基于FLEX10K100A FPGA实现信道编码系统的设计
作者：张蓉，曲晶，王志华，柳春笙，陈国庆
1 数字音频广播（dab）发射系统及信道编码器
dab是继调幅和调频广播之后的第三代广播体系。与模拟广播相比它不仅可以提供高质量的声音信号（cd音质），也可以提供数据、图像等多种其他附加服务。它可以保证在高速移动接收时的声音质量，具有很强的抗干扰能力，在同样的频带宽度和环境下，dab可以提供高质量的多种多样的广播节目。
dab的发射系统主要包括处于节目提供商位置的信源编码器，处于广播台演播室位置的复接器和处于发射机内部的cofdm（编码正交频分复用）编码调制器。其中cofdm可分为信道编码、ofdm调制和数字上变频。本文主要讨论使用flex10k系列fpga来实现信道编码的功能。
dab的信道编码部分主要包括能量扩散、卷积编码和删除、时间交织等，输入为来自复接器的eti（业务群传输接口ensemble transport interface）帧，输出为dab传输帧。能量扩散的作用是通过对二进制序列的随机化处理使频谱扩散，减少连‘0’和连‘1’的出现，以保证接收端比特按时恢复。对于信号的传输来说，由于卷积编码引入了大量的冗余比特，因此dab的信道编码采用删除型的卷积编码。dab发射机使用时间交织技术来纠正突发性的块差错。它按照既定的规则打乱数据排列顺序，使得信道中成块的错误分散在不同帧中，再结合卷积编码的点纠错能力，可以使接收机能够纠正移动传输中经常出现的块差错。
2 flex10k系列特点
flex10k系列是altera公司生产的一种嵌入式可编程逻辑器件pld-programmable logic device 。flex可更改逻辑单元阵列采用可重构的cmos sram单元，其结构集成了实现通用多功能门阵列所需的全部特征。flex10k系列器件容量可达25万门，能够高速度、高性能地将整个数字系统集成于单个器件中。flex10k系列的高密度和易于在设计中实现复杂宏函数与存储器，使其可以适应系统级设计的要求。
flex10k器件可通过altera的max plus ii 系统来开发，它具有强大的功能，支持原理图、硬件描述语言（vhdl，ahdl，veriloghdl）等多种输入方式。用fpga来实现dab信道编码器，大大简化了系统结构。而且vhdl描述语言的使用缩短了开发时间，增强了系统的可读性，便于后续产品的升级。如果想改变软件设计，只要修改程序、重新编译、下载即可，十分方便。即使要改变硬件设计，也可通过重新分配fpga管脚实现，不需大规模改动原有的硬件。从信道编码器的的功能特点看，大部分是比特操作。如果使用dsp或单片机，每个指令周期只能处理一个字节中的一比特，效率相当低。而fpga可以对多个比特同时并行操作，大大提高了处理效率。由于fpga的最高工作频率在100mhz以上，所以可以通过提高fpga的工作频率来提高其处理数据的速度。
本设计中所用的flex10k100a fpga是flex10k系列中的一种，它的等效门数为10万门，内建24k字节ram，可用的i/o管脚达到189个，核心电压3.3v，支持5v输入输出。设计中采用原理图和vhdl语言混合输入的方法。
3 用fpga实现信道编码功能
dab信道编码技术包括eti解复接、能量扩散、卷积编码和删除和时间交织。其中eti解复接和系统控制由一片dsp adsp2181来实现，核心部分能量扩散、卷积编码删除时间交织全部由一片flex10k100a实现。一个eti帧中主要包括帧头信息本帧及帧内各子通道的相关信息和主业务流数据mst包括音频数据码流和快速数据通道（fic）。图1是信道编码的硬件实现示意图。
来自复接器的码流（eti）经e1接口板，解出eti帧，存入输入双口ram缓冲区。在每帧（24ms）开始时，控制器2181从输入缓冲区读入eti帧并根据帧头信息计算得一组控制矢量，并将其写回到输入缓冲区，然后启动fpga。fpga首先读入控制矢量，然后根据其描述读入eti帧中mst域的各子通道数据并进行能量扩散、卷积编码和删除、时间交织的处理，结果输出到输出缓冲区给ofdm调制器。其中sram交织缓冲区是用来存放用于交织的6帧数据的。
信道编码的控制器由adsp2181实现，控制整个信道编码过程的全部动作，其中主要包括启动编码模块fpga开始编码、控制fpga从外部存储器的相应地址读取数据、为编码模块提供进行卷积编码所需的全部参数、为编码后数据提供存储地址等。
下面详细介绍用fpga实现信道编码的过程。当dsp计算完控制信息后，启动fpga。fpga首先读入计算所得控制矢量的前几位帧特征字节，根据这几个字节确定了包括fic通道在内的子通道个数和输入数据的起始地址，然后分别读入各子通道特征字节，并根据其描述对各子通道进行处理。
3.1 能量扩散
能量扩散采用原理图输入的方法，由9个d触发器和逻辑门实现。在fpga中，首先按字节读入数据，然后进行并／串转换，将串行输入码流与生成多项式为 pｘ＝x9+x5+1、初始状态全‘1’的伪随机比特序列（prbs）模二相加处理的顺序是串行输入的第0比特与prbs序列的第0比特异或，就得到能量扩散的输出码流。将输出的串行码流送入卷积编码器。图2是能量扩散的实现原理图。
3.2 卷积编码
卷积编码器也是采用原理图输入的方法，如图3所示，通过移位寄存器和其不同抽头的组合来实现的。［/td］［/tr］［tr］［td=2，1］寄存器的初始化状态为全‘0’，每输入一个比特会产生4个比特的输出。当有效数据送完时，还要继续送入6个‘0’以使全部寄存器清零。若输入长度i的序列，则输出序列为。输出序列也可表示为u＝（u0 u1 u2？…？u4i+23？其中ui＝x（i＝0，1，2，．．．，4i+23），其中r、q分别是i/4的余数和商。
3.3 卷积编码的删除
卷积编码输出的前4i个比特被分成连续的比特块，每块128比特。每块又被分为32比特的4个子块，这4个子块使用同一个删除模式，删除模式由pi决定，表1是删除模式表的一部分。卷积编码的输出与删除模式表中的删除矢量v相与，剩下的比特压入一个堆栈中。当16比特的堆栈中堆积的比特数＞8时，编码器将删除结果按字节输出到16帧长度的交织缓冲区暂存。原始数据的读入、能量扩散、卷积编码和删除是同时进行的。当一个子通道（或fic）的数据读完时，能量扩散也同时停止，但编码和删除并不停止，还要进行最后24比特的编码和删除，这24比特使用固定的删除矢量vt＝（1100 1100 1100 1100 1100 1100）进行删除。对于有填充字节（pad）的还要加入填充，最后输出一个字节。
pi是根据输入码流的比特率、保护级（p）和保护方式（eep/uep）决定的。在uep（非平衡差错保护）中，把整个帧的码流（某个子通道）分为3或4块（l1～l4），然后查表即得到相应块的pi和填充比特数。表2是此保护级模式表的一部分。对于eep（平衡差错保护），有a和b两类保护模式表，分别对应输入码率是8kbits/s的整数倍和32kbits/s的整数倍，每帧中一个子通道分为2块。一般的删除处理是通过查表进行的，而这里查表的工作由控制器完成，查表结果存在控制矢量字节中。fpga可直接根据结果编码，有效降低了fpga的复杂度。
3.4 时间交织
交织开始时，fpga已经将卷积编码删除的结果顺序地写入交织缓冲区，然后按照交织规则乱序地读出数据，完成交织深度为16帧的时间交织。这个缓冲区是一片容量128k字节的sram，分为16个8k的块，每块用来存储一帧的卷积编码结果。sram的地址组织如图4（括号内是各帧的起始地址）。
表3所示的交织规则对应于128k的交织缓冲区，其中r是输入帧的序号，r＇是输出帧的序号，i表示比特的序号，r（i/16）表示i除以16的余数，r‘（r i）表示输出第r’帧第i比特应该对应输出第r帧第i比特。ram_addr表示在交织缓冲区中此帧的起始地址。
为符合dab发射系统下级ofdm调制器需要的码元格式，交织后的结果按字节写入输出双口ram缓冲区时要符合传输帧的数据结构。根据dab传输帧的要求，这里的输出缓冲区可容纳4个逻辑帧的数据，其片选逻辑也是每96ms变化一次，输出ram缓冲区内的数据结构如图5。
如上所述，dab信道编码器可由单片flex10k系列fpga（adsp2181做控制器）完全实现。这一方法易于实现、工作稳定、速度快、易于升级，可以作为今后集成专用asic芯片研制的核心技术基础。
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dab的发射系统主要包括处于节目提供商位置的信源编码器，处于广播台演播室位置的复接器和处于发射机内部的cofdm（编码正交频分复用）编码调制器。其中cofdm可分为信道编码、ofdm调制和数字上变频。本文主要讨论使用flex10k系列fpga来实现信道编码的功能。
dab的信道编码部分主要包括能量扩散、卷积编码和删除、时间交织等，输入为来自复接器的eti（业务群传输接口ensemble transport interface）帧，输出为dab传输帧。能量扩散的作用是通过对二进制序列的随机化处理使频谱扩散，减少连‘0’和连‘1’的出现，以保证接收端比特按时恢复。对于信号的传输来说，由于卷积编码引入了大量的冗余比特，因此dab的信道编码采用删除型的卷积编码。dab发射机使用时间交织技术来纠正突发性的块差错。它按照既定的规则打乱数据排列顺序，使得信道中成块的错误分散在不同帧中，再结合卷积编码的点纠错能力，可以使接收机能够纠正移动传输中经常出现的块差错。
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3.1 能量扩散
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pi是根据输入码流的比特率、保护级（p）和保护方式（eep/uep）决定的。在uep（非平衡差错保护）中，把整个帧的码流（某个子通道）分为3或4块（l1～l4），然后查表即得到相应块的pi和填充比特数。表2是此保护级模式表的一部分。对于eep（平衡差错保护），有a和b两类保护模式表，分别对应输入码率是8kbits/s的整数倍和32kbits/s的整数倍，每帧中一个子通道分为2块。一般的删除处理是通过查表进行的，而这里查表的工作由控制器完成，查表结果存在控制矢量字节中。fpga可直接根据结果编码，有效降低了fpga的复杂度。
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交织开始时，fpga已经将卷积编码删除的结果顺序地写入交织缓冲区，然后按照交织规则乱序地读出数据，完成交织深度为16帧的时间交织。这个缓冲区是一片容量128k字节的sram，分为16个8k的块，每块用来存储一帧的卷积编码结果。sram的地址组织如图4（括号内是各帧的起始地址）。
表3所示的交织规则对应于128k的交织缓冲区，其中r是输入帧的序号，r＇是输出帧的序号，i表示比特的序号，r（i/16）表示i除以16的余数，r‘（r i）表示输出第r’帧第i比特应该对应输出第r帧第i比特。ram_addr表示在交织缓冲区中此帧的起始地址。
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如上所述，dab信道编码器可由单片flex10k系列fpga（adsp2181做控制器）完全实现。这一方法易于实现、工作稳定、速度快、易于升级，可以作为今后集成专用asic芯片研制的核心技术基础。
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