DVB-S2中BCH码编译码器设计与仿真_实现硕士研究处学位论文.docx

工程硕士学位论文DVB-S2中BCH码编译码器设计与仿真实现 硕士生姓名（姓名）学科领域（领域名称）研究方向（研究方向名称）指导教师（导师姓名 职称）（协助导师姓名 职称）国防科学技术大学研究生院 基于在线社会网络的装备信息获取关键技术研究 国防科学技术大学研究生院矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。The designation and simulation of BCH encoder and decoder in DVB-S2 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。Candidate：（Candidates Name）Advisor：（Advisors Name）A thesisSubmitted in partial fulfillment of the requirements残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。for the professional degree of Master of Engineering酽锕极額閉镇桧猪訣锥。in （Domain Title）Graduate School of National University of Defense Technology彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。Changsha，Hunan，P.R.China（January，2013）目 录摘 要iv謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。ABSTRACTiv厦礴恳蹒骈時盡继價骚。第一章 绪论4茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.1 研究背景4鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.2 国内外研究现状4籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.3课题研究内容4預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.4文章组织结构4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。第二章 BCH码的编码原理和算法研究4铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.1 DVB-S2的纠错码技术4擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.2 BCH码的编译码原理4贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.2.1 数学基础4坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.2.2 线性分组码4蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.2.3 循环码4買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.2.4 BCH码4綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.3 BCH码的纠错原理4驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.3.1 信道编码定理4猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.3.2 有限域理论4锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。第三章 DVB-S2中BCH算法的研究4構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.1 编码算法4輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.1.1矩阵运算编码算法4尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.1.2 多项式运算编码算法4识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.2 译码算法4凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.2.1 伴随式计算4恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.2.2 求错误位置多项式4鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.2.3 求的根并纠错4硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。第四章 高速BCH码编译码器设计4阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.1 编码器设计4氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4.1.1串行编码器设计4釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。4.1.2并行编码器设计4怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。4.2译码器设计4谚辞調担鈧谄动禪泻類。4.2.1有限域乘法器的设计4嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4.2.2 串行译码器的设计4熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。4.2.3 并行译码器的设计4鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。第五章 高速BCH码编译码器硬件仿真实现4纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。5.1编码器的仿真4颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。5.1.1 串行编码器的仿真和综合4濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。5.1.2 并行编码器的仿真和综合4銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。5.2译码器的仿真4挤貼綬电麥结鈺贖哓类。5.2.1 串行译码器的仿真和综合4赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。5.2.2 并行译码器的仿真和综合4塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。5.3 DVB-S2 中 BCH 和 LDPC 级联码的性能研究4裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。5.3.1 DVB-S2 中 BCH 码的纠错性能4仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。5.3.2 DVB-S2 中 LDPC 码的纠错性能4绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。5.3.3 BCH+LDPC级联码的纠错性能4骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。5.4 级联码中LDPC码GPU仿真性能4瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。5.4.1 LDPC码4鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。5.4.2 译码算法简介4栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。5.4.3 仿真结果4辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。第六章 总结与展望4峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。6.1 课题总结4詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。6.2 课题展望4则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。致 谢4胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。参考文献4鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。表 目 录表 2.1 DVB-S2中普通FEC帧参数4稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。表 2.2 DVB-S2中短FEC帧参数4陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。表 2.3 生成的4沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。表 4.1 普通帧中的 16 次最小多项式44钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。表 4.2 短帧中的 14 次最小多项式44懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。表 4.3 码率与 MODCOD 值对照表44謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。表 4.4 DVB-S2中最小多项式的所对应的次数小于24根4呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。表 5.1 串行编码器综合结果4莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。表 5.2 并行编码器综合结果4麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。表 5.3 串行译码器综合结果4納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。表 5.4 并行译码器综合结果4風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。表 5.5 普通帧格式下 BCH 码的码率4灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。图 目 录图 1.1 DVB-S2 中上行链路系统结构图44铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。图 2.1 DVB-S2中FEC帧格式4攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。图 2.2 与 的关系4趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。图 3.1 BM算法流程图4夹覡闾辁駁档驀迁锬減。图 3.2 改进BM算法流程图4视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。图 3.3 Euclid算法流程图4偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。图 3.4 ME算法流程图4緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。图 4.1 编码器外部接口图4騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。图 4.2 BCH 码的编码器电路204疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。图 4.3 并行BCH编码器简化结构图4镞锊过润启婭澗骆讕瀘。图 4.4 DVB-S2中BCH译码器体系结构4榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。图 4.5 基于有限域乘法的伴随式计算电路4邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。图 4.6 最小多项式除法的伴随式计算电路4嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。图 4.7 迭代运算示意图4该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。图 4.8 ME运算硬件结构图4劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。图 4.9 钱搜索电路结构4臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。图 4.10 串行译码器流水拍数4鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。图 4.11 p位并行伴随式计算单元25414穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。图 4.12 简化后的位并行伴随式计算电路4隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。图 4.13 p位并行钱搜索电路结构2542434浹繢腻叢着駕骠構砀湊。图 5.1 串行编码器仿真波形图4鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。图 5.2 并行编码器仿真波形图4惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。图 5.3 译码器正确性仿真系统结构4贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。图 5.4 串行译码器仿真波形图4嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。图 5.5 并行译码器仿真波形图4薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。图 5.6 DVB-S2 中 BCH 码的误比特率性能4齡践砚语蜗铸转絹攤濼。图 5.7 DVB-S2 中 LDPC 码的误比特率性能4绅薮疮颧訝标販繯轅赛。图 5.8 级联码的误比特率性能4饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。图 5.9 LDPC码因子图4烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。图 5.10 并行多线程译码运算4鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。图 5.11 不同信噪比下的吞吐率4撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。摘 要本课题针对 DVB-S2 中使用的 BCH 码主要进行了编码和译码算法、编译码电路的设计、硬件仿真实现和纠错性能三个方面的研究。在研究了BCH码的数学基础和信息论基础后，给出了几种编译码算法，然后在此基础上设计出了串行和并行两种模式的编码器和译码器，并对编译码器电路进行了FPGA上的仿真，验证了设计满足DVB-S2 应用需求。最后分析研究了 DVB-S2 中级联码的性能。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。本文通过研究以上内容，主要取得如下成果：1、改进了 BCH 码译码算法，主要是针对其所基于的 BM 迭代算法。本文在采用改进的欧几里德算法，迭代次数少于BM算法的次，简化了算法。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。2、设计出了可以动态配置参数的串行编码电路和并行编码电路，串行编码电路主要用移位寄存器实现，并行编码电路主要由组合逻辑网络以及余数寄存器构成。参数的可动态配置使得所设计的编码器能适合更多的应用需求。最后将所设计的两种编码器在FPGA上进行了仿真实现。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。3、设计出了可以动态配置参数的串行译码电路和并行译码电路，分别讨论了伴随式计算电路设计、求错误位置多项式电路设计以及钱搜索模块设计，并分别用串行和并行两种方式进行实现，均设计出了流水译码器体系结构。最后对其在FPGA上进行了仿真实现，算出了8位并行译码器大概的译码速率。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。4、分析了在 DVB-S2 中采用 BCH 和 LDPC 进行级联的原因。对 DVB-S2中单独使用 BCH 码或 LDPC 码和由内码外码组成的级联码分别进行了仿真，根据结果对其性能进行了对比分析，表明了级联码具有更高的性能优势，特别是在编码增益和纠错性能方面。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。主题词：DVB-S2，BCH 编码器，BCH 译码器，并行，纠错性能ABSTRACTThis topic for DVB - S2 BCH code is mainly used in the encoding and decoding algorithm, the decoding circuit design, hardware simulation and error correction performance from three aspects of research. In BCH code is studied mathematics and information theory basis, after several encoding decoding algorithms are given, and then on the basis of serial and parallel design out of the two modes of encoder and decoder, and has carried on the FPGA to make decoder circuit simulation, to verify the design meet the DVB - S2 application requirements. Finally analysis the performance of the DVB - S2 intermediate coupon code.骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。Based on the above research contents, main achievements are as follows:癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。1, improved the BCH code decoding algorithm, the main is based on the ME iterative algorithm. In this paper, after in-depth study of BM iterative process, found that this process does not need to last a valet, therefore proposed reducing the number of iterations required for a valet for a simplified algorithm is proposed.鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。2, design the dynamic configuration parameters can be serial coding circuit and parallel coding circuit, mainly use shift register to realize serial encoding circuit, parallel encoding circuit mainly consists of combinational logic network as well as the remainder register. Parameters can be dynamically configured makes the designed encoder will be more suitable for application requirements. Finally will be designed by the two encoders are simulated in FPGA implementation.榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。3, designed the can dynamic configuration parameters of the serial decoding circuit, and parallel decoding circuit, respectively discusses the valet calculation circuit design, error location polynomial search module design, circuit design, as well as money and with serial and parallel implemented in two ways, both decoder architecture design out of the running water. Finally the simulation is conducted on the FPGA implementation, worked out the 8-bit parallel decoder decoding rate probably.逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。4, analysis used in DVB - S2 BCH and LDPC cascade. Used alone in DVB - S2 BCH code and LDPC code and code by code outside of concatenated code are simulated respectively, according to the results of its performance is analyzed, indicates that the performance of the concatenated code has higher advantages, especially in the coding gain and error correction performance.幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。Key Words：DVB-S2，BCH encoder，BCH decoder，parallel，Error correction performance 誦终决懷区馱倆侧澩赜。第 vi 页第一章 绪论1.1 研究背景2005 年 3 月，欧洲电信标准协会(ETSI)颁布了DVB-S2标准，这是第二代数字视频广播标准。该新标准是在以第一代标准 DVB-S 为基础发展起来的，集成了通信领域发展近十年的成果。DVB-S2 主要面向的业务范围很广，比如广播业务，无论是标清还是高清该标准都能很好的支持；还有人际交互或人机交互的如互联网等；以及一些专业领域的应用，如向地面进行VHF/UHF 频段的电视节目信号发射，新闻的传播等1。医涤侣綃噲睞齒办銩凛。随着通信技术发展，特别是传输信道中的编码技术和对信号的调制方式的改进，使得DVB-S2具有更佳性能的应用。在DVB-S2 中，就应用了一系列新技术进行组合，在传输环境不变的情况下，系统容量比 第一代DVB-S标准增加了 30%左右，接收能力也在同时得到明显增强。DVB-S2延续一代标准，也采用前FEC系统（即前向纠错），并在此系统中采用了更加优越的 BCH 和 LDPC 级联的编码模块方案，使得解调时的门限可以明显减小，与香农极限的理论值只有 0.71dB 的差距2。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。1959年，霍昆格姆(Hocquenghem)提出了BCH码，1960年，又由博斯(Bose)和雷-查德胡里(Ray-Chaudhuri)分别再次提出。到目前为止，这种BCH码是性能相当优越的一种可纠错的线性分组码。它的纠错性能很好，特别是在码长不长的情况下，纠错性能非常理想。另外此码构造方便，编码简单，特别是它具有严格的代数结构，因此它在编码理论中起着重要作用3。在 DVB-S2 的上行链路中所使用的 BCH 编码模块在整个系统中所处的位置如图 1.1 所示。译码时数据流按图 1.1 中相反的方向进行传输，BCH编码模块用在下行链路的接收端。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。图 1.1 DVB-S2 中上行链路系统结构图4在符合 DVB-S2 标准的数字卫星发射机和接收机中分别需要能够完成纠错功能的 BCH 编码器和译码器。在 DVB-S2 中根据内码(LDPC)码率和帧格式的不同，一共给出了码字参数不同的 21 组 BCH 码，以满足卫星信道中的抗噪声性能和多种不同的宽带卫星应用。这些 BCH 码的码长较长，其中最长的为 58320。这21种参数不同 的BCH码的编译码要在一个独立的编码器和译码器中实现，因此要进行动态可配置，这是实现这样的编码器和译码器的一个难点，可以说这是目前已知的对 BCH 实现要求最为复杂的一次应用。对于超长码字的编译码应用，在实现过程中还必须解决的又一难题，是降低编译码的时间延迟。这种编译码器，采用硬件实现时，就像设计一片芯片的要求一样，要在保证正确功能的前提下，去使芯片尽可能的小而同时速度尽可能的快，这是为了在市场竞争中取得胜利而被广泛应用所必需关注的。筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。自从提出了DVB-S2这个标准之后，就迅速迎来越来越多的关注，甚至世界上进行卫星直播的商家都一致认为DVB-S2标准代表了这个领域的发展趋势，因而都希望将当前的DVB-S 升级为 DVB-S25。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。1.2 国内外研究现状ETSI自 2004 年提出 DVB-S2 标准草案以来，国际上各界纷纷发表关于新标准DVB-S2的技术文章，甚至出现了一些相关产品。2006 年 1 月 4 日，国际消费电子展（CES）上，美国的 Broadcom 公司发布了DVB-S2 接收芯片 BCM4501，这在工业界还是首例。BCM4501芯片为生产厂家研发支持 DVB-S2 的机顶盒(STB)、私人摄像机(PVR)、卫星信号接收器，和家用多媒体设备提供了廉价方案67。文献8中介绍的DVB-S2 信号发生器，是在上行链路中对卫星信号接收模块进行测试的器件。涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。法国 的NAVTEL SYSTEMS 公司开发出了一种IP核并给出了其性能特征，这种IP核是专门针对DVB-S2标准中BCH译码器设计的。该串行实现的译码器在 Cyclone II 系列 FPGA中占用 5800 个 Slices 和 5 个 BRAMs，综合频率达到 140MHz10。 Altera 公司开发出的 IP 核，可以实现整个 DVB-S2 中 FEC 编码模块，在模块中包括三部分：BCH 编码、LDPC 编码和位交织。该编码器的输入模式有两种选择，分别是串行模式和并行模式，其中的并行模式为 4位并行，在 Virtex-5 系列 FPGA 中将编码器综合后，4 位并行的最大频率为 243MHz，在LDPC 码率为 1/2的普通帧条件下，数据吞吐率可达到 900Mbit/s11。文献5和13 提出了实现DVB-S2 中BCH 码译码器的 FPGA 硬件结构，这是针对其特殊性设计的，但没有讲到译码器中关键的并行结构设计和可配置解决方法，也没有给出译码器设计达到的性能。钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。由于BCH 码具有严格的代数结构，其自提出以来到目前已经研究的比较透彻，是取得研究成果最多的码类之一。BCH 码的纠错能力的影响因素只有一个，就是码的最小汉明距离，而决定最小汉明距离的仅仅是生成多项式的解。当前有4个限来论述最小汉明距离和生成多项式的根之间的关系，它们是BCH 限、HT 限、鲁斯(Ross)限和 LW 限。当前学术界仍在重点关注其关系的研究，并取得了较大进展，比如提出了超BCH限的频域译码方法。这种译码方法在文献15中进行了研究，其中先介绍了基于频域采样的超 BCH 限的纠错码译码算法，主要是针对循环码，研究了其共轭根系，最终给出了基于频域采样超 BCH 限的译码方法。然而，在有关 BCH 编码器和译码器的硬件实现方面的文章很多缺乏创新性。文献16主要研究了当BCH码的码长较长时，如何消除扇出瓶颈而提高编码器效率的问题，提出了一种通过并行运算提高速度降低编码器时钟周期的编码器结构。文献17 设计了频率很高数据处理速度很快的编译码器，是针对码长较短的 BCH 码，利用生成矩阵和校验矩阵编译码的代数方法实现的，当码长较长时生成矩阵和校验矩阵所占的面积会很大，不适合使用这种方法。戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。1.3课题研究内容本课题的主要任务是设计并实现符合 DVB-S2 各种应用需求的 BCH 编码器和译码器。为了支持多种不同的宽带卫星应用需求和提高卫星信道的抗噪声性能，DVB-S2 标准在其前向纠错编码系统中根据内码(LDPC)码率和帧格式的不同，一共给出了不同码字参数的 21 组 BCH 码，并且它们的码长都较长，最长的达到58320。为了随时满足不同应用的需求，必须要求所实现的编码器和译码器能够对这 21 种码字参数进行动态配置。另外码字的码长太长不利于系统的实时应用，因为会给编码和译码的数据传输带来较大的时间延迟，为了提高系统性能，采用并行编译码方法来实现相应的编译码器。購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳。本课题研究的目的是设计出准确、高效、低功耗的编码译码器，主要内容有以下五个部分：1、 BCH 码编译码及其相应的算法，以及码的纠错的原理。2、 串行和并行方式的编码器设计。3、 串行和并行方式的译码器设计。4、 对编码译码器更多的参数进行动态配置。5、 DVB-S2 系统中级联码性能分析。通过研究这五个部分的内容，本课题完成对编码译码器的设计，并在此基础上取得以下两方面的进展：1. 提出一种具有并行流水线结构的译码器，这种体系结构的译码器对于长码长的情况非常适合，同时参数的可配置性更好。 嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。2. 改进了BCH码的译码算法，主要是通过减少伴随式的计算个数实现的改进，新算法将计算个伴随式(为纠错个数)，计算数量比改进前的要少(见 4.2.2.2)。虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。1.4文章组织结构本文的主要分为六个章节。第一章为绪论，说明了本课题研究的背景，提出了研究意义，分析了当前对这方面的研究现状，最后概括了本课题所研究的内容。與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。第二章先介绍了DVB-S2标准错采用的纠错码技术，然后根据BCH编码的数学基础和信道编码基本分类引出BCH码的定义，并以信息论中的信道编码定理和其数学基础即有限域理论为依据，较详细地阐述了这种BCH编码的纠错原理。結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。第三章讨论了BCH编译码算法，详细介绍了其编码算法，包括应用广泛的BM译码算法和Euclid算法及它们的改进算法IBM、ME等；餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃。第四章第一节根据 BCH 码的编码算法，详细叙述了其编码器的设计，而且分为串行和并行两种方式。第二节根据BCH码译码算法中的ME迭代算法，详细叙述了其译码器的设计，分析了模块参数的动态配置以及优化方法。爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。第五章是对编码器和译码器的FPGA仿真实现，给出了测试结果，并进行性能的对比。第六章为结束语，对课题中所作的工作做了一定的总结，阐明了进一步工作的方向。第二章 BCH码的编码原理和算法研究现代数字通信以信息论和编码理论为基本的理论基础。Shannon于1948年10月发表于贝尔系统技术学报上的论文A Mathematical Theory of Communication（通信的数学理论）是现代信息论研究的开端，Shannon也被称为是“信息论之父”， 信息论将信息的传递作为一种统计现象来考虑，给出了估算通信信道容量的方法，另外还讨论了对于信息表示和信息传输的基本限制等。编码理论是数学和计算机科学的一个分支，处理在噪声信道传送资料时的错误倾向，编码理论有很多经典著作，其中以Hamming的“纠错和检错编码”19为代表。我们通过Shannon的信道编码定理可以知道，只要信息传输速率小于信道容量，则信息传输的出错概率可以降到足够小。但是，采用何种方式去实现，在Shannon 的信息论中并没有说明，而在Hamming 提出的纠错编码理论 20中，这一问题得到较好的解决。Hamming于1950年发表论文检错码和纠错码，提出了可以纠正单个随机错误的编码方式，又过了近十年，美国的R.C.博斯和D.K.雷乔达利与法国的A.奥昆冈几乎同时独立地发表一种著名的可纠正多个随机错误的循环码，后来称为 BCH码(即Bose-Chaudhuri-Hocquenghem码)，在迄今为止所发现的线性纠错码类中，这是最好的编码方法之一 3。锞炽邐繒萨蝦窦补飙赝。2.1 DVB-S2的纠错码技术纠错码是指接收到错误的码字后能在译码时自动纠正错误的码，它是一种重要的抗干扰码，可增加通信的可靠性。纠错码是利用码字中有规律的冗余度，即利用冗余度使码字的码元之间产生有规律的相关性，或使码字与码字之间产生有规律的相关性。曠戗輔鑽襉倆瘋诌琿凤。2005年3月，数字视频广播（DVB）项目组织在第一代DVB-S的基础上，正式发布了第二代标准，即DVB-S2。这个标准为了使得其性能和复杂度得到最好的平衡从而实现在恶劣的卫星信道中可靠地传输信息，它的信道纠错编码同第一代一样，也采用了内码和外码级联的方式，但具体的编码算法不同，在第二代标准中，编码模块的外码采用BCH码，内码采用LDPC（Low Density Parity Check）编码，另外还有比特交织部分，从而在相同的传输条件下，第二代标准比第一代DVB-S的系统容量可以提高30%左右。轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。DVB-S2前向纠错系统(Forword Error Correction)的信道编码器采用了功能强大BCH外码编码器和LDPC内码编码器级联方式，这种组合可以有效降低系统解调门限，使得与理论的香农极限差距缩小到只有0.71dB。嬷鯀賊沣謁麩溝赉涞锯。当基带帧数据送入前向纠错编码系统后，首先进行BCH外码的编码生成奇偶校验位（BCHFEC），然后将所生成的外码校验位添加至基带帧之后，对组合后的帧数据再进行LDPC内码编码，生成内码的奇偶校验位（LDPCFEC），最后将其添加至BCHFEC段尾部，三段数据组合形成了FEC帧，之后再进行位交织等后续处理工作。FEC帧格式如图2.1所示：讯鎬謾蝈贺綜枢辄锁廪。基带帧BCHFECLDPCFEC图2.1 DVB-S2中FEC帧格式DVB-S2为了满足多种不同服务应用的需要，在前向纠错编码系统中支持两种FEC帧格式，根据帧的长度分为普通帧（normal FEC FRAME）和短帧（short FEC FRAME），普通FEC帧的帧长64800bit，短FEC帧帧长16200bit，而且这两种帧都分别有11种和10种的内码LDPC码率。表2.1和表2.2分别列举了普通FEC帧和短FEC帧的可选编码参数。兒躉讀闶軒鲧擬钇標藪。表2.1 DVB-S2中普通FEC帧参数LDPC码率BCH码信息长度BCH码码字长度Nbch(LDPC码信息长度)BCH码纠错能力tLDPC码码字长度1/4160081620012648001/3214082160012648002/5257282592012648001/2322083240012648003/5386883888012648002/3430404320010648003/4484084860012648004/5516485184012648005/6538405400010648008/957472576008648009/105819258320864800表2.2 DVB-S2中短FEC帧参数LDPC码率BCH码信息长度BCH码码字长度Nbch(LDPC码信息长度)BCH码纠错能力tLDPC码码字长度1/53072324012162001/35232540012162002/56312648012162004/97032720012162003/59552972012162002/31063210800121620011/15117121188012162007/91243212600121620037/45131521332012162008/9142321440012162002.2 BCH码的编译码原理BCH码的构造及编译码原理是建立在数学基础上的，包括近世代数和数论相关理论，本章介绍这些基础知识以及纠错码纠错码纠错原理3 9 12。繅藺詞嗇适篮异铜鑑骠。2.2.1 数学基础2.2.1.1 群和域1、群定义2.1 非空集合对于所规定的代数运算，满足下述条件：（1） 封闭性，即，恒有；（2） 结合律，即，恒有；（3） 对于一恒等元，即，满足；（4） 对，都存在一个逆元，使；则称构成一个群。如果，有，则为阿贝尔群或叫交换群。定义2.2 若，使得中元素为的次幂，是整数，则是循环群。定义2.3 有限循环群中的元素，有非零的正整数n，使得：则称满足式的最小的一个正整数称为元素的级。2、域定义2.4 非空集合中有两种运算加法和乘法，若满足：（1） 经过加法运算还是交换群，此运算中的e为0；（2） 里的不为零的元素经过乘法运算后还是交换群，此运算中的e为1；（3） 这两种运算都满足分配律，即，有；则称为一个域。域中有有限个元素时称为有限域或伽罗华域（ Galois ）。含有个元素时记作。称为的基域，为的扩域。若在中，某一元素的级为，则称是本原元。2.1.1.2 有限域上多项式有限域上的n次多项式：多项式的次数是指数非零的项的最高次数，记为或。上所有的多项式构成的集合为定理2.1 对于，如果由去除，有且仅有两个多项式，满足： 式中是商式，是余式。式就是带余数的多项式除法，也记作或定义2.6设为中的一个元，系数在上，且满足的多项式中次数最低的一个就是的最小多项式。定义2.7 系数在上的一个最小多项式，其根在上，而且是本原元，这样的最小多项式称叫做本原多项式。2.1.1.3 域的构造和域元素表示域中所有个元素可以用中的的线性组合进行表示，即： 以为例，说明的构造。多项式是中一个本原多项式，设，那么 由此就能构造域。利用中的，再进一步表示为：称多项式的系数为m重表示。那么由所生成的的4种表示方法见下表：表2.3 生成的幂指数形式多项式形式3重形式3重的十进制表示形式0000001100110102100401131106111710152.2.2 线性分组码2.2.2.1 基本概念线性分组码一般由两个参数表示，如线性分组码中，为信息位长度，为码字长度，编码时每位信息为一组成为信息组，其经过编码器的编码后变成位的一组码元，就是此码的码字。如果每个码元的值可以取种（为素数幂），则共有个码字。若码的长度为，则这样的数组有个，若为二进制模式，则有个。很明显，个维数组（重）就可以组成一个上的维线性空间。若这个维线性子空间是由（或）个码字集合所构成的，那么就把它称为线性分组码。鮒簡觸癘鈄餒嬋锵户泼。定义2.9 线性分组码是域上的维线性空间中的一个维子空间。定义2.10 若信息组以不变的形式，在码字的任意位置出现，该码称为系统码，否则称为非系统码。2.2.2.2 码的生成矩阵与校验矩阵线性分组码一共有个码字，它们可以组成一个维子空间，所以将这些码字能够用个相互独立的矢量所构成的一组基底来张成。在这里将这组基底写成如下形式眯毆蠐謝银癩唠阁跷贗。将其写为矩阵模式如下线性分组码中所有的码字，都能够根据这些基底经过它们的线性组合来生成，即： 式中，是信息中取出位构成的信息组。所以，如果信息组可以知道，通过式便能计算出对应码字，将式的矩阵定义为码的生成矩阵。闵屢螢馳鑷隽劍颂崗鳳。码的编码，是以满足该线性分组码的最小距离或码率为前提，研究从所知道的位信息元计算出位校验元的问题。这个过程可以看作解一个方程组，这个方程组有个已知数，最终解出个未知数。可以利用一致校验矩阵来在线性分组码中建立这组方程组。檁傷葦开阈灯伞馑諧粮。任何一个码的一致校验矩阵可表示为由矩阵可以建立码的线性方程组：或简写为 或 式和表明，中各码元如果代入所确定的个方程后的等式均成立，则可确定为码字之一；也就是说如果是码字，则必满足由所确定的个线性方程。鄭饩腸绊頎鎦鹧鲕嘤錳。另外，生成矩阵的各行以及它们的线性组合都是码中的码字，故有及2.2.2.3 伴随式码字，通过含有噪声的信道发送，在信道中出现的错误图样设为。接收到的位的码字为，。接收端的译码器将进行译码，从中得出，或者由得到错误图样，从而得到，并使译出的码字尽可能正确。弃铀縫迁馀氣鰷鸾觐廩。由于码的每一个码字都应使式或成立，所以：若，则，若，则。说明只是与错误图样有关系，而不受发送信息的影响。令或称为接收码字的伴随式（或称校正子）。它完全由错误图样决定，它充分反映了信道中的噪声等干扰对其的影响。2.2.2.4 缩短码在某些情况下，如果不能找到一种比较合适的码长或信息位个数，可把某一码进行缩短，以满足要求。在码的码字集合中，挑选前个信息位均为0的所有码字，构成另外一个子集，由于它的前位均为0，所以这些位可以不发送，只需发送其后的位。于是这个子集就变成了的线性分组码，称它为码的一种缩短码。调谇續鹨髏铖馒喪劉薮。线性分组码有多种译码方法，如标准阵列译码、伴随式译码等译码方法，但是和一般会较大，这时采用这两种译码方法会大大使译码器变得复杂，而且存储容量也会变得很大。因此属于线性分组码的一种还具有其他一些特性的循环码就应运而生，使得译码算法变得简单实用。厲耸紐楊鳝晋頇兗蓽驃。2.2.3 循环码循环码是具有循环特性的一种线性分组码，这种编码的代数结构比较严密，还具有容易实现的编码电路与译码电路，特别是它的编码电路得到明显简化。苧瑷籮藶黃邏闩巹东澤。定义2.11 一个线性分组码，如果码组中的一个码字的循环移位也是的码字，则称为循环码。循环码可以用一个多项式来表示，叫做码多项式。比如一个信息组它的码多项式写成：定理2. 3循环码中的一个位码多项式，则按模运算的余式也一定是该码中另一个码多项式。定理2. 4 上的循环码中，存在有唯一的次首一多项式每一码多项式都是的倍式，且每一个小于等于次的的倍式一定是码多项式。2.2.4 BCH码BCH是属于循环码的一种信道编码，它的结构同样非常严谨，其生成多项式和码的最小距离间关系密切，若要构造一个BCH码，直接依靠其设计的纠错能力即可。鴿摄禱鋅儀憚銼嚕缗赞。定义2.12 给定一个及其扩域，其中，是质数或其幂次形式，是正整数。如果码元素是域中的循环码，其的根中含有个连续根：箪啬癲剀净赶钩嬙鳄凫。时，则由生成的码字叫做进制的一种BCH码。其中，是域中的级元素，是整数。BCH码的和码字长度为：定理2.5 BCH码的最小距离至少为取，又设是的本原域元素，若码以为根，则二进制BCH码的生成多项式式中，是的最小多项式，这种码肯定可以纠t个错误。另外，在特征为 2 的 域上， 其最小多项式和的相同，因此可得因此，码以为根，码长式中，分别是元素的级。显然，二进制 BCH码的码长或者是或者是它的一个因子12。2.3 BCH码的纠错原理BCH码的码长较短或具有中等长度时，具有很强的纠错能力，其性能很接近于理论值。BCH码具有严格的代数结构，并且码字构造方便，编码简单，因此它在纠错编码理论中起着重要作用12。该码的纠错原理主要基于信道编码定理和有限域理论。顽鷙瑪滨廈岘轆庫糞糧。2.3.1 信道编码定理根据信息论的相关知识我们可以知道，如果传输信息的信道噪声是高斯白噪声形式，则信道容量式中，W 为信道带宽，为信号功率，E 为信号能量，T 为信号宽度，为信号在单位频带中的功率，为在单位频带中的噪声功率， 为信噪比。漬閫熾诀团諳赓戰餛锰。根据资料可知信道编码定理：所有信道都有确定的容量C ，对于所有小于信道容量的码率R ，有码率R 码字长度是n的线性分组码和卷积码，如果采用最大似然译码算法，那么码字长度变大后它的译码误码率 p 可任意小，即鐸輜澠顶嫻塊謂斕痹廪。和式中，和为大于 0 的系数， 和 为正的实函数，叫做误差指数，它与R 、C 之间存在如图 2.2 所示的关系。图中，、是信道的容量，且抢觀淚婭师讴论櫚阵蘚。图 2.2 与 的关系由式(2-3)和图 2-1 可以得到信道容量 、码长和错误概率几个要素间的关系。为了使误码率达到一定要求，有以下两种方法。贼組櫻種愨单蝕渾潷骡。第一种是使信道容量增大 ，使得 变大。根据信道容量 的式子(2-1)可知，可以通过增加系统带宽以及使信噪比增大的方法，实现增大信道容量的目的。例如调制方法可以使用宽带调制技术，再就是提高信号发射功率，还有利用分集接收信号方法和采用精密器件等一系列方式。这是最根本的也是最传统的方法。圓漣檸賡捣蕷舻燁錘泽。另一种是保证R 一定，将码字长度变长，即延长分组信号的持续时间 ，可使 p 随n的增加呈指数下降。而当R 不变时，由于码长的增加，发送的信息量也随呈指数增大，最终使得译码器变得更加复杂。蟄彎擼鯁棖佇緡癟椠贊。在 BCH 码中有 3 个核心的参数，其中n是码长，k 是信息位长，t是最大纠错能力。该码的码率，根据前面所述的信道编码定理我们可以知道，在R 一定下，增加码长大大降低译码的误码率。此外，码长一定时，若使码率和译码错误概率降低，可以减小信息位的长度。在 DVB-S2 中，其前向纠错系统中所采用的内码LDPC码，存在 11 种码率。义淨擁扪殴胁纸窺钣鳧。在纠错码的条件下，如果使信息传输速率保持不变，那么带宽必须增大。因此，纠错码主要应用于功率受到限制但是带宽不受限制的信道12。绥骅懸缙澀鷂禍紳撻粮。2.3.2 有限域理论前文已介绍域的相关知识，本节将进一步较为详细地阐述有限域的一些基本知识，有限域也称为伽逻华(Galois)域。馒锁開钥焖緒珏編軻錙。2.3.2.1 有限域定义定义 2.1：设F 为一集合，其中定义加法和乘法两类运算。任取其中三个元素 ，若F满足：1. 封闭性：2. 交换律：3. 结合律： 4. 分配律：并且对于加法“+ ”，存在唯一的零元素“0”，使；对于乘法“”，存在唯一单位元“1”，使；对每一个元，存在唯一的加法逆元，即存在唯一的使得。獄质嶇僅痺鲒潰脫帧開。仅当是素数幂的时候，即，才存在。称为基域，为的扩域，可以由进行构造。2.3.2.2 的构成系数为上的次多项式：其中。它们的和为。作为的元素具有两种表示方法，一为多项式，二为 m 维二元矢量。定