多碼率國標發射機信道編碼器的設計與實現*

黨宏社，方 鑫

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021）

1 引言

中國地面數字電視廣播傳輸標準GB20600-2006（以下簡稱“國標”）適用于地面傳輸的數字多路電視/高清晰度電視固定和移動廣播業務的幀結構、信道編碼和調制系統。國標中的信道編碼部分采用了BCH（外碼）+QC-LDPC（內碼）的級聯糾錯編碼技術，使誤碼糾錯能力和信號調制性能更高，系統抗干擾能力更強[1]。其內碼采用了非規則的QC-LDPC碼，性能更加接近隨機非規則的LDPC碼。

信道編碼器作為發射機的重要組成部分，設計十分關鍵。而信道編碼器中的LDPC編碼器必須能夠進行3種碼率的編碼工作，FPGA實現占用資源較多，對系統的成本和復雜度有重要影響，設計難度較高。因此設計的重點與難點就是要在滿足系統要求的基礎上，盡可能地降低資源的消耗，達到資源消耗與系統性能的平衡。

2 系統級設計

BCH+QC-LDPC級連糾錯原理如圖1所示，TS碼流輸入分組模塊后，由模塊分組并產生每組的數據使能信號后輸入下一級。根據國標要求，信道編碼器分為外碼編碼器BCH與內碼編碼器LDPC兩部分，兩級編碼器中還添加了一個刪除前261 bit的0并按照碼率組織數據的結構，其作用是用于編碼數據長度切換，以便達到更好的編碼效率。編碼器模塊工作時鐘為50 MHz，由一個板載50 MHz晶振產生。

圖1 BCH+QC-LDPC級連糾錯原理圖

3 模塊級設計

3.1 BCH編碼器結構設計

根據國標，BCH（762，752）碼由 BCH（1023，1013）系統碼縮短而成，該BCH碼生成多項式為GBCH（x）=1+x3+x10，可知編碼器共需10個移位寄存器。BCH編碼器結構如圖2所示。

圖2 BCH編碼器結構圖

開關A：前752個時鐘周期閉合，使數據輸入編碼器，進行BCH編碼；后10個時鐘周期斷開，輸出10 bit校驗位。開關B：前752個時鐘周期向下，輸入數據輸出；后10個時鐘周期向上，輸出10 bit校驗位。

每個周期BCH編碼器完成一次長度為1023的編碼運算，然后接受下一次數據輸入，進行下次編碼。

3.2 LDPC編碼器結構設計

LDPC碼的生成矩陣Gqc的結構為[1]

式中：I是 b×b 階單位矩陣；O 是 b×b 階零陣；Gi，j是 b×b階循環矩陣，取 0≤i≤k-1，0≤j≤c-1。

LDPC 碼由循環矩陣Gi，j生成。

LDPC編碼器是整個信道編碼器的核心[2-3]，設計規模大，因此采用了自頂向下的設計方法，將這個編碼器劃分為6個子模塊：計數器控制器，數據輸入控制器，ROM總線控制器，運算器陣列，FIFO控制器和輸出控制器。LDPC編碼器的整體結構圖如圖3所示。

圖3 LDPC編碼器結構圖

LDPC編碼器各個部分及其功能如下：

1）計數器控制器

計數器控制器控制整個編碼器內部的工作時序。該子模塊包含3個計數器：count_127運算計數器、count_row行列計數器和count_output輸出計數器。運算計數器對運算器每次載入新Gi，j首行數據后的運算次數進行計數，每溢出一次代表完成了一次行運算；行列計數器對行運算的次數進行計數，每溢出一次代表完成了一次編碼；輸出計數器對輸出字進行計數，每溢出一次代表完成了一次編碼結果輸出。

2）數據輸入控制器

該子模塊完成對運算器陣列的輸入數據的時序控制，同時產生ROM地址數據并對其進行約束。

在仿真測試中發現了兩個問題：

（1）ROM地址數據不能與輸入數據同步，必須比輸入數據提前2個時鐘周期出現在總線上，否則會造成數據錯位。原因在于ROM從讀取地址到輸出數據需要2個時鐘周期。由于ROM地址數據無法提前，因此設計時將輸入數據進行了2個時鐘周期的延時，達到了相同的設計效果。

（2）ROM必須使用CLK全局時鐘的下降沿工作，否則會造成ROM讀取地址數據時，恰好是地址正在變化的不穩定時刻，造成數據讀取錯誤。解決辦法是對CLK時鐘進行反向后提供給ROM，這樣讓ROM讀取地址的時刻延遲了半個時鐘周期，解決了數據讀取錯誤問題。

3）ROM總線控制器

該子模塊只需按照輸入的碼率設定值將對應碼率的ROM數據讀入數據總線即可。

4）運算器陣列

運算器陣列由35個運算器串聯組成，使用時根據不同的碼率選擇不同數目的運算器組成陣列進行運算。每1個運算器在使用過輸入數據后，將輸入數據保持后從數據輸出口向后一級運算器輸出。每個運算器可通過1個移位寄存器累加（SRAA）電路構成，采用反饋移位寄存器與邏輯門設計編碼器電路實現。0.4碼率LDPC需要 35個 SRAA，0.6碼率 LDPC需要 23個 SRAA，0.8碼率LDPC需要11個SRRA，但不同碼率不會同時出現，所以只需設計35個SRAA即可。SRAA編碼電路如圖4所示。

圖4 SRAA編碼電路

設計中發現，雖然每個SRAA中均設計有與門，但是由于是輸入數據與127 bit矩陣數據做與運算，結果不是127 bit的0，就是原矩陣數據。因此設計時不用刻意設計出與門，只需要利用Verilog語言的 If…else語句的特點，不加入else語句就會默認保持結果，即可完成設計。

每個單個的運算器完成以下功能：（1）獲取輸入待編碼數據比特和ROM數據；（2）若輸入待編碼數據為1，則將ROM數據與結果寄存器中的數據按位異或后存入結果寄存器；若輸入為0，則什么也不做；（3）將ROM數據循環右移1位，同時將本次運算的輸入待編碼數據輸出給下一個運算器。運算器只需不停地實現以上3個功能，即可完成運算任務。外部數據輸入控制由數據輸入控制器完成。

下面以碼率為 0.4的 LDPC（7493，3048）碼為例，詳細說明運算過程。矩陣Gi，j如圖5所示。

圖5 SRAA陣列運算示意圖

第1個時鐘到來時：第1個比特進入運算器1，與進入鎖存器中的ROM首行127 bit數據（即G[0][0]）做與運算，結果放入data_out臨時寄存器中，鎖存器中數據右移1位，同時將第1個比特輸出至運算器2的bit_in數據輸入線上。

第2個時鐘到來時：第2個比特進入運算器1，與已移位的鎖存器中數據（即國標文件中的G[0][1]）做與運算，再與data_out中的數據做異或運算，并放入data_out中，鎖存器中的數據右移1位；同時運算器2完成上一步運算后，把第1個比特輸出至運算器3；運算器1把第2個比特輸出至運算器2中。

第3～35個時鐘完成如前兩步所示。

第36～127個時鐘到來時：ROM數據停止輸入，運算器繼續完成與鎖存器中移位數據的運算過程。

第128個時鐘到來時：ROM被輸入新數據（G[1][0]），完成一個小陣（127×127）的運算。

當運算器運算結束時，讀出運算結果，同時ROM地址復位，給運算器重新賦入數據（即G[0][0]）。

得到的127×35=4445個數據為校驗位，輸出到127×24=3048 個原始數據前，組成 LDPC（7493，3048）碼。

5）FIFO控制器

該子模塊的任務是將最后一個運算器輸出的輸入數據按127 bit組合為一組，存入FIFO中，待校驗碼輸出完畢后輸出。

6）輸出控制器

在輸出控制器中，若輸出使能位被計數器控制器置1，則與輸出計數器同步運行，將每個運算器輸出的運算結果輸出至輸出口上。設計時僅需注意在輸出第一個127 bit校驗位時需要將indication輸出線輸出高電平，以便后級處理時使用。

4 系統仿真與測試驗證

4.1 系統仿真

編譯結果表明，整個信道編碼器占用了Altera的EP1S30B956C5芯片的12874個 （40%）邏輯單元與287060 bit（9%）存儲器。

在經過時序仿真后，圖6的BCH編碼器輸出結果示意圖表明了輸出BCH編碼器運轉正常，按照程序設計的方式工作并輸出了正確的結果。

圖6 BCH編碼器輸出結果示意圖

LDPC輸出示意圖如圖7所示。address地址信號在使能信號輸入前2個時鐘周期將數據送入了ROM，完成了各個模塊的時鐘同步。每個時鐘周期下的數據準確無誤；各個約束條件都發生了作用，在合適的時刻控制地址線，完成了地址的輸入切換。所有的輸出結果都準確，時序正確；在編碼輸出的同時，與新一次的編碼運算銜接得很好。

4.2 測試驗證

測試與驗證主要是檢驗設計的信道編碼器能否準確、穩定、快速地對每個輸入比特完成編碼。

圖7 LDPC輸出示意圖

將編譯通過的編碼器在Quartus II中加入邏輯分析儀后再編譯下載至芯片，連接測試數據輸入模塊，將編碼器的所有控制與數據信號加入邏輯分析儀中[4]，然后將預設的數據輸入，檢查各個信號線的輸出是否正確；若各個信號無誤，則將芯片的工作頻率逐漸上調，直到數據出現錯誤停止，測試最高工作頻率。

在測試過程中，每一步均采集了大量數據，并與Matlab仿真的數據進行比較，并未發現誤碼，說明上述設計的信道編碼器能夠準確、穩定、快速地對每個輸入比特完成編碼。工作頻率測試發現上述設計的信道編碼器的最高工作頻率為60 MHz，為了保證運算的準確性與穩定性，正常使用時采用50 MHz時鐘工作，而實際需要的最高時鐘頻率為6×7.56 MHz=45.36 MHz，這說明所設計的編碼器完全滿足系統需要。

4 小結

筆者提出了一種三碼率、低復雜度、可擴展的國標數字電視信道編碼器的結構，該編碼器可根據設定的編碼碼率，自動進行對應碼率的數字電視發射機前端編碼工作。該結構資源消耗低，配置簡單靈活，吞吐率大。

[1]GB 20600-2006，數字電視地面廣播傳輸系統幀結構，信道編碼和調制[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]楊抒文，彭克武，潘長勇.DTMB發射機LDPC編碼器的設計與優化[J].電視技術，2008，32（7）：4-5.

[3]王文君，朱曉暄，康桂霞，等.結構化LDPC碼的高速編譯碼器FPGA 實現[J].數據采集與處理，2008（23）：113-118.

[4]齊志強，葛建華，尚文靜.地面數字電視國標編碼器設計與實現[J].電視技術，2007，31（10）： 35-36.