基于FPGA的數(shù)字音頻廣播信道編碼器的實(shí)現(xiàn)
出處：myymichael 發(fā)布于：2007-05-25 13:08:32
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摘 要： 介紹了數(shù)字音頻廣播DAB信道編碼的原理和關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用單片F(xiàn)LEX10K100系列FPGA實(shí)現(xiàn)DAB信道編碼器。
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1 數(shù)字音頻廣播(DAB)發(fā)射系統(tǒng)及信道編碼器
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2 FLEX10K系列特點(diǎn)
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| 3 用FPGA實(shí)現(xiàn)信道編碼功能 DAB信道編碼技術(shù)包括ETI解復(fù)接、能量擴(kuò)散、卷積編碼和刪除和時(shí)間交織。其中ETI解復(fù)接和系統(tǒng)控制由一片DSP ADSP2181來(lái)實(shí)現(xiàn)，部分能量擴(kuò)散、卷積編碼刪除時(shí)間交織全部由一片F(xiàn)LEX10K100A實(shí)現(xiàn)。一個(gè)ETI幀中主要包括幀頭信息本幀及幀內(nèi)各子通道的相關(guān)信息和主業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)MST包括音頻數(shù)據(jù)碼流和快速數(shù)據(jù)通道(FIC)。圖1是信道編碼的硬件實(shí)現(xiàn)示意圖。 | |
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| 來(lái)自復(fù)接器的碼流(ETI)經(jīng)E1接口板，解出ETI幀，存入輸入雙口RAM緩沖區(qū)。在每幀(24ms)開(kāi)始時(shí)，控制器2181從輸入緩沖區(qū)讀入ETI幀并根據(jù)幀頭信息計(jì)算得一組控制矢量，并將其寫(xiě)回到輸入緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)FPGA。FPGA首先讀入控制矢量，然后根據(jù)其描述讀入ETI幀中MST域的各子通道數(shù)據(jù)并進(jìn)行能量擴(kuò)散、卷積編碼和刪除、時(shí)間交織的處理，結(jié)果輸出到輸出緩沖區(qū)給OFDM調(diào)制器。其中SRAM交織緩沖區(qū)是用來(lái)存放用于交織的6幀數(shù)據(jù)的。 信道編碼的控制器由ADSP2181實(shí)現(xiàn)，控制整個(gè)信道編碼過(guò)程的全部動(dòng)作，其中主要包括啟動(dòng)編碼模塊FPGA開(kāi)始編碼、控制FPGA從外部存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)、為編碼模塊提供進(jìn)行卷積編碼所需的全部參數(shù)、為編碼后數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)地址等。 下面詳細(xì)介紹用FPGA實(shí)現(xiàn)信道編碼的過(guò)程。當(dāng)DSP計(jì)算完控制信息后，啟動(dòng)FPGA。FPGA首先讀入計(jì)算所得控制矢量的前幾位幀特征字節(jié)，根據(jù)這幾個(gè)字節(jié)確定了包括FIC通道在內(nèi)的子通道個(gè)數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的起始地址，然后分別讀入各子通道特征字節(jié)，并根據(jù)其描述對(duì)各子通道進(jìn)行處理。 3.1 能量擴(kuò)散 能量擴(kuò)散采用原理圖輸入的方法，由9個(gè)D觸發(fā)器和邏輯門實(shí)現(xiàn)。在FPGA中，首先按字節(jié)讀入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換，將串行輸入碼流與生成多項(xiàng)式為 Pｘ＝x9+x5+1、初始狀態(tài)全'1'的偽隨機(jī)比特序列(PRBS)模二相加處理的順序是串行輸入的第0比特與PRBS序列的第0比特異或，就得到能量擴(kuò)散的輸出碼流。將輸出的串行碼流送入卷積編碼器。圖2是能量擴(kuò)散的實(shí)現(xiàn)原理圖。 | |
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| 3.2 卷積編碼 卷積編碼器也是采用原理圖輸入的方法，如圖3所示，通過(guò)移位寄存器和其不同抽頭的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 | |
| 寄存器的初始化狀態(tài)為全'0'，每輸入一個(gè)比特會(huì)產(chǎn)生4個(gè)比特的輸出。當(dāng)有效數(shù)據(jù)送完時(shí)，還要繼續(xù)送入6個(gè)'0'以使全部寄存器清零。若輸入長(zhǎng)度I的序列，則輸出序列為。輸出序列也可表示為U＝(u0 u1 u2…u4i+23其中ui＝x(i＝0，1，2，．．．，4I+23)，其中R、Q分別是i/4的余數(shù)和商。 | |
| 3.3 卷積編碼的刪除 卷積編碼輸出的前4I個(gè)比特被分成連續(xù)的比特塊，每塊128比特。每塊又被分為32比特的4個(gè)子塊，這4個(gè)子塊使用同一個(gè)刪除模式，刪除模式由PI決定，表1是刪除模式表的一部分。卷積編碼的輸出與刪除模式表中的刪除矢量V相與，剩下的比特壓入一個(gè)堆棧中。當(dāng)16比特的堆棧中堆積的比特?cái)?shù)＞8時(shí)，編碼器將刪除結(jié)果按字節(jié)輸出到16幀長(zhǎng)度的交織緩沖區(qū)暫存。原始數(shù)據(jù)的讀入、能量擴(kuò)散、卷積編碼和刪除是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)一個(gè)子通道(或FIC)的數(shù)據(jù)讀完時(shí)，能量擴(kuò)散也同時(shí)停止，但編碼和刪除并不停止，還要進(jìn)行24比特的編碼和刪除，這24比特使用固定的刪除矢量VT＝(1100 1100 1100 1100 1100 1100)進(jìn)行刪除。對(duì)于有填充字節(jié)(Pad)的還要加入填充，輸出一個(gè)字節(jié)。 PI是根據(jù)輸入碼流的比特率、保護(hù)級(jí)(P)和保護(hù)方式(EEP/UEP)決定的。在UEP(非平衡差錯(cuò)保護(hù))中，把整個(gè)幀的碼流(某個(gè)子通道)分為3或4塊(L1～L4)，然后查表即得到相應(yīng)塊的PI和填充比特?cái)?shù)。表2是此保護(hù)級(jí)模式表的一部分。對(duì)于EEP(平衡差錯(cuò)保護(hù))，有A和B兩類保護(hù)模式表，分別對(duì)應(yīng)輸入碼率是8Kbits/s的整數(shù)倍和32Kbits/s的整數(shù)倍，每幀中一個(gè)子通道分為2塊。一般的刪除處理是通過(guò)查表進(jìn)行的，而這里查表的工作由控制器完成，查表結(jié)果存在控制矢量字節(jié)中。FPGA可直接根據(jù)結(jié)果編碼，有效降低了FPGA的復(fù)雜度。 | |
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| 3.4 時(shí)間交織 交織開(kāi)始時(shí)，F(xiàn)PGA已經(jīng)將卷積編碼刪除的結(jié)果順序地寫(xiě)入交織緩沖區(qū)，然后按照交織規(guī)則亂序地讀出數(shù)據(jù)，完成交織深度為16幀的時(shí)間交織。這個(gè)緩沖區(qū)是一片容量128K字節(jié)的SRAM，分為16個(gè)8K的塊，每塊用來(lái)存儲(chǔ)一幀的卷積編碼結(jié)果。SRAM的地址組織如圖4(括號(hào)內(nèi)是各幀的起始地址)。 | |
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| 表3所示的交織規(guī)則對(duì)應(yīng)于128K的交織緩沖區(qū)，其中r是輸入幀的序號(hào)，r＇是輸出幀的序號(hào)，i表示比特的序號(hào)，R(i/16)表示i除以16的余數(shù)，r'(r i)表示輸出第r'幀第i比特應(yīng)該對(duì)應(yīng)輸出第r幀第i比特。Ram_addr表示在交織緩沖區(qū)中此幀的起始地址。 為符合DAB發(fā)射系統(tǒng)下級(jí)OFDM調(diào)制器需要的碼元格式，交織后的結(jié)果按字節(jié)寫(xiě)入輸出雙口RAM緩沖區(qū)時(shí)要符合傳輸幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)DAB傳輸幀的要求，這里的輸出緩沖區(qū)可容納4個(gè)邏輯幀的數(shù)據(jù)，其片選邏輯也是每96ms變化，輸出RAM緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5。 | |
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如上所述，DAB信道編碼器可由單片F(xiàn)LEX10K系列FPGA(adsp2181做控制器)完全實(shí)現(xiàn)。這一方法易于實(shí)現(xiàn)、工作穩(wěn)定、速度快、易于升級(jí)，可以作為今后集成專用ASIC芯片研制的技術(shù)基礎(chǔ)。 | |
| 參考文獻(xiàn) 1 ETI 300 401 ETS 300 401 Radio broadcasting systems Digital Audio Broadcasting DAB to mobile portable and fixed receivers May 1997 2 Altera 公司．Data Book．1999 3 趙曙光郭萬(wàn)有楊頌華．可編程邏輯器件原理、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用．西安西安電子科技大學(xué)出版社 2000 4. FLEX10K datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/FLEX10K_328755.html. | |
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