在FPGA上實現視頻碼流的信道編碼與擴頻過程

郝 紅

HAO Hong

（青島港灣職業技術學院，青島 266404）

在FPGA上實現視頻碼流的信道編碼與擴頻過程

In the FPGA to achieve video stream of the process of channel coding and spread spectrum

郝 紅

HAO Hong

（青島港灣職業技術學院，青島 266404）

本文分析了在高性能FPGA上實現視頻碼流的信道編碼與擴頻過程，所用FPGA為美國ALTERA公司的EPM7512AEQI208-10，在整個圖像編碼過程中主要實現了對串行的視頻碼流的相應處理，主要包括：I、Q分路、差分編碼、格雷編碼及擴頻調制，最終完成了中頻發射單元FPGA程序的研制。通過整機的調試及多次檢驗，證明了系統性能的優越性，達到了國內同類產品的較高水平。

FPGA；信道編碼；擴頻

0 引言

擴頻通信技術是當今通信系統中的一個主流，以其諸多優點在各個通信領域里面得到了廣泛的應用，本文的圖像編碼傳輸過程就是基于移動通信中的擴頻通信技術，所用FPGA為美國ALTERA公司的EPM7512AEQI208-10，在整個圖像編碼過程中主要實現了對串行的視頻碼流的相應處理，主要包括：I、Q分路、差分編碼、格雷編碼及擴頻調制，最終完成了中頻發射單元FPGA程序的研制。

圖1 中頻發射單元信號流程圖

1 中頻發射單元FPGA程序設計

1.1 中頻發射單元FPGA程序運行流程

中頻發射單元的運行流程如圖1所示。FPGA上電程序加載完畢后，中頻發射單元開始運行：首先對輸入的40MHz的基準時鐘進行10分頻，降為4MHz，再將4MHz的時鐘分成四路，兩路作為碼時鐘分別送到I路和Q路的PN碼發生器，一路送到計數器產生40ms的清狗信號，一路經過7.5分頻降為KHz，再次分成兩路，一路作為同步Fs信號計數器的時鐘，一路2分頻后，作為I路和Q路的串行碼采樣時鐘。

PN碼是由本地產生的，采用八級移位寄存器，序列長度為255，碼速率為4Mbps，具有較好的互相關系數和較強的隨機性。

1.2 視頻串行數據流的處理

當視頻串行碼流輸入后，首先要用正交分路將數據分為I、Q兩路。外部輸入的視頻串行碼流的碼速率為kbps，對該串行碼的采樣周期為串行碼碼片周期的二倍，即為串行碼時鐘的二分頻。這樣串行碼流就分別在采樣時鐘的上升沿和下降沿被分成I、Q兩路。

然后分別對I路、Q路進行差分編碼和格雷編碼，最后用本地產生的PN碼進行擴頻，最終將處理過的I、Q兩路擴頻數據輸出給發射通道單元完成串行碼的QPSK調制。

2 中頻發射單元FPGA程序說明

2.1 差分編碼模塊

圖2 差分編碼模塊程序流程圖

差分編碼模塊程序程序圖如圖2所示，串行數據流輸入后先進行I、Q分路，然后再分別對I、Q兩路數據進行差分編碼。差分編碼：差分編碼是I路或Q路的輸入數據延時1比特，再與自身進行異或，最后把結果傳給下一級格雷編碼模塊進行處理。

2.2 格雷編碼模塊

圖3 格雷編碼模塊程序流程圖

圖3所示為格雷編碼模塊程序流程圖。格雷編碼是對I、Q兩路同時進行編碼。格雷編碼是對I、Q兩路同時進行編碼，其基本原則是相鄰十進制數編碼以后的二進制碼字只有一位不同，具體碼映射如表1所示：

表1 格雷碼映射表

格雷碼通常用于數據變化較慢或者比特錯誤率比較低的系統或通信鏈路中，在輸出數據變化慢的場合，如本發射單元所處理的串行數據流，格雷碼具有很好的檢錯性能，如果在解碼時發現相鄰的數之間有多余兩位的變化，則接收電路會認為數據傳輸出錯。

2.3 PN碼生成模塊

圖4 PN碼生成模塊程序流程圖

圖4所示為PN碼生成模塊程序流程圖。PN碼由本地產生，做為串行碼的擴頻碼。碼時鐘上升沿觸發產生I路PN碼，下降沿觸發產生Q路PN碼，故 Q路PN碼要比I路PN碼延時半個碼片周期。

碼時鐘是由輸入的基準時鐘信號10分頻后得到的，頻率為4MHz，占空比為50%。

碼生成多項式及初相如表2所示。

表2 PN碼生成多項式及初相表

將寄存器初值設為碼的初相，由生成多項式對寄存器中的值進行模二和，所得數值補到寄存器最低位，高位輸入，循環操作即可生成所需的PN碼。本單元采用八級移位寄存器，產生的序列長度為255，碼速率為4Mbps，其中每15個擴頻碼對一個串行數據進模二和，每個PN序列可對17個串行數據進行擴頻。經仿真測試這17組擴頻碼的互相關系數大都在8以下，最高不會超過10，故PN碼有較好的互相關系數，其隨機性也較強，具有到很好的抗干擾能力。

2.4 擴頻模塊

圖5 擴頻模塊程序流程圖

圖5為擴頻模塊程序流程圖。擴頻模塊對輸入信號所作的處理就是在擴頻碼的碼時鐘的作用下將擴頻碼與輸入信號進行模二和，處理之后輸出的信號就為上文所要求的擴頻碼了。

3 聯機調試結果分析

圖6 調制發射單元組成圖

圖6所示為中頻調制發射單元組程圖。FPGA處理后輸出的I、Q兩路擴頻信號通過接插件傳給調制發射單元，數據先后經過QPSK調制、數模轉換、帶通濾波、中頻調制等處理，最終輸出給功率放大器后經天線發射出去。發射的中頻信號頻率為650MHz±5MHz，功率為50W。

聯機調試為中頻發射單元與中頻接收單元通過衰減器聯接調試，通過調節衰減器的值來模擬中頻信號在無線信道中傳輸。分別針對信道衰減量及有無信道編碼兩種情況進行調試。第一種情況是在有信道編碼時信道的衰減值分別為70dB、80dB時發送圖像與接受圖像的對比；第二種情況為同樣的信道衰減無信道編碼與有信道編碼的情況下所接收的的圖像的對比。有信道編碼時不同信道衰減下的圖像對比

測試結果是第一種情況有信道編碼時，信道衰減為70dB時接收圖像與發射圖像基本一致，視頻數據準確傳輸， 信道衰減為80dB時收受圖像中雖然出現了少量的馬賽克，但并不影響整體效果，誤碼率在可接受范圍內；第二種情況在無信道編碼的情況下，信道衰減為70dB時的圖像就出現了馬賽克，而同樣情況下有信道編碼所接收到的圖像就很清晰基本上不存在誤碼。信道衰減為80dB時有信道編碼的情況下所接收到的圖像，圖中只有極少部分出現馬賽克現象，而相同的信道衰減下無信道編碼時所接收到的圖像，圖像出現跳躍、不連續、馬賽克等現象。因此，由上面的兩組對比可見，通過信道編碼這一環節，對數碼流進行相應的處理，使系統具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發生。

通過整機的調試及多次檢驗，證明了系統性能的優越性，達到了國內同類產品的較高水平。

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TP211+.5

A

1009-0134(2010)12(上)-0226-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).72

2010-08-29

郝紅（1973 -），女，山東濰坊人，講師，碩士，主要從事機電技術的教學及研究工作。