丢失，由状态l o s 2 转到初始搜索状态i d l e 。 3 3 2 包同步的捕获与跟踪的仿真 图3 1 6 给出了包同步捕获和跟踪仿真波形，图中的s t a t e 信号表示的即为当 前所处的状态。图中显示的是，状态由2 ( c a p 2 ) 进入3 ( s y n c ) 的过程，此时 说明包同步已经锁定，进入同步状态。 酬篡麓；嚣胃 砌m 嘣附l f l | l睢哪眦刖i i l | l 删9 6 n n n l n l h 囡唧删删l f i | i璩且腰 l f l 吼| | | | f i 栅雕弧 蘸戚耐黼 躺 llu 1且j? 旷一_ l 几厂1 u r 疋一n r 眦 麓瓣c a l 嘲r 0n口 黪潮獬睹 i 髭嘲 瓣 lj 一t 一己j l 己r 弋x1 一几fl 广1j 鍪麟$ 瓣躺 3i2b 蘸糍 0i2n l 陵；燃 l 鏊“蚴蝣d 铷l 5踮1 西团i晒脚l 研；n口dm 黪一。瞬l 嘲随m 嚣 i i i i i i i i i i1 1 1 i i i i i i ii i i i i 】i i i i ii l i i l l i i i i i i i i i i li i l i i i i i l li i i i ii i i i ii i i ： 酴砸目c 哪睦 ： l rl王 一_ l l工一m几_ jlr 1j 蘸孵目漱鳓 i 錾鬻 铺 i 爹说翻龇嘏 5 4 1 蚂咖聊耻mi | 1 1口l玎1 4 g l m 篾砒啦眦i i i i【1 1 1 i ii i i i l li i i l i i i i 】i i i i i l i i i i i i i i i i i i i i i li i i l i i i i i i h i i i i l i i l l li i i i ： 3 4s p i 接口设计 图3 - 1 6 包同步捕获和跟踪仿真波形 3 4 1m p e g - 2 视频传输接口简介 在目前的d v b 广播电视系统的传输接口中，有两种m p e g - 2 视频传输接 口标准：异步串行接口标准a s i 和同步并行接口s p i 。 ( 1 ) a s i 接口 a s i 传输流可以有不同数据速率，但传输速率恒定，为2 7 0 m b p s ，因此a s i 可以发送和接收不同速率的m p e g - 2 数据。a s i 传输系统为分层结构。最高层、 第2 层使用m p e g 2 标准i s o i e c1 3 8 1 8 一l ( s y s t e m ) ，第0 层和第l 层是基 于1 s o i e cc d1 4 1 6 5 1 的f c 纤维信道。f c 支持多种物理传输媒介，如同轴 电缆传输等。 ( 2 ) s p i 接口 并行传输系统s p i 包括一位时钟信号、8 位数据信号、一位帧同步信号和 北京邮电大学硕士论文 一位数据有效信号。帧同步信号对应t s 包的同步字节0 x 4 7 ，数据有效信号用 来区分t s 包的长度为1 8 8 个字节或2 0 4 个字节。当t s 包长1 8 8 字节时，数据 有效信号一直为高电平，同时所有信号都与时钟信号保持同步，其包格式如图 3 1 7 所示。s p i 一共有l l 位有用信号，每位信号差分成两个信号用来提高传输 抗干扰性，在物理链接上用d b 2 5 传输，因此连线多且复杂，传输距离短，容 易出现故障。但s p i 是并行1 l 位信号，处理简单且扩展性强，因此目前一般的 m p e g - 2 视频编码器的输出和视频解码器的输入都是标准的并行l l 位信号。 a s i 用串行传输，只需一根同轴电缆线传输，连线简单，传输距离长。根据s p i 和a s i 的优缺点，需要传输信号的s p i 和a s i 的互相转换。 一n 门门几 x 烫删 n ：r c i o 矗 d a t a ( e - 7 d v u d 黔v n c 图3 1 71 8 8 字节t s 流包格式 3 4 2s p i 接口实现 在数字视频编解码系统中，信道解码完成之后，将解码数据送入信源解 码器。此处信源为m p e g - 2 的t s 流，而在上一节中已经提到，当今d v b 广播 电视系统的传输接口中，有两种m p e g 2 视频传输接口标准a s i 和s p i 。在本 文中，应用的是同步并行接口s p i 。实现s p i 接口，即按照s p i 信号构成与格 式来传输信道解码数据，其模块设计实现如图3 - 1 8 所示，图3 - 1 9 给出了仿真 波形图。 s e n d f i f o 图3 - 1 8s p i 接口设计结构图 输入端口：e l k , r e l i c , r e s e t , d a t a l n , f i n a l e n b 输出端口：砸c l k , v a l i d ，p s y n c , d a t a o u t 端口含义：e l k时钟 般 北京邮电大学硕士论文 r c l k r e s e t d a t a l n f i n a l e n b s p i c u 【 v h l i d p s y n c d a t a o u t 输出要求时钟 复位信号 信道解码后数据 信道解码后数据有效信号 s p i 接口时钟 s p i 接口数据有效信号 s p i 接口数据包同步字节 s p i 接口传输数据 图3 - 1 9s p i 接口模决的仿真波形图 北京邮电大学硕士论文 第4 章卷积交织原理与设计 4 1 卷积交织的原理与设计方法 4 1 1 交织的作用及原理 卫星传送电视、声音和业务广播系统中，信道不但存在随机性干扰，还存 在突发性干扰，这种干扰的特点是干扰的分布规律有很强的相关性，严重时会 造成成片的数据错误。数字通信系统中的误码，可分为随机误码和连续多位出 错的突发误码两种。虽然r s 码对于随机误码和突发误码都有较好的纠错能力， 但是，对于超过5 7 比特的突发误码，则显得无能为力。在数字电视系统中， 突发误码产生的原因主要有以下两种： 1 1 传输信道，绝大部分实际信道由衰落、噪声干扰所引起的错误往往是随机误 码，但有时也有突发误码，而且错误的长度可能会很长。 单个误码扩散造成多个误码，在本系统中主要是指由扰码引起的误码扩散。 一般说来，扰码产生的误码扩散与线性反馈移位寄存器的特征方程式的项数有 关系。上述原因产生的突发误码一般都集中在一个传送包内，因此造成r s 码 只能检测包内有误码而不能纠正。由于突发误码对数据传输质量的影响比随机 误码大，且错误集中在一起可能超出外码纠错范围，因此，在外码之后需要进行 交织处理，使数据按一定的规律分散发送，接收端加有去卷积交织电路恢复原 来的数据顺序，这样使信道中突发性干扰造成的错误字符也分散开来。它可以 理解成把突发性干扰信道改造成随机性干扰信道，采用交织，系统的纠错能力 可提高几个数量级。 交织过程也可以算是一个编码过程，通过把经过纠错编码的数据进行一定 的排列组合，提高原有纠错码的纠突发错误能力。在数字通信中一般采用的同 步交织有两种方式： ( 1 ) 块交织( 或称矩阵交织) ：它是一个二维存储器阵列( n x s ) ，将数据先 按行写入，然后按列读出，完成交织过程；相应地去交织过程是将数据按列写 入再按行读出。块交织结构简单，但数据延迟时间长而且所需的存储器比较大。 北京邮电大学硕士论文 ( 2 ) 卷积交织 图4 - 1 交织解交织原理图 卷积交织的基本原理就是：其中i 表示交织深度。交织器解交织器共有1 个支路，输入数据依次进入第l 1 支路，并按照各自支路上的延时规律输出， 交织器和解交织器相同支路上的延时是互补的，延时之和均为m + ( i - 1 ) 。这样经 过交织器输出的数据被打乱，再经过解交织器又被重新恢复。为了把这种卷积 交织过程说得明白一些，我们举一个简单的例子，如图4 2 所示。这个卷积交 织器深度i - - a ，第1 行直通，其余3 行延时3 ，6 ，9 个字符。卷积交织的工作 过程：输入和输出每个字节由同步开关逐行交替切换，从第2 行开始有存储器， 它把存入的数据延时m 个字节，第3 行延时2 m ，第4 行延时3 m ，这里假设 m = 3 ，解交织的过程与此相反，图4 2 ，4 3 给出了这种卷积交织器懈交织器工 作时的数据结构图。 拽雕 黼r i 1 2 i e 睡p o i 雕 3 川h - 竺 j 三j 。jt ：- t j 。t j 斟茹i ： 罄豳粼雠 图4 - 3 解卷积交织输入输出数据结构图 图中表示r a m 的初始值，& 表示第0 1 1 个字节以后输入的数据。从图 4 2 左边可以看到，输入顺序是0 l2 3 4 5 6 789 1 0 1 l & ，卷积交织后的输出 顺序是o 4 + 8 + & 1 + 5 + & 9 & 2 + & & 6 + & & 1 0 & & & 3 & & & 7 & & & 1 & & & & 这样就把原来的顺序发送的数据分散发送。从数据结构图的右边可 以看出，输出数据顺序用实竖直线来表示，输入数据顺序对应在输出数据结构 北京邮电大学硕士论文 图则为斜对角线方向。图4 3 则为解交织的数据结构图，图中群表示解交织的 r a m 的初始值。同样在输出数据端，数据读出顺序用实竖线表示，解交织的 写入数据顺序对应卷积交织输出数据则为斜对角线方向。从图4 - 3 中可以看到， 原来发送端分散的发送顺序经解交织后又恢复原来写入的顺序。 d v b 标准中采用的卷积交织。卷积交织的基本思想与矩阵交织是相同的， 只是具体实现不同。d v b 标准规定，对误码保护包进行深度为i = 1 2 的卷积交 织，如图4 _ 2 6 所示，这样即生成一个交织帧。已交织的帧由交叠的误码保护包 组成，且以m p e g - 2 同步字节为边界( 0 x 4 7 ) ，保持了2 0 4 个字节的周期性。 图4 - 4 誊积交织与解交织 可以看出，如果将交织器与反交织器直接联结起来，各条支路的时延就都 为一个恒定值，等于数据通过1 7 x 1 1 个字节的移位寄存器所需的时间。因此经 过交织与反交织后数据帧的结构和顺序并没有改变，只是延时了一个固定的时 间，即通过1 7 x 1 1 个字节的移位寄存器所需的时间，但前提是交织器与反交织 器必须同步工作。所谓交织器与反交织器的同步是指它们同时从第n 条支路开 始，按照相同的顺序依次循环向各支路输入数据和从各支路输出数据。 交织过程：r s 编码码字向第o 一第1 1 支路依次循环输入数据，每条支路 每次输入一个字节；交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支路每 次输出一个字节。r s 码字的同步头永远从第0 支路，即无延时支路传送。这样 交织后的数据流依然保持了r s 码字的同步和长度，为反交织的同步进行打下 了基础。 解交织过程：将输入的交织数据流中识别出的第1 个r s 码字的同步输入 到第0 条支路，以此为起点依次循环向后面各支路输入数据，每条支路每次输 入一个字节；反交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支路每次输 出一个字节。 北京邮电大学硕士论文 4 1 2 卷积交织的实现方法 卷积交织的实现方法主要有： 1 ) f i f o 移位寄存器法：由于卷积交织实际就是将数据进行不同的延迟以 使连续的数据分散开来，实现时最直观简单的方法就是每条延迟支路用f i f o 移位寄存器来实现，这里称为f i f o 移位寄存器法。对于交织器和去交织器都 所需的寄存器数目： 。 曰一1 ) m k 归。一广 式( 4 1 ) 这里假定每个符号为k 比特，当b 和m 比较小时采用该方法简单实用， 但b 和m 都比较大时采用该方法就需的大量的寄存器，如实现d v b 的交织器